軟弱圍巖隧道短臺階法開挖工法研究

袁藝杰（成都暢達(dá)通檢測技術(shù)股份有限公司，四川 成都 610000）

軟弱圍巖是指工程環(huán)境中能產(chǎn)生顯著塑性變形的巖體。其地質(zhì)特性是軟弱、松散、破碎、濕潤、風(fēng)化等。該類圍巖工程性質(zhì)軟弱，極易導(dǎo)致隧道施工意外事故的發(fā)生，所以軟弱圍巖是隧道進(jìn)口施工的重難點(diǎn)所在。短臺階法是新奧法施工中的一種開挖方法，開挖時使上下臺階與掌子面的間距小于1 倍洞徑，斷面閉合較快，充分保護(hù)圍巖，并能利用圍巖的自穩(wěn)能力。

嚴(yán)啟斌、許長青結(jié)合武廣客運(yùn)專線坪嶺隧道工程，介紹了 IV、V 級圍巖采用短臺階七步平行流水作業(yè)法開挖的施工工藝，歸納了短臺階法的技術(shù)特點(diǎn)和工藝流程[1]。雷丙超分析了蒙華鐵路 MHTJ-5 標(biāo)坪橋 1 號隧道施工的實(shí)踐，總結(jié)了在軟弱地質(zhì)條件下，借助機(jī)械化進(jìn)行隧道短臺階法開挖的工藝流程、操作要點(diǎn)，為今后類似工程施工提供借鑒[2]。張運(yùn)良、路平、王昌勝依托炎汝高速公路花子坳隧道施工實(shí)例，利用數(shù)值模擬分析，實(shí)測結(jié)果表明：短臺階法施工效果良好，圍巖壓力及拱頂下沉、周邊收斂變形均在可控范圍內(nèi)[3]。張永存、房辰澤以國道 309 線固原過境段公路九龍山隧道為例，研究后得出結(jié)論，采用超短臺階法可以避免初支噴層發(fā)生拉裂破壞，并且能夠有效解決上下斷面相距較近、機(jī)械設(shè)備較集中的問題[4]。

云南被譽(yù)為“天然地質(zhì)博物館”，以上學(xué)者介紹隧道短臺階法時，并未涉及云南這類地質(zhì)條件非常復(fù)雜的情況。本文主要針對云南玉磨鐵路 20 標(biāo)勐遠(yuǎn)隧道進(jìn)口 DK 441＋840～DK 442＋997 施工段。該段圍巖為 V 級圍巖，地層巖性為泥巖夾砂巖，局部含方解石或石英，層理不發(fā)育，整體較濕潤。在隧道開挖支護(hù)過程中圍巖變差、巖體較破碎、穩(wěn)定性及完整性變差，使得施工過程不連續(xù)，作業(yè)班組不穩(wěn)定，施工進(jìn)度緩慢，且施工過程中存在很大的安全隱患。為了防止發(fā)生初支變形開裂和圍巖收斂侵限而導(dǎo)致的換拱，也為了保證施工的安全和效益，從里程 DK 442＋187 開始，改為短臺階法施工，通過縮短上臺階的長度，每循環(huán)同時開挖上臺階與下臺階，充分利用隧道內(nèi)的空間資源，各工序平行作業(yè)，即時封閉，大大縮短了循環(huán)時間和圍巖暴露時間，從而有效地控制了軟弱圍巖的變形收斂，保證了施工的連續(xù)性及安全性。

1 工程概況

云南玉磨鐵路 20 標(biāo)勐遠(yuǎn)隧道位于關(guān)累-勐遠(yuǎn)區(qū)間，設(shè)計時速為 160 km/h 的單線鐵路隧道，隧道里程為 DK 441＋840～DK 444＋114，全程 2 274 m。以勐遠(yuǎn)隧道進(jìn)口為例，里程段為 DK 441＋840～DK 442＋977，隧道長度為 1 137.00 m，短臺階施工法開始上臺階里程為 DK 442＋187.8。隧道最大埋深 184.00 m，隧道洞內(nèi)線路坡度為單面上坡，線路坡度按里程從小到大分別為 0.1%、0.8%。隧道除 DK 441＋840～DK 442＋034.17 段 194.17 m 位于半徑R=3 500.00 m 的右偏曲線上，其余地段均為直線。該區(qū)屬丘陵地貌，丘槽相間，地形波狀起伏，地面高程 650～900.00m，相對高差 50～250.00 m，自然橫坡∠10°～∠40°，局部較陡。掌子面照片如圖 1 所示。

