鐵路隧道軟弱圍巖在安全步距下快速施工技術研究

陳仁超

(中鐵二局股份有限公司， 成都 610031)

鐵路隧道軟弱圍巖在安全步距下快速施工技術研究

陳仁超

(中鐵二局股份有限公司， 成都 610031)

文章基于貴廣鐵路施工Ⅰ標平寨等隧道施工，研究總結出鐵路隧道軟弱圍巖在滿足安全步距情況下快速施工兩項關鍵技術：一是隧道微臺階開挖技術，基于微振動爆破和懸臂多功能開挖臺架，上下導坑各工序平行作業，縮短工序間的銜接時間，微臺階短3～5 m，占用空間小，為后續工序仰拱施工留給更大的空間，上臺階翻渣量也少；二是隧道仰拱快速施工技術，由課題組進行技術攻關，設計開發出隧道仰拱快速施工技術及配套設備，在棧橋有效長度內,將一個仰拱作業面分為開挖區和混凝土澆筑區，進行平行流水作業施工，以縮短仰拱作業空間和循環作業時間。該技術的研發應用，保證了仰拱封閉位置距開挖掌子面安全距離不大于35 m，完全滿足有關強制性規定，保證了隧道施工安全和質量，加快了進度，降低了成本，文明施工也得到大大改善。

鐵路隧道； 軟弱圍巖； 安全步距； 快速施工

1 前言

軟弱圍巖快速施工已有非常成熟的技術和工法，然而在原鐵道部對開挖掌子面與二襯、開挖掌子面與仰拱之間的距離作了強制性規定后，這些工法和技術就不能完全滿足在安全步距下的快速施工要求了，必須進行新工法和設備的研制，才能滿足這一新的要求。近來，在隧道施工過程中時常發生坍塌事故，造成不同程度人員傷亡和財產損失，對行業產生了較大的負面影響。據不完全統計分析，其主要原因是初期支護未嚴格按設計及時施作、或未做到位、或偷工減料、或二次襯砌未及時跟進等。為此，原鐵道部先后出臺了TB 10304-2009《鐵路隧道施工安全技術規程》、鐵建設[2008]160 號《鐵路建設工程施工企業信用評價暫行辦法》、建技2010[352]號《關于進一步加強鐵路隧道設計施工安全管理工作的通知》、鐵建設[2010]120號《關于進一步明確軟弱圍巖及不良地質鐵路隧道設計施工有關技術規定的通知》等規定和文件，對仰拱與掌子面、二襯與掌子面的距離作了嚴格規定，要求：“仰拱距離掌子面距離Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級圍巖地段不大于90 m；Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級圍巖地段不大于35 m；二次襯砌距離掌子面的距離Ⅰ、Ⅱ級圍巖地段不大于200 m；Ⅲ 級圍巖地段不大于120 m；Ⅳ級圍巖地段不大于 90 m；Ⅴ、Ⅵ級圍巖地段不大于70 m。”

根據上述規定，在實際施工過程中，掌子面開挖和仰拱施工這兩道工序是最關鍵的控制工序，只要這兩道工序能達到協調快速施工要求，隧道施工速度就能提高，彼此之間的距離也能滿足步距要求。二襯施工，只要配足襯砌臺車，完全能滿足二襯與掌子面步距的要求。最難滿足、控制施工進度的關鍵因素是Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級圍巖仰拱封閉位置距開挖掌子面不得大于35 m，如果不進行新工法研究和施工設備研制，根本無法滿足這一強制性規定。

要保證安全步距不超標又要較快的施工進度，必須解決洞身開挖工藝和仰拱施工工藝及其配套技術問題。

首先,若臺階長度大于50 m，顯然無法滿足上述“35 m安全步距的強制性規定”；若臺階長度大于12 m時，由于上、下臺階交界處交通影響和后續工序作業空間要求的限制，工序安全步距仍然會超標；若臺階長度小于12 m，雖然能滿足工序安全步距的要求，但因為上臺階作業空間狹小，工序間相互干擾大，機械設備的工作效率大打折扣，且出渣和進料都要經過二次倒運,因此，施工進度極為緩慢；第二，仰拱施工如果采用傳統工法多工作面作業，也無法滿足安全距離要求，文明施工也無法保證。因此，兩者必須都滿足要求,才能確?！?5 m安全步距的強制性規定”。

