鐵路黃土隧道微臺(tái)階法快速施工技術(shù)研究

范森

摘要： 通過(guò)對(duì)微臺(tái)階工法在鐵路黃土隧道施工中的應(yīng)用，總結(jié)微臺(tái)階工法的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)，研究微臺(tái)階工法在第四系全新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)黏土、上更新統(tǒng)風(fēng)積新黃土、中更新統(tǒng)風(fēng)積老黃土地質(zhì)鐵路隧道施工中的適用性，充分發(fā)揮隧道內(nèi)作業(yè)空間，合理配置資源，優(yōu)化各工序作業(yè)順序，快速進(jìn)行初支封閉，保證了黃土隧道施工安全和質(zhì)量，加快了黃土隧道施工進(jìn)度。

Abstract： Through the application of micro-step method in railway loess tunnel construction， this paper summarizes its characteristics and the advantages and disadvantages， researches the applicability of micro-step method in railway tunnel construction with Holocene alluvial silty clay， upper Pleistocene eolian loess and middle Pleistocene eolian loess， gives full play to the working space in the tunnel， allocates resources rationally， optimizes the process operation order， and quickly closes the initial support， so as to ensure the safety and quality of loess tunnel construction， and speed up the construction progress of loess tunnel.

關(guān)鍵詞： 黃土隧道；微臺(tái)階；快速封閉；軟弱圍巖；監(jiān)控量測(cè)

Key words： loess tunnel；micro-step；rapid closure；soft surrounding rock；monitoring measurement

中圖分類號(hào)：U45 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）13-0114-03

0 引言

隨著國(guó)家鐵路“十三”規(guī)劃的逐步實(shí)施，中西部鐵路建設(shè)項(xiàng)目猛增，相應(yīng)黃土隧道逐慚增多，在部分鐵路建設(shè)項(xiàng)目中黃土隧道甚至占了主導(dǎo)地位，決定著一個(gè)鐵路項(xiàng)目的成敗。如何快速施工黃土隧道保證施工安全、質(zhì)量，避免出現(xiàn)沉降變形、塌方、突泥突水、冒頂?shù)葹?zāi)害對(duì)中西部鐵路建設(shè)項(xiàng)目有著深遠(yuǎn)的意義。本文通過(guò)楊坪黃土隧道采用微臺(tái)階工法施工，大大縮短初支封閉距離，約束圍巖變形和沉降，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，保證施工安全。各臺(tái)階同步作業(yè)，充分發(fā)揮作業(yè)空間，提高作業(yè)效率，加快了施工進(jìn)度。

1 工程概述

楊坪隧道為新建鐵路麟游礦區(qū)至寶雞二電廠專用線的重點(diǎn)工程之一，其隧道進(jìn)口位于鳳翔縣姚家溝境內(nèi)，出口位于麟游縣招賢鎮(zhèn)境內(nèi)。隧道里程范圍DK56+239～DK61+284，全長(zhǎng)5045m。隧道穿越低中山區(qū)，黃土沖溝發(fā)育，地形起伏大，高程1170m～1440m，洞身最大埋深212m。其中進(jìn)口端位于澗渠河?xùn)|岸山梁坡腳處，開(kāi)辟有階梯狀耕地，沿線路方向斜坡坡度約30°；隧道洞身沖溝發(fā)育，覆蓋層較厚，溝谷地帶多有基巖裸露；出口端位于杜水河西岸一小沖溝坎壁處，溝心基巖裸露，兩側(cè)植被發(fā)育，沿線路方向斜坡坡度約35°。隧道設(shè)計(jì)為單洞單線曲墻式復(fù)合式襯砌。全隧道除進(jìn)口段769.16m和出口段668.34m位于半徑為R-800m的曲線上外，其余均位于直線上，洞內(nèi)縱坡設(shè)為11‰、14.3‰、15‰和14.2‰的單面上坡。巖性主要為Ⅳ級(jí)1770m、Ⅳ土級(jí)780m、Ⅴ級(jí)1145m、Ⅴ土級(jí)1350m。黃土段占隧道全長(zhǎng)42.2%。進(jìn)口段DK56+245～DK56+880屬于黃土段淺埋偏壓，平均埋深約35m～45m，出口段DK59+520～DK59+980穿越?jīng)_溝富含水易突石頭突泥坍塌，標(biāo)段總工期30個(gè)月，隧道工程完工工期26個(gè)月，工期緊、任務(wù)重。

1.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

鐵路等級(jí)：地鐵Ⅰ級(jí)，線下國(guó)鐵Ⅱ級(jí)；

正線數(shù)目：?jiǎn)尉€；

最大縱坡：15‰；

最小曲線半徑：800m；

牽引種類：內(nèi)燃，預(yù)留電化條件；

機(jī)車類型：DF8B；

到發(fā)線有效長(zhǎng)度：850m，雙機(jī)880m；

牽引質(zhì)量：4000t；

閉塞方式：自動(dòng)站間閉塞。

1.2 工程地質(zhì)

