單線隧道軟巖臺階法施工組織模式選擇

趙志強

（中鐵隧道股份有限公司，河南鄭州450001）

單線隧道軟巖臺階法施工組織模式選擇

趙志強*

（中鐵隧道股份有限公司，河南鄭州450001）

鐵路單線隧道斷面小，軟弱圍巖地段一般采用臺階法施工，由于圍巖軟弱，超前支護、開挖、立栱掛網、噴射砼等工序繁多，勞動力組織復雜，施工中勞動力是采用單工序分組還是工序組合分組，從資源配置、工序時間、效率、經濟指標等方面都有較大差異。因此，組織模式的選擇是項目能否安全、快速、高效施工的關鍵。以某特長單線隧道的施工為試驗點，對2種模式進行實驗對比，對2種模式的資源投入和效率進行對比分析并作出選擇，希望給類似工程施工提供一些參考意見。

軟巖隧道；臺階法；施工組織模式

1　工程概況

木寨嶺隧道設計為雙洞單線分離式特長隧道，隧道全長19095m，是蘭渝鐵路全線控制性重點工程。全隧道共設8座輔助坑道，合同工期65個月。

本隧道地質條件極為復雜，洞身穿越高山區，最大埋深約715m。隧道最大地應力為27.16MPa，屬高地應力隧道。隧道特殊不良地質主要有炭質板巖及斷層等；基巖節理、裂隙發育，特殊地質構造主要有11條斷層破碎帶（帶寬均為200～1000m）、3個背斜及2個向斜構造。為極高風險隧道，施工難度大、風險性高，是本標段控制性重難點工程。

2　工法的選擇

隧道設計Ⅲ級圍巖為全斷面，Ⅳ、Ⅴ級圍巖為三臺階法。

結合斷面形式和圍巖特性，現場在工法的選擇上，之前在Ⅲ級圍巖地段采用了二臺階，但地層變化極為頻繁，Ⅲ、Ⅳ級圍巖來回交錯，現場在采用二臺階、預留核心土、增加拱部超前小導管，掌子面噴砼等臨時支護措施，但因臺階高度過高，圍巖自穩較差時常有圍巖坍塌現象，切收斂變形較大，存在安全隱患。在試用一段時間之后，就沒再使用。結合以上現象，為避免圍巖級別變化頻繁，工法轉換造成延時、誤工，所有的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖地段均采取了三臺階法進行施工，對因拱部自然剝落、掉塊等引起的安全風險大大降低。為防止拱部掉塊、坍塌，在上臺階位置結合地質情況，適時預留了核心土。

三臺階施工，為提高施工進度，需做好工序銜接，可以創造平行作業空間，加快初級支護封閉時間，縮短圍巖暴露時間，避免長時間暴露引起的圍巖失穩，降低安全風險。

結合本隧道軟弱圍巖的變形特性，在三臺階的基礎上，縮短拱架封閉成環時間，三臺階施工必須嚴格控制開挖進尺，上臺階每循環開挖進尺Ⅴ級圍巖為1榀鋼架間距，Ⅳ級圍巖不超過2榀鋼架間距，邊墻開挖進尺不超過2榀鋼架間距，臺階長度控制在3～5m以內，同一臺階左右側錯開至少2榀鋼架位置，避免鋼架同時懸空。

考慮到工人操作方便，挖機便于扒渣，上臺階高度設計為2.8m，工人可以不用臺架等輔助設施進行鉆眼施工及拱架安設；同時挖機可以順利將上臺階部位的渣扒下來。中臺階和下臺階高度均為3.8m。

臺階分布及臺階高度關系如圖1及圖2所示。

3　2種組織模式的資源配置及工藝流程

結合支護工作量，前期開挖支護施工采用的是傳統的單工序組織模式［即1個開挖班（12人）+1個立拱班（12人）+1個噴漿班（8人）］，后期采取的工序組合模式［即2個開挖立拱班（16人/班）+1個噴漿班（8人）］。

3.1人員組織

3.1.1單工序組織模式

開挖工：上臺階3人3把風鉆；中、下臺階各4人4把風鉆；另外需要配合拉風水管等雜工1人；共需12人。

圖1　臺階高度示意圖

圖2　臺階縱斷面示意圖

立拱：扒完渣后，上、中臺階同時立拱，上臺階立拱8人，中臺階立拱4人，上、中臺階立拱結束后，下臺階出渣已基本結束，上、中臺階立拱人員進行下臺階立拱，共需12人。

噴砼：配備2臺噴漿機的人員，噴射手2人，添加速凝劑2人，上料4人，共需8人。

3.1.2多工序組合模式

開挖、立拱：上臺階4把風鉆，需6人；中、下臺階各3把風鉆，各需4人；另外有2名機動人員；扒完渣后，上、中臺階同時立拱，上臺階立拱10人，中臺階立拱6人，上、中臺階立拱結束后，下臺階渣也已經出完，上、中臺階立拱人員進行下臺階立拱。開挖、立拱共需16人。