本文所介紹的鐵路隧道軟弱圍巖在安全步距下的快速施工技術，有效地解決了這一問題，既保證了施工安全，又提高了施工進度，文明施工得到大大改善。

2 概述

2.1 工程概況

新建貴廣鐵路施工Ⅰ標平寨隧道全長7 075 m，起訖里程為： K 54+702～K 61+777；設計為雙線單洞隧道；Ⅲ級圍巖2 310 m，占隧道全長的32.6%，Ⅳ級圍巖3 454 m，占48.8%，Ⅴ級圍巖1 311 m，占18.6%；全隧道設計帶仰拱；Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖為臺階法開挖；仰拱混凝土環向一次澆筑成型，不留縱向施工縫；仰拱與填充混凝土分開澆筑；按強制性規定，Ⅳ、Ⅴ級圍巖仰拱封閉面位置距掌子面距離不大于35 m。

2.2 目前國內外同類技術現狀

據調查，國外隧道施工開挖掌子面與后續工序仰拱和二次襯砌之間尚無安全步距要求；國內其他行業如公路隧道、水工隧道等也無安全步距規定，相反，水工隧道的二次襯砌必須在開挖和支護全部完成后才能施作。因此，無成熟工藝可供利用，國內鐵路行業也無成熟技術和工裝可供借鑒。

2.3 國內鐵路隧道強制性規定頒布前后施工比較

表1為強制性規定頒布前后比較表。

表1 強制性規定頒布前后比較

2.4 強制性規定頒布后軟弱圍巖快速施工的技術難點

(1)為確保Ⅳ、Ⅴ級圍巖仰拱安全距離不大于35 m。Ⅳ、Ⅴ級圍巖開挖設計為臺階法，受開挖掌子面距仰拱35 m安全距離限制，只能采用微臺階，而其臺階在實際施工中很難形成；另一方面，壓縮仰拱作業空間，仰拱只能一個工作面施工，傳統的工藝技術和設備不能滿足新的要求。

(2)仰拱混凝土環向整體澆筑，無縱向施工縫；仰拱與填充混凝土等級不同，須分次澆筑。仰拱混凝土不能分幅澆筑，加之安全步距35 m限制，仰拱只能一個工作面施工，如果按傳統方法施工3 d一循環6 m，1個月進度不足60 m，遠遠滿足不了進度要求，必須研制新工藝和新設備。

3 隧道軟弱圍巖快速施工關鍵技術

3.1 隧道微臺階開挖關鍵技術要點

3.1.1 確定臺階參數

為使上臺階在縱向少占空間和少翻渣，臺階長度盡可能短，但臺階太短,又無法形成。因此，經多次現場實踐，上臺階長度定為3～5 m較合適，操作方便，翻渣量也?。涣硪环矫?，上下臺階同時鉆眼，同時起爆，上下臺階鉆眼、裝藥、聯線等工作量要大致匹配，因此，高度定為4.0 m,上斷面約37 m2，下臺階高度為6.2 m,下斷面約83 m2，如圖1所示。

圖1 微臺階法開挖縱、橫斷面圖(cm)

3.1.2 懸臂臺架設計加工

臺架主體骨架采用I20b號工字鋼制成；平臺采用I18號工字鋼、φ22鋼筋及φ8鋼筋網片(網格間距10 cm×10 cm)制成；在臺架掘進前進方向增加懸臂操作平臺，用于微臺階法開挖；拆除懸臂部分，可用于全斷面開挖，如圖2所示。

3.1.3 微振動爆破設計

微振動爆破技術是微臺階法開挖工法成敗的關鍵，需要根據實際情況，進行專項爆破設計。為控制爆破振動速度，采用楔形掏槽、嚴格控制單段最大裝藥量，一般振動速度控制在5 cm/s以下，周邊眼采用小藥卷間隔裝藥，其他炮眼連續裝藥,使用二號乳化炸藥，規格φ32、190 g、200 mm，控制裝藥量。

圖2 懸臂臺架結構示意圖 (cm)

(1)Ⅳ級圍巖爆破設計。每循環開挖進尺2.0 m左右，上臺階37 m2，炮孔91個；下臺階83 m2，炮孔90個。周邊眼間距E=50 cm，最小抵抗線W=60 cm，E/W=0.83，裝藥集中度q=0.12～0.14/m，巖石炸藥單耗0.7～0.8 kg/m3，單段最大裝藥量限值Q限=[(V/K)1/a×R]3，其中V=5 cm/s，K=250，α=1.8，R=28 m，Q限=32.35 kg，如表2、圖3所示。