圖1 掌子面照片

測區(qū)上覆第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q 4al+pl）粉質(zhì)黏土、粗圓礫土、坡殘積層（Q 4dl+el）粉質(zhì)黏土等；下伏基巖為二疊系龍?zhí)督M（P2l）泥巖、砂巖、頁巖夾炭質(zhì)頁巖、煤線，石炭系中統(tǒng)（C2）灰?guī)r、石炭系下統(tǒng)（C1）泥巖夾砂巖、炭質(zhì)泥巖。地層巖性分述如表 1 所示。

表1 工程地質(zhì)表

2 施工技術(shù)

2.1 施工方案

從 DK 442＋187～＋230 采用短臺階法開挖，具體施工方案為：掌子面臺車長 5.50 m，通過加快下臺階的施工進(jìn)度，縮短上臺階的距離，使上臺階施工長度僅滿足臺車長度，且 ≤8.00 m，下臺階施工長度控制在 15～20.00 m，而后進(jìn)行正常的短臺階法施工，每循環(huán)同時開挖上臺階和單側(cè)下臺階，當(dāng)安全布局超出時，及時開挖仰拱，并完成仰拱的澆筑，及時跟進(jìn)二襯的澆筑，盡早完成封閉，從而縮短支護(hù)閉合時間，改善初期支護(hù)的受力條件，更好地控制圍巖的變形。以此保證“弱爆破、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測”的原則。

2.2 施工流程

使用該工法每循環(huán) 3 次扒渣、2 次爆破、1 次噴漿，各作業(yè)面可以平行作業(yè)，效率高，干擾少，有效縮短了各工序銜接的時間，加快了施工進(jìn)度。具體施工流程如圖 2 所示。

圖2 施工流程圖

2.3 施工操作要點(diǎn)

（1）上一循環(huán)噴錨結(jié)束后裝載機(jī)立即進(jìn)入掌子面將臺車架子拖至仰拱端頭棧橋前，將濕噴機(jī)吊出，挖掘機(jī)立即進(jìn)入掌子面清理拱腳及底板的虛渣和回彈料，為開挖班鉆孔作業(yè)做準(zhǔn)備，保障鉆孔的位置，防止在鉆孔過程中碎渣堵孔。扒渣排險后，裝載機(jī)進(jìn)入將臺車架推到掌子面；同時開挖班準(zhǔn)備好風(fēng)槍、風(fēng)水管、鉆頭、鉆桿，在仰拱端頭待命，機(jī)械退出后，立即進(jìn)入掌子面作業(yè)。

（2）采用上下臺階開挖，上臺階高度為 6.62 m，下臺階高度為 3.03 m。臺階的長度應(yīng)在便于挖掘機(jī)快速扒渣及超前支護(hù)施作的前提下盡量縮短，減少扒渣距離，上臺階長度≤8.00 m。上臺階使用臺車架進(jìn)行鉆孔作業(yè)，下臺階不使用臺車架。上臺階使用 6 把風(fēng)槍鉆孔，下臺階左右各使用 2 把風(fēng)槍，人員 8 人。開挖班鉆工定點(diǎn)、定眼，讓鉆工能盡快熟悉自己所在位置鉆孔的特點(diǎn)。鉆孔時根據(jù)圍巖情況適當(dāng)調(diào)整周邊眼間距、數(shù)量、裝藥量，控制好超挖和欠挖，盡量不補(bǔ)炮。

（3）爆破后開始通風(fēng)排煙，同時爆破員進(jìn)入掌子面檢查是否存在瞎炮、殘炮、欠挖。若存在應(yīng)立即處理，處理后挖掘機(jī)立即進(jìn)入掌子面扒渣，將上臺階的渣扒到下臺階。

（4）上臺階扒渣快結(jié)束時，通知測量員進(jìn)洞放線，同時通知立架班和裝載機(jī)司機(jī)，將拱架、鋼筋網(wǎng)、連接鋼筋等運(yùn)輸?shù)蕉磧?nèi)等待。測量放線結(jié)束后，立架班立即進(jìn)入掌子面上臺階立架，再將超前小導(dǎo)管、系統(tǒng)錨桿、鎖腳錨桿裝運(yùn)到洞內(nèi)，然后開始下臺階出渣。

