微臺階工法在軟弱圍巖高風(fēng)險隧道中的應(yīng)用研究

陳兵章

（中鐵二十一局集團(tuán)第二工程有限公司 甘肅蘭州 730000）

1 引言

隨著我國綜合國力的顯著提高，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也迅猛發(fā)展。我國在隧道建設(shè)方面具有大量的工程經(jīng)驗，具備完善的施工技術(shù)［1］。在交通線路建設(shè)過程中，為了節(jié)約交通成本，優(yōu)化行駛線路，使出行更加高效便捷，隧道起著至關(guān)重要的作用［2］。但是在黃土地區(qū)、巖溶地區(qū)、高海拔地區(qū)等復(fù)雜工程地質(zhì)條件地區(qū)，隧道建設(shè)面臨技術(shù)難度大、施工困難等問題。大量學(xué)者對隧道施工進(jìn)行研究，陳云騰等［3］采用ABAQUS軟件為研究隧道圍巖區(qū)段的穩(wěn)定性進(jìn)行開挖施工過程模擬。朱紅桃［4］依托白石崗隧道工程，對連拱隧道施工過程進(jìn)行模擬，得出三導(dǎo)洞施工方案最優(yōu)的結(jié)論。胡長明等［5］基于某連拱隧道施工，通過數(shù)值模擬對微臺階施工方法進(jìn)行優(yōu)化，使隧道施工安全高效。張風(fēng)［6］以奉節(jié)隧道工程提出兩臺階四步開挖技術(shù)，減少了對圍巖的擾動。王建軍［7］在蒙華鐵路某黃土隧道區(qū)段為達(dá)到施工進(jìn)度和安全的目的，提出“快挖、快支、快成環(huán)”為核心的微臺階施工方法?；菸淦剑?］運用軟件模擬對比分析指出微臺階法可有效控制圍巖變形?？梢?，對于高風(fēng)險隧道的開挖，微臺階施工技術(shù)已十分成熟。

成昆鐵路峨眉至米易段共有4座隧道，其總長超過13 km，隧道占線路全長的50.6%，其中興隆山隧道基本以Ⅳ、Ⅴ級圍巖為主。Ⅳ級圍巖呈塊石狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，Ⅴ級圍巖呈角礫碎石松散結(jié)構(gòu)，在施工過程中處置不當(dāng)極易發(fā)生坍塌變形，導(dǎo)致施工安全問題發(fā)生［9］。鑒于該隧道的地質(zhì)情況，傳統(tǒng)長臺階法已經(jīng)不能滿足施工安全的需要。

2 微臺階施工工法特點

大量工程實踐經(jīng)驗和科研成果表明［10－12］，圍巖失去穩(wěn)定性是造成隧道坍塌的根本原因，而圍巖失穩(wěn)的主要原因是隧道開挖后支護(hù)不及時。在采用常規(guī)的臺階法進(jìn)行施工時，由于下臺階的空間限制導(dǎo)致初期支護(hù)不能盡早封閉成環(huán)，故二次襯砌也不能緊跟施工，從而造成隧道坍塌。為了保障鐵路隧道施工安全，鐵建設(shè)（2010）120文對仰拱及掌子面施工距離作出了明確的限值，《鐵路隧道工程施工安全技術(shù)規(guī)程》（TB 10304—2020）對隧道開挖提出詳細(xì)的安全技術(shù)要求。

興隆山隧道采用微臺階施工工法主要通過縮短上、中、下臺階的施工長度，多平臺能夠同時進(jìn)行施工作業(yè)，初支鋼架能夠及時封閉成環(huán)，達(dá)到“兩緊跟、早封閉、快成環(huán)”的施工要求，并能及時進(jìn)行仰拱和二襯的施工，使得施工始終滿足安全步距強(qiáng)制性規(guī)定要求，將隧道風(fēng)險降至最低。利用現(xiàn)有設(shè)備和人員，改變傳統(tǒng)的隧道施工工法，通過對微臺階施工工藝的創(chuàng)新，在保證施工質(zhì)量和施工安全的前提下，加快隧道施工進(jìn)度、降低施工成本。

3 工程概況

興隆山隧道全長1 923 m，最大埋深超過300 m。該隧道線路為單面上坡，最大坡度12‰。全隧以Ⅳ、Ⅴ級圍巖為主，其中Ⅳ級圍巖長度510 m、Ⅴ級圍巖長度1 083 m，總長度1 593 m，占隧道總長的82.8%。隧道穿越1條深斷裂帶，該斷裂帶為區(qū)域性大斷裂、壓扭性深斷裂，斷層寬度200～300 m，以斷層角礫為主，斷層影響寬度300～1 000 m，含有第四系孔隙水、基巖裂隙水和斷層破碎帶孔隙水三個含水層組，其中斷層破碎帶孔隙水最為豐富。該隧道所處地質(zhì)條件極為惡劣，為保障隧道施工的安全及合理工序作業(yè)，經(jīng)研究采用微臺階工法施工。