表2 Ⅳ級圍巖裝藥量參數表(進尺2 m)

圖3 微臺階法Ⅳ級圍巖爆破設計圖(cm)

(2)V級圍巖爆破設計。每循環開挖進尺1.0 m左右，周邊眼間距E=50 cm，最小抵抗線W=50 cm，E/W=1，裝藥集中度q=0.10～0.13/m，巖石炸藥單耗0.60～0.75 kg/m3，開挖面積上臺階38 m2，下臺階84 m2，總計122 m2，炮眼181個。單段最大裝藥量限值Q限=[(V/K)1/a×R]3，其中V=5 cm/s，K=250，α=1.8，R=20 m，Q限=11.78 kg，如圖4、表3所示。

圖4 微臺階法Ⅴ級圍巖爆破設計圖(cm)

表3 Ⅴ級圍巖裝藥量參數表(進尺1.0 m)

3.1.4 開挖及支護作業工藝流程

下臺階出渣與上臺階初噴、打錨桿、掛網、立架工序同時進行；上臺階噴混凝土與下臺階初噴、打錨桿、掛網、立架同時進行，如圖5所示。

圖5 開挖及支護作業工藝流程

3.1.5 微臺階法開挖關鍵點

(1)如果圍巖較差，或者局部較差，可先改善圍巖條件后再行開挖；

(2)鎖腳錨桿及系統錨桿必須按要求施作；

(3)必須嚴格控制下臺階的開挖進尺，上臺階必須保證至少有一榀鋼架在下臺階開挖后不形成懸空，加強爆破設計，嚴格控制單段最大裝藥量，控制爆破振動，這是確保微臺階能否形成的關鍵。

3.2 隧道仰拱快速施工關鍵技術要點

3.2.1 隧道仰拱快速施工技術原理

在仰拱棧橋有效長度內，以端頭梁為界，將棧橋平均分為2個區，即仰拱開挖區和仰拱及填充混凝土澆筑區。讓仰拱開挖和混凝土澆筑2道工序在短距離內形成平行流水作業，在仰拱開挖過程中，利用雙棧橋和端頭梁，同時進行仰拱混凝土澆筑和出渣、進料運輸等作業。一個洞身開挖工作面對應一個仰拱施工作業面，徹底改變了由于仰拱施工速度慢。一個洞身開挖面后跟多個仰拱施工面的落后現狀，現場可根據洞身開挖進度配置仰拱施工設備。如本例棧橋全長19 m，仰拱混凝土澆筑每循環6 m，月進度不小于180 m，最大可達220 m。如果棧橋設為23 m，仰拱混凝土澆筑每循環8 m，月進度不小于240 m，最大可達300 m。仰拱施工占用空間小，本例僅為19 m，對其他工序干擾小，施工速度快。仰拱按設計一次施工到位，縱向不留施工縫，易保證安全質量和文明施工，如圖6所示。

圖6 仰拱施工原理及設備效果圖

3.2.2 CRECGG-1型仰拱快速施工設備簡介

CRECGG-1型仰拱快速施工設備由課題組研發(獲得國家專利)，定點廠家生產，主要由棧橋、仰拱模架、端頭梁、中心溝模架和行走設備組成。

(1)仰拱模架：設計為左右兩幅，分別由模板和剛性骨架組成。模板采用組合鋼模，每塊長6 m(可根據施工進度需要加工)，寬1.2 m，用10 cm槽鋼做加強肋，保證模板具有足夠的剛度；每幅3塊，模板間用樞紐連接，以折疊方式安裝和拆除；剛性骨架采用工字鋼制作，主要功能是存放和移動模板、固定、安設走行設備絞車、傳遞動力等。仰拱混凝土環向一次性整體澆筑完成，縱向不留施工縫，如圖7所示。

圖7 仰拱模板結構效果圖

(2)中心溝模架：采用骨架和模板整體式設計，即用20 cm工字鋼為骨架，在工字鋼骨架上焊接6 mm鋼板作底板和面板。其作用是填充混凝土澆筑時，預留中心水溝位置。

(3)端頭梁：是CRECGG-1型仰拱快速施工設備的核心部分，其功能有：定位和固定仰拱模架及中心溝模架；安裝固定填充混凝土端頭模板和中埋式止水帶；作為棧橋的臨時支撐，在仰拱開挖出渣時，滿足混凝土罐車在棧橋上灌注仰拱混凝土的工況；梁底弧形設計成與中埋式止水帶位置處仰拱弧形一致；梁上邊緣與填充混凝土面標高一致；梁兩端設置定位仰拱模架的靠柱；梁底部設置8根可自由伸縮的支柱，以適應隧底開挖后高低不平的地形情況；設計承載60 t，材料為 20 cm工字鋼，如圖8所示。