（5）下臺階出渣完成時，上臺階鋼架安裝結(jié)束，此時進(jìn)行下臺階測量放線，并開始下臺階鋼架安裝；上臺階同時開始超前小導(dǎo)管和系統(tǒng)錨桿的施工。下臺階測量員和立架班同時作業(yè)，下臺階測量不單獨(dú)占用時間。

（6）采用 2 臺濕噴機(jī)同時進(jìn)行濕噴，混凝土由拌合站集中拌合，在監(jiān)理與技術(shù)人員進(jìn)洞報檢、拍攝隱蔽工程影像資料時，裝載機(jī)將濕噴機(jī)吊進(jìn)掌子面，拌合站同時拌制混凝土運(yùn)到現(xiàn)場，報檢結(jié)束后立即進(jìn)行噴漿。

2.4 施工技術(shù)要求

（1）上臺階施工長度須≤8.00 m，下臺階施工長度控制在 15～20.00 m，施工示意圖如圖 3 所示。

圖3 短臺階法施工示意圖（m）

（2）下臺階開挖左右側(cè)必須錯開 3～5.00 m，嚴(yán)禁對稱開挖。

（3）拱架安裝前應(yīng)清除鋼架底腳下的虛渣及雜物，保證鋼架置于穩(wěn)固的地基上。拱架采用 I 18 鋼拱架，拱架間距為0.80 m，共分 A、B、C、D、E 5 個單元，每單元之間采用螺栓連接。B、C 單元接頭設(shè)置 50 cm×20 cm 鋼墊板，防止鋼架下沉。

（4）每榀鋼架之間采用Φ22 mm 縱向連接筋連接，應(yīng)保證焊接牢固。

（5）超前支護(hù)采用Φ42 mm 超前小導(dǎo)管，每環(huán) 21根，每根長 3.00 m，縱向 1.60 m 每環(huán)，并用 M 20 水泥砂漿注漿。

（6）每榀拱架鋼架接頭處各設(shè)置 2 根Φ42 mm 的鎖腳錨管，每根長 4.50 m，并用 M 20 水泥砂漿注漿加固，每榀共計 16 根。

（7）邊墻采用Φ22 mm 砂漿錨桿，并注漿，每延米施作9 根，單根長 3.00 m，間距 1.20 m×1.00 m（環(huán)×縱）。

（8）網(wǎng)片采用Φ8 mm 鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格間距 20 cm×20 cm。

（9）全環(huán)采用 C 25 噴射混凝土進(jìn)行濕噴，厚度為 25 cm。

2.5 安全要求

（1）進(jìn)洞人員必須佩戴安全帽、反光背心、口罩、手套等安全防護(hù)用品，嚴(yán)禁酒后作業(yè)、疲勞作業(yè)。

（2）在打眼后、每道工序工人進(jìn)洞前，須進(jìn)行有毒有害氣體檢測，通風(fēng)機(jī)保持 24 h 通風(fēng)。爆破后，須通風(fēng) 20 min，方可讓工人進(jìn)洞作業(yè)。