正線隧址區(qū)地層主要為第四系全新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)黏土、上更新風(fēng)積新黃土、中更新統(tǒng)風(fēng)積老黃土、白堊系下統(tǒng)礫巖、泥巖夾砂巖。隧道范圍內(nèi)的底層主要由新黃土（洞口端）、老黃土、泥巖夾砂巖及礫巖組成。

1.3 水文地質(zhì)特征

隧道區(qū)屬鄂爾多斯地臺(tái)西南緣于關(guān)中凹陷的結(jié)合部位，斷裂、褶皺不發(fā)育，巖層近水平產(chǎn)出，相對(duì)比較穩(wěn)定，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，地下水主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水。第四系孔隙潛水主要賦存于黃土層、黃土層與泥巖夾砂巖接觸面及黃土層與礫巖接觸面；基巖裂隙水主要賦存于巖體節(jié)理、裂隙帶中，富水性差異較大，在巖體較完整地段富水性較小，在巖石破碎地段富水性較大。

1.4 氣象特征

隧址區(qū)屬于溫帶半濕潤(rùn)～濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)。年平均氣溫9.1℃，極端最高氣溫37.8℃，極端最低氣溫-25.2℃。年平均降水量620.4mm，年最大降水量986.1mm。年平均蒸發(fā)量1401.6mm。最大積雪厚度26cm，最大凍土深度53cm。

2 施工方案

2.1 施工風(fēng)險(xiǎn)分析

楊坪隧道進(jìn)口段穿越低中山區(qū)，洞身黃土沖溝發(fā)育，地形起伏大，淺埋偏壓。存在以下風(fēng)險(xiǎn)：①第四系全新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)黏土、上更新風(fēng)積新黃土弱富水開(kāi)挖易掉塊坍塌；②初期支護(hù)拱頂易沉降，拱腰易收斂變形。噴射混凝土易開(kāi)裂剝落。

2.2 開(kāi)挖工法的確定

楊坪隧道斷面設(shè)計(jì)為7m×9m（寬×高），目前軟弱圍巖隧道常規(guī)開(kāi)挖工法為三臺(tái)階七步法、CD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等，而此三種工法具有表1中所述特點(diǎn)，均存在工序多，施工干擾大，達(dá)不到初支快速封閉成環(huán)施工要求，因此根據(jù)圍巖特性，需要選擇或改進(jìn)開(kāi)挖工法。

2.3 微臺(tái)階法

2.3.1 臺(tái)階劃分

楊坪隧道進(jìn)口、出口黃土段采用上、中、下三個(gè)臺(tái)階同步作業(yè)，上臺(tái)階長(zhǎng)度3～5m，高度2.8m；中臺(tái)階長(zhǎng)度4～6m左右，高度3.2m；下臺(tái)階長(zhǎng)度5～7m，高度3m，仰拱高度0.8m（下臺(tái)階與仰拱初支同步施工）；三個(gè)臺(tái)階同步作業(yè)，中下臺(tái)階左右側(cè)對(duì)稱開(kāi)挖，縮短了掌子面至仰拱初支封閉的距離，可保證三臺(tái)階法施工掌子面至仰拱封閉距離2倍洞徑，兩臺(tái)階法施工掌子面至仰拱封閉距離1倍洞徑。保證施工安全，提高工作效率，加快施工進(jìn)度。

2.3.2 微臺(tái)階開(kāi)挖

①施工中應(yīng)遵循“短開(kāi)挖、少擾動(dòng)、強(qiáng)支護(hù)、緊封閉、實(shí)回填、嚴(yán)治水、勤量測(cè)”的施工原則，緊湊施工工序，精心組織施工。②加強(qiáng)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，做好掌子面地質(zhì)素描及地質(zhì)調(diào)查。③上臺(tái)階采用人工開(kāi)挖，中、下臺(tái)階及仰拱采用人工配合機(jī)械進(jìn)行開(kāi)挖，嚴(yán)格控制超欠挖。

2.3.3 增強(qiáng)支護(hù)措施

①上臺(tái)階拱部采用超前小導(dǎo)管、超前密排小導(dǎo)管等輔助措施施工，確保掌子面前方穩(wěn)定。②上臺(tái)階支護(hù)鋼架緊貼掌子面安裝。各臺(tái)階鋼架拱腳打設(shè)2～4根？準(zhǔn)42mm（或？準(zhǔn)76mm）鎖腳錨管，并灌注水泥砂漿。拱腳采用輕型墊塊支墊牢固。鋼架連接處采用厚度為10mm，寬度為10cm鋼板作為縱向連接筋。上臺(tái)階及中臺(tái)階根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)置臨時(shí)仰拱。仰拱初支鋼架與下臺(tái)階同步施工。③初支噴射混凝土采用濕噴機(jī)械，保障噴射混凝土的平整度、密實(shí)度、強(qiáng)度。