圖8 端頭梁結構效果圖

(4)棧橋：兩幅棧橋組成雙車道，每幅棧橋由2片分離式梁組成；可根據施工進度加工，本列棧橋長19 m,單片梁寬1.2 m，每片梁重約10 t,1臺挖掘機可完成棧橋的移動；棧橋設計為雙層結構，上層主要采用20 cm工字鋼，下層用36 cm工字鋼制作，橋面做成弧形，上、下2層之間每隔1 m設1道聯系橫梁，加強結構整體性和承載能力；在施工作業時，棧橋兩端用于支撐長度各2.5 m，端頭梁寬度1 m。因此，用于仰拱施工的有效長度約12 m，可分為2個仰拱作業面，每個作業面長6 m。

(5)行走設備：包括自制軌道吊車、2臺8 t絞車；以棧橋為吊梁,利用棧橋每片梁兩邊工字鋼翼板作為軌道，吊起端頭梁，在絞車的拉動下，可以牽著仰拱模架、中心溝模架一起移動到下一工作面；軌道吊車采用20 cm槽鋼制成，每側各設2個滑輪與棧橋的底層工字鋼翼板咬合。

3.2.3 仰拱及填充施工工藝

利用CRECGG-1型仰拱快速施工設備，施工仰拱及填充，其工序主要包括：仰拱開挖、出渣、清底、模架系統移動及定位、澆筑仰拱混凝土、折疊仰拱模板活動部分、澆筑填充混凝土和拆除中心水溝模板及仰拱模板的固定部分等，如圖9所示。

圖9 仰拱及填充施工工藝流程圖

3.3 最不利工況仰拱與開挖掌子面步距情況

由于爆破巖渣拋擲，因此爆破是最不利工況，在此工況下，Ⅳ、Ⅴ級圍巖臺階長度4.4 m，按上述爆破設計,爆破后,堆渣區長10 m,拋擲區長4 m，多功能臺架長5.5 m，計24.3 m，另加仰拱每循環開挖長度6 m, 共計30.3 m,滿足仰拱封閉位置距開挖掌子面的距離不大于35 m這一最不利條件，如圖10所示。

圖10 最不利工況步距示意圖(m)

4 施工效果

(1)在滿足工序安全步距的前提下，較之短臺階開挖法，微臺階法施工進度明顯加快。若采用短臺階法施工，Ⅳ級圍巖月進度最快能達50 m；采用微臺階法施工，月進度可保證80～90 m；圍巖變化不大、工序銜接正常情況下，月進度最快可達90 m； V級圍巖最快可達70 m。

(2)仰拱施工循環時間只有19 h,為常規施工法循環時間的1/3。

(3)工程質量明顯提高。仰拱沿橫向一次澆筑完成，縱向無施工縫,仰拱和填充分次施工,完全滿足設計要求。

(4)仰拱CRECGG-1型快速施工設備及技術為隧道快速掘進提供了保障。常規仰拱施工法只能每3 d一循環，每天進度不足3 m；如果增加作業面保證進度，必然要加大掌子面與襯砌間的距離，造成安全步距超標；采用本例快速施工法施工，可滿足每月227 m(6×24÷19×30=227 m)的施工進度要求。若將本例棧橋長度由19 m加長到22 m，則可滿足每月303 m(8×24÷19×30=303 m)的施工進度要求。

(5)仰拱施工只需保留一個仰拱作業面，減少了工序分區間的相互干擾，減小了掌子面與二襯之間的作業面數量和總長度，利于二次襯砌的及時跟進，保障了隧道施工安全；雙車道棧橋保持了洞內開挖出渣作業的交通暢通，文明施工和標準化作業水平顯著提高。

5 結束語

隨著鐵路行業出臺頒布安全步距強制性規定，各級檢查要求也將會越來越嚴格。為確保安全和文明施工，提高施工進度，總結一套成熟工藝和技術是我們的責任和義務。以貴廣鐵路施工Ⅰ標平寨等隧道施工為平臺，研發軟弱圍巖在安全步距下的快速施工技術，已在貴廣、滬昆等鐵路得到成功應用，為今后類似工程的施工提供借鑒和參考。