4 施工工藝

微臺階施工工藝流程如圖1所示。

圖1 微臺階工藝流程

（1）開挖臺階布置形式

針對隧道地質(zhì)狀況，為了施工安全和質(zhì)量，對Ⅳ、Ⅴ級圍巖分別制定不同的臺階布置形式：Ⅳ級圍巖上臺階長5.0 m、高4.2 m；中臺階長3.0 m、高3.0 m；下臺階長15～20 m，高3.0 m。上臺階、中臺階和下臺階同步掘進(jìn)，每循環(huán)開挖進(jìn)尺2.4 m／2榀。Ⅴ級圍巖上臺階長5.0 m、高3.3 m；中臺階長3.0 m、高3.5 m；下臺階長15～20 m，高3.4 m。上臺階、中臺階和下臺階同步掘進(jìn)，每循環(huán)開挖進(jìn)尺1.2 m／2榀。臺階布置形式如圖2所示。

圖2 開挖工法臺階布置形式

（2）上、中、下臺階鉆爆施工

隧道爆破采用光面爆破。為保證炮孔達(dá)到“準(zhǔn)、平、直、齊”的要求，首先采用全站儀放出水平、高程方向的控制基準(zhǔn)點，然后采用多斷面激光水平儀在掌子面投影基準(zhǔn)線，技術(shù)人員用鋼尺精準(zhǔn)布孔，施鉆人員按照“定位、定人”精細(xì)鉆孔。為減小周邊眼孔底的偏移量造成線性超挖，周邊眼采用長短孔布置。按照水壓光面爆破的要求調(diào)整周邊孔眼的裝藥結(jié)構(gòu)，采用小直徑藥卷并連續(xù)裝藥（炸藥卷直徑27 mm，單根長20 cm，每卷重100 g），由毫秒導(dǎo)爆雷管串聯(lián)后依次起爆，起爆順序為下臺階→中臺階→上臺階。

對于Ⅳ級圍巖每循環(huán)進(jìn)尺2.4 m，立2榀拱架。上臺階配備6把風(fēng)槍，中、下臺階各配備4把風(fēng)槍。對于Ⅴ級圍巖每循環(huán)進(jìn)尺1.2 m，立2榀拱架。上臺階配備4把風(fēng)槍，中、下臺階各配備3把風(fēng)槍，三個臺階同時進(jìn)行鉆孔爆破。

（3）上臺階扒渣及吊運拱架

Ⅳ級圍巖爆破完成后，挖掘機(jī)將上臺階的洞渣扒至中臺階（見圖3），并修筑臨時坡道。當(dāng)Ⅴ級圍巖爆破完成后，同樣安排挖掘機(jī)進(jìn)行上臺階扒渣作業(yè)，并在上臺階預(yù)留部分洞渣作為施工平臺，方便工人進(jìn)行立架和鉆孔作業(yè)，平臺高1.2～1.5 m，頂面長2 m、底面長3.5 m，為便于混凝土噴射機(jī)械手作業(yè)將尾部修成具有一定斜度的坡面。裝載機(jī)駕駛員不僅要進(jìn)行扒渣作業(yè)，在上臺階洞渣清理完畢后還需將初支鋼拱架運送至上臺階。

圖3 上臺階扒渣示意

（4）上臺階立架，中、下臺階出渣

首先安排挖掘機(jī)進(jìn)行扒渣作業(yè)，將中臺階洞渣扒至下臺階，然后挖掘機(jī)站位于中臺階準(zhǔn)備出渣。Ⅳ級圍巖每循環(huán)的出渣方量約為267 m3，配備自卸車3臺，運距1.4 km；Ⅴ級圍巖每循環(huán)的出渣方量約為130 m3，配備自卸車5臺，運距8.7 km。為加快施工進(jìn)度，當(dāng)Ⅳ級、Ⅴ級圍巖中下臺階出渣時，在上臺階開始安裝拱架。

（5）中、下臺階安裝邊墻鋼架

為了保證上、中、下三個臺階平行作業(yè)，中、下平臺出渣完成后，安排裝載機(jī)將邊墻鋼架運送至中、下臺階，放置到位后立即開始安裝，上臺階繼續(xù)進(jìn)行超前支護(hù)。其中Ⅳ級圍巖上臺階安裝超前小導(dǎo)管37根，每根長度為3.5 m，縱向2.4 m為一環(huán)，并且每循環(huán)施作8根鎖腳錨管和26根系統(tǒng)錨桿，安排6把風(fēng)槍進(jìn)行工作；中臺階安裝鎖腳錨管8根、系統(tǒng)錨桿8根，安排4把風(fēng)槍；下臺階安裝鎖腳錨管8根、系統(tǒng)錨桿8根，安排4把風(fēng)槍。Ⅴ級圍巖上臺階安裝超前小導(dǎo)管50根，每根長度為3 m，并且每循環(huán)施作16根鎖腳錨管和10根系統(tǒng)錨管，安排3把風(fēng)槍；中臺階鎖腳錨管16根、系統(tǒng)錨桿6根，安排2把風(fēng)槍；下臺階安裝鎖腳錨管16根、系統(tǒng)錨桿6根，安排2把風(fēng)槍。