2.3.4 微臺(tái)階工法操作要點(diǎn)

①合理確定各臺(tái)階高度、寬度，既要保證各臺(tái)階在開(kāi)挖過(guò)程中的穩(wěn)定，也要有一定的作業(yè)空間，還得考慮方便機(jī)械作業(yè)。這是微臺(tái)階工法的核心和基礎(chǔ)。②遵循軟弱圍巖施工的“三超前、四到位、一強(qiáng)化”原則。即超前預(yù)報(bào)、超前加固、超前支護(hù)，工法選擇到位、支護(hù)措施到位、快速封閉到位、襯砌跟進(jìn)到位，強(qiáng)化量測(cè)。③高度重視上臺(tái)階施工，保證上臺(tái)階開(kāi)挖、支護(hù)過(guò)程中掌子面穩(wěn)定。根據(jù)圍巖情況確定核心土是否預(yù)留和預(yù)留范圍。④突出強(qiáng)調(diào)一個(gè)“快”字，各臺(tái)階施工做到“快挖、快支、快封閉”，同時(shí)噴射混凝土保證早期強(qiáng)度達(dá)到要求，以形成受力體系。⑤始終保持安全步距，掌子面至初支封閉距離不大于2倍洞徑。⑥根據(jù)實(shí)際揭示圍巖情況、監(jiān)控量測(cè)變形情況、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)情況，合理確定開(kāi)挖進(jìn)尺，樹(shù)立以加快循環(huán)時(shí)間保證進(jìn)度的理念，改變以加大進(jìn)尺保證進(jìn)度的錯(cuò)誤觀念。⑦嚴(yán)格執(zhí)行“上下緊跟、左右緊墊”的安全措施，即上臺(tái)階拱架頂緊掌子面不留空隙，仰拱初支緊跟下臺(tái)階封閉成環(huán)，各臺(tái)階拱架左右拱腳墊實(shí)不能落在虛土上。⑧加強(qiáng)鎖腳施工質(zhì)量的控制，嚴(yán)格控制鎖腳打設(shè)的角度、長(zhǎng)度、注漿及與拱架的連接。⑨快速處理施工過(guò)程出現(xiàn)的意外情況，如塌方、變形等。

3 實(shí)例分析

楊坪隧道黃土段通過(guò)微臺(tái)階施工工法，目前各作業(yè)面均施工正常。該工法達(dá)到如下效果：

①通過(guò)監(jiān)控量測(cè)，隧道拱頂沉降及周邊收斂在可控范圍，保證了黃土段安全施工，避免了新黃土的安全風(fēng)險(xiǎn)。

②加快了施工進(jìn)度，目前Ⅴ黃土級(jí)圍巖月進(jìn)度可達(dá)到60m。

正線隧道Ⅴ級(jí)圍巖開(kāi)挖支護(hù)進(jìn)度計(jì)算如表3。

③由于各臺(tái)階、各工序平行作業(yè)，減少了人員、設(shè)備的窩工，提高了人員、設(shè)備的利用率。

4 微臺(tái)階工法優(yōu)、缺點(diǎn)分析

4.1 微臺(tái)階工法優(yōu)點(diǎn)

①各臺(tái)階同步作業(yè)，充分利用作業(yè)空間，提高工作效率，加快了施工進(jìn)度。

②各臺(tái)階左右同步進(jìn)行，不再錯(cuò)開(kāi)2～3榀拱架距離，縮短了臺(tái)階長(zhǎng)度，能保證安全步距。

③采用短臺(tái)階，快支護(hù)，快封閉，提高了軟弱圍巖的安全性。

④各工序同步平行作業(yè)，充分發(fā)揮了人員、設(shè)備的利用率。

⑤采用分部開(kāi)挖方法，超挖得到了控制，縮短了初支整環(huán)閉合的時(shí)間，減少了圍巖的變形，保證了工程質(zhì)量安全，降低了施工成本。

4.2 微臺(tái)階工法的缺點(diǎn)

①上臺(tái)階不能使用大型機(jī)械，需要人工完成工作較多。②在有限空間內(nèi)，人員、機(jī)械同步作業(yè)，安全管理難度加大。③要發(fā)揮微臺(tái)階優(yōu)勢(shì)，必須保證各臺(tái)階均能正常推進(jìn)，只要有一處出現(xiàn)問(wèn)題，就會(huì)影響整體施工進(jìn)展。

5 結(jié)束語(yǔ)

楊坪隧道粉質(zhì)黏土、新黃土圍巖段通過(guò)微臺(tái)階施工，提高工作效率，控制了圍巖的變形，增強(qiáng)了軟弱圍巖施工的安全保障，進(jìn)而可以推廣至公路、市政隧道，也可以在軟弱圍巖的隧道施工中使用。但也存在一定的缺點(diǎn)，還需在以后的應(yīng)用中進(jìn)一步加以研究、解決、完善。

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