(1)開挖作業采用微臺階，仰拱施工只有1個作業面，工序間相互干擾大大降低，占用空間小，仰拱距掌子面的距離可控制在30～35 m，滿足強制性規定要求。

(2)隧道仰拱快速施工技術，由課題組進行技術攻關，設計開發出隧道仰拱快速施工技術及配套設備，在棧橋有效長度內,將一個仰拱作業面分為開挖區和混凝土澆筑區，進行平行流水作業施工，以縮短仰拱作業空間和循環作業時間。

[1] TB 10304-2009 鐵路隧道工程施工安全技術規程 [S]. TB 10304-2009 Railway Tunnel Engineering Construction Safety Technical Specification [S].

[2] 鐵建設[2010]120號,關于進一步明確軟弱圍巖及不良地質鐵路隧道設計施工有關技術規定的通知[S]. Tie Jian She[2010]No.120, Notification on Further Definition on the Relevant Technical Requirements of the Design and Construction of Weak Surrounding Rock and Poor geological Railway Tunnel [S].

[3] 鐵建設[2010]241號,高速鐵路隧道工程施工技術指南[S]. Tie Jian She[2010]No.241, High-speed Railway Tunnel Engineering Construction Technology Guide[S].

[4] TB 10621-2009 高速鐵路設計規范[S]. TB 10621-2009 Specification for Design of High-speed Railway[S].

[5] 陳貴,高文學,劉冬,等.淺埋隧道開挖爆破震動監測與控制技術[J].現代隧道技術, 2014, 51(5):193-198. CHEN Gui, GAO Wenxue, LIU Dong,et al. Monitoring and Control Technology of Shallow Buried Tunnel Excavation Blasting Vibration [J].Modern Tunnelling Technology, 2014, 51(5):193-198.

[6] 張勇，王云波，劉仁智，等.一種用于高速鐵路雙線隧道仰拱的施工設備：中國，ZL 2011 2 0061795.9[P].2011-10-26. ZHANG Yong, CHEN Renchao,LIU Renzhi, et al. Construction Equipment for High Speed Railway Double Track Tunnel Inverted Arch: China, ZL 20112 0061795.9[P].2011 in October 26th.

[7] 張建偉, 王永東, 周慧君,等. 軟弱圍巖中連拱隧道爆破震動測試分析[J]. 筑路機械與施工機械化, 2013,30(11):100-103. ZHANG Jianwei,WANG Yongdong,ZHOU Huijun,et al.Blasting Vibration Test Analysis of Multiple Arch Tunnel in Weak Surrounding Rock[J].Road Construction Machinery and Construction Machinery,2013,30(11):100-103.

[8] 姜同虎, 霍三勝, 葉飛,等. 淺埋軟弱破碎圍巖隧道進洞施工技術研究[J]. 現代隧道技術, 2011, 48(3):117-122. JIANG Tonghu, HUO Sansheng, YE Fei, et al, Research on Driven Tunneling Technology for Shallow Buried Weak Broken Surrounding Rock Tunnel [J]. Modern Tunneling Technology, 2011,48(3): 117-122.

Research on Fast Construction Technology of Weak Surrounding Rock in Railway Tunnel Under Safe Distance

CHEN Renchao

(China Railway Erju Co.,Ltd.,Chengdu 610031,China)

Based on the construction of Pingzhai tunnel of Guiyang Guangzhou railway construction，the paper summarizes two key technologies of fast construction of railway tunnel soft surrounding rock , including: tunnel micro step excavation technology, based on cantilever excavation bench and micro vibration blasting and parallel operation of the headings in each processe, shortening the convergence time between processes, and providing greater space to the follow-up process inverted arch construction due to the micro-step (3～5 m) and the less slag amount ;the second is tunnel invert fast construction technology designed and developed by research group, an inverted arch work surface is divided into excavation area and concrete placing area for paralled line production to shorten the work space of inverted arch and cycle operation time. The implementation of the technology ensures the invert closed position is not more than 35 meters away from the excavation tunnel face, fully meets the relevant mandatory provisions, guarantees the safety of the tunnel construction and quality, improves the construction progress, reduces the cost and civilization construction has also been greatly improved.

railway tunnel; weak surrounding rock; safe step; rapid construction

2015-11-09

陳仁超(1964-)，男，高級工程師。

1674—8247(2016)01—0084—07

U455

A