（6）噴射混凝土

在混凝土噴射施工前，為確保各項原材料的相互兼容和保證混凝土性能穩(wěn)定，對進(jìn)場原材進(jìn)行試驗，根據(jù)試驗結(jié)果動態(tài)調(diào)整施工配合比，并結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行工藝試驗，優(yōu)化工藝參數(shù)，以提高混凝土噴射質(zhì)量。

拱架安裝及超前支護(hù)施工完成后，需立即進(jìn)行混凝土噴射作業(yè)，按照上、中、下臺階的順序依次噴射。其中對于Ⅳ級圍巖每循環(huán)設(shè)計噴射混凝土方量為17.3 m3，采用的設(shè)備為鐵建重工HPS3016S濕噴機(jī)械手；Ⅴ級圍巖每循環(huán)設(shè)計噴射混凝土方量為9.2 m3，采用的設(shè)備為科達(dá)KC3016W濕噴機(jī)械手。

（7）仰拱施工

不同等級圍巖各臺階施工進(jìn)度不同，所以隧底開挖時機(jī)也不相同。Ⅳ級圍巖每經(jīng)過1個循環(huán)便開挖一次隧底，開挖長度為3.6 m；Ⅴ級圍巖經(jīng)過3個循環(huán)開挖一次隧底，開挖長度同樣為3.6 m。隧底鉆爆施工與三臺階施工同步進(jìn)行，隧道底部出渣和支護(hù)作業(yè)與三個臺階立架支護(hù)同時進(jìn)行，這樣便不會影響掌子面施工，而且在進(jìn)行隧底混凝土噴射時可以同時進(jìn)行下一個循環(huán)中掌子面鉆孔施工。

（8）施工資源配置

①作業(yè)人員安排

現(xiàn)場作業(yè)兩班倒，24 h不間斷作業(yè)，Ⅳ、Ⅴ級圍巖配備人數(shù)不同，詳細(xì)人員配置見表1。

表1 作業(yè)人員配置

表2 機(jī)械設(shè)備配置

5 工程效益分析

（1）隧道施工采用微臺階施工方法，并依據(jù)不同級別的圍巖性質(zhì)，采用不同的微臺階施工工藝。Ⅳ級圍巖在采用微臺階工法之前，每次循環(huán)作業(yè)時間達(dá)到22 h以上，每月平均進(jìn)尺僅50～60 m；采用微臺階工法之后，Ⅳ級圍巖每循環(huán)作業(yè)時間縮短4 h左右，月進(jìn)尺提高30～40 m。Ⅴ級圍巖在采用微臺階工法之前，每次循環(huán)作業(yè)時間在18 h左右，每月平均進(jìn)尺僅20～30 m；采用微臺階工法之后，Ⅴ級圍巖每次循環(huán)作業(yè)時間縮短3 h左右，月進(jìn)尺提高25～35 m。單次施工循環(huán)時間明顯減少，月進(jìn)尺明顯提高，施工效率顯著提高。

（2）在施工安全方面，因安全步距造成的停工趕步距情況得到徹底改善，由于前期施工時，隧道中間始終留有斜坡道，臺階長、工序多，相互干擾，三個臺階不能齊頭并進(jìn)，并且仰拱和二襯的施工不能及時跟進(jìn)，導(dǎo)致安全步距經(jīng)常超標(biāo)。采用微臺階工法后，臺階長度的縮短使得上、中、下臺階能夠進(jìn)行平行作業(yè)；初支鋼架能夠及時封閉成環(huán)，實現(xiàn)了“兩緊跟、早封閉、快成環(huán)”的施工要求。

（3）采用微臺階工法后，實現(xiàn)了上臺階立拱架與出渣的平行作業(yè)，有效縮短了循環(huán)作業(yè)時間，解決了以往分臺階開挖存在的相互干擾、施工效率低等問題。微臺階工法實施后，Ⅳ級圍巖和Ⅴ級圍巖每月分別增加產(chǎn)值約120萬元和140萬元，同時節(jié)約了單位產(chǎn)值的勞動力和機(jī)械成本；另外混凝土超耗大幅度降低，初支噴射混凝土平均超耗從之前的218%下降到108%，累計減少19 890 m3，減少虧損約928萬元；二襯混凝土平均超耗從之前的64%下降到15%，累計減少了8 295 m3，減虧約310萬元?？梢娫诓捎梦⑴_階工法后取得的經(jīng)濟(jì)效益較為顯著。

6 結(jié)束語

峨米鐵路興隆山隧道施工采用微臺階施工方法，實現(xiàn)了“兩緊跟、早封閉、快成環(huán)”的施工要求，使仰拱和二襯能夠及時跟進(jìn)，滿足了安全步距要求，將隧道施工風(fēng)險降至最低。通過對工藝的創(chuàng)新，加快了隧道施工進(jìn)度、保證了隧道施工安全，并且大幅降低了施工成本。