（3）嚴(yán)格執(zhí)行火工品申領(lǐng)制度，未用完的火工品及時進(jìn)行退庫。

（4）嚴(yán)格按照技術(shù)要求施作超前支護(hù)，嚴(yán)禁開挖進(jìn)尺過大，使得超前支護(hù)失效。

（5）洞內(nèi)電線須擺放整齊，隨時檢查破損情況，以便及時更換，防止漏電。

（6）臺車上嚴(yán)禁擺放雜物及小型機(jī)械，以防臺車移動時掉落。

（7）洞內(nèi)應(yīng)保持照明充足，鋼筋及小型機(jī)械不宜隨意擺放，保證作業(yè)的安全。

（8）裝載機(jī)、挖掘機(jī)、出渣車等大型機(jī)械作業(yè)時，無關(guān)人員應(yīng)及時避讓。

（9）洞內(nèi)應(yīng)配備有效的滅火消防器材，隨時注意洞內(nèi)的文明施工。

3 實(shí)際應(yīng)用情況

3.1 對比分析

勐遠(yuǎn)隧道進(jìn)口里程 DK 442＋187 以前采用長臺階法施工，每循環(huán)開挖上臺階，當(dāng)安全布局超出時開挖下臺階，加長下臺階的長度；當(dāng)下臺階距離充足時，開挖仰拱，再澆筑二襯，完成封閉。以此工法施工，圍巖受工程地質(zhì)特征與地下水影響極易產(chǎn)生變形。施工過程采用常規(guī)的施工開挖方法，依次施工，完成上下臺階初支需兩個循環(huán)，但循環(huán)總時間長，封閉慢，易造成圍巖收斂，使已開挖初期支護(hù)變形量過大，導(dǎo)致初支侵限，易發(fā)生初支變形開裂，則須換拱，造成額外的工程費(fèi)用，作業(yè)班組也不穩(wěn)定。這樣使施工進(jìn)度緩慢，且施工過程中存在很大的安全隱患，月進(jìn)尺僅 15～20.00 m。勐遠(yuǎn)隧道進(jìn)口自里程 DK 442＋187以后采用短臺階法施工，每循環(huán)同時開挖上臺階和單側(cè)下臺階，當(dāng)安全布局超出時，下臺階長度充足，開挖仰拱，再澆筑二襯。短臺階開挖快速施工工藝充分利用了隧道內(nèi)的空間資源，工序間平行作業(yè)，簡化施工工序，完成上下臺階初支僅一個循環(huán)，即時封閉，大大縮短了循環(huán)時間和圍巖暴露時間，從而有效地控制了軟弱圍巖的變形收斂，保證施工的連續(xù)性及安全性。自 2018 年 9 月 9 日開始使用短臺階法后，9 月進(jìn)尺為 30.60 m，10 月為 40.40 m，施工進(jìn)度及效益有了顯著的提高。里程 DK 442＋187～230 段，共計 43.00 m，僅用時 28 d 完成，且單循環(huán)最短時間為 14 h 20 min。個別循環(huán)時間如表 2 所示。

表2 循環(huán)時間表

勐遠(yuǎn)進(jìn)口短臺階現(xiàn)場圖如圖 4 所示。短臺階施工工法與傳統(tǒng)的隧道施工工法的主要區(qū)別在于施工組織方式不同。傳統(tǒng)的隧道施工工藝采用依次施工組織方式，即前一工序完工后才開始下一工序，一個工序緊接著一個工序，依次施工下去，直至完成全部施工工序。短臺階施工則要求盡可能采用流水施工組織方式，即幾個施工工序在同一時間、不同的空間上進(jìn)行施工。例如：上臺階立架，下臺階出渣；上臺階打超前，下臺階立架。合理的工序安排與流水作業(yè)大大縮短了循環(huán)時間，是短臺階施工工藝的最核心特點(diǎn)。除施工組織方式不同外，短臺階快速施工工藝的另一個核心要求是工序銜接緊湊，實(shí)現(xiàn)“負(fù)交接、零銜接”。

圖4 勐遠(yuǎn)進(jìn)口短臺階現(xiàn)場圖

3.2 對比總結(jié)

玉磨鐵路項目中的勐遠(yuǎn)隧道，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，圍巖軟弱破碎，技術(shù)難度大，工期非常緊張，且是國家要求的重點(diǎn)線路，質(zhì)量要求高。在施工過程中，經(jīng)過不斷分析總結(jié)，結(jié)合“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、緊封閉、勤量測”的軟弱圍巖施工 18 字方針，不斷完善短臺階開挖施工工藝。自采用短臺階開挖施工工藝以來，掌子面自穩(wěn)能力得到了明顯提高，施工作業(yè)人員的安全得到了有效保障，圍巖收斂變形速率由單日 15 mm 減少到單日 ＜5 mm，對圍巖的收斂變形起到了有效控制。同時，工序循環(huán)時間逐步得到壓縮，由之前的上下臺階分兩個循環(huán)施工共 25～30 h，縮短為單個循環(huán)同時開挖上下臺階共 15～20 h，最快的循環(huán)時間為 14 h 20 min，月進(jìn)尺由之前的每月 15～20.00 m 提高到30～40.00 m，為隧道按期貫通提供了有效的保障。

4 結(jié) 語

玉磨鐵路勐遠(yuǎn)隧道進(jìn)口 DK 442＋187～230 段短臺階開挖工法的成功實(shí)施，為類似軟弱圍巖情況下使用短臺階開挖，做了很好的推廣。該工法還可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整上臺階長度，改為超短臺階，在類似較差圍巖條件下，相比長臺階法，效率高，封閉早，安全性、可靠性較高。在經(jīng)濟(jì)效益、社會效益上相比其他開挖工法，有明顯的優(yōu)勢。