噴砼：同單工序組織模式，需8人。

3.1.32種模式人員組織優、缺點

（1）單工序組織模式。優點：人員安排緊湊，沒有富裕的勞動力，工費成本降低。

缺點：工序銜接時間要求高；立拱人員工作強度大，休息時間不足；人員緊湊，工序作業時間增長。

（2）多工序組合模式。優點：開挖、立拱為1個班，現場協調靈活；超前導管、錨桿施工時間減短；立拱等體力活，人員隨時可以機動調節，降低了工人的勞動強度；2個開挖班循環作業，工人的休息時間得到了保障；開挖、立拱為1個班，工序銜接時間可控。

缺點：人員增加，工費成本增加。

3.2機械組織

2種組織模式在機械組織上均一致。考慮到裝載機裝渣速度，隧道每延米開挖方量為106.9m3，考慮1.35倍的松散系數和部分超挖，每延米松渣約150m3，裝載機的斗容量為3m3，結合斷面尺寸，能同時擺放1臺裝載機和1輛自卸汽車，每個作業面配置1臺裝載機。

結合斷面尺寸，挖掘機必須在掌子面掉頭；對于掌子面部分地段的欠挖，可以利用挖機進行處理；因步距要求，有時需要用挖機進行裝渣作業。綜合考慮，每個作業面配置1臺PC200挖機。

考慮出渣運距約6km，運輸距離過長，每個作業面配置7輛15t自卸汽車。

3.3施工工藝流程

Ⅳ、Ⅴ級圍巖，均采用三臺階施工法，區別在于每循環開挖進尺，Ⅳ級圍巖循環進尺為1.4～1.6m，Ⅴ級圍巖循環進尺為0.5～0.7m，采取的組織模式不同，但工序流程一致。工藝流程見圖3。

圖3　三臺階施工工藝流程圖

4　兩種組織模式的工效對比

（1）單工序組織模式，開挖進尺按1榀鋼架計算（Ⅴ級圍巖）。

①人員組成：開挖班12人、立拱班12人、噴砼班8人。

②工序循環時間：扒噴漿回彈料1h→上、中、下臺階打眼、放炮（2.5h）→上、中臺階扒渣1.5h→上、中臺階立拱打鎖腳、超前（下部同時出渣）（4h）→下臺階立拱、打鎖腳（2.5h）→噴漿4.5h→下一循環，一循環用時為16h。每月扣除2d耽誤時間，一月按28d計，拱架間距按0.7m，月進度約29.4m。

（2）單工序組織模式，開挖進尺按2榀鋼架計算（Ⅳ級圍巖）。

工序循環時間：扒噴漿回彈料1h→上、中、下臺階打眼、放炮（4h）→上、中臺階扒渣2h→上、中臺階立拱打鎖腳、超前（下部同時出渣）（4.5h）→下臺階立拱、打鎖腳（2.5h）→噴漿5h→下一循環，一循環用時為19h。每月扣除2d耽誤時間，一月按28d計，拱架間距按0.7m，月進度約49.5m。

（3）多工序組合模式，開挖進尺按1榀鋼架計算（Ⅴ級圍巖）。

①人員組成：2個開挖立拱班，16人/班、噴混凝土班8人。

②工序循環時間：扒噴漿回彈料1h→上、中、下臺階打眼、放炮（2h）→上、中臺階扒渣1h→上、中臺階立拱打鎖腳、超前（下部同時出渣2.5h）（2.5h）→下臺階立拱、打鎖腳（1h）→噴漿3.5h→下一循環，一循環用時為11h。每月扣除2d耽誤時間，一月按28d計，拱架間距按0.7m，月進度約42.7m。

（4）多工序模式，開挖進尺為2榀鋼架計算（Ⅳ級圍巖）。

工序循環時間：扒噴漿回彈料1h→上、中、下臺階打眼、放炮（2.5h）→上、中臺階扒渣1.5h→上、中臺階立拱打鎖腳、超前（下部同時出渣4h）（3.5h）→下臺階立拱、打鎖腳（1.5h）→噴漿4.5h→下一循環，一循環用時為15h。每月扣除2d耽誤時間，按28d計，拱架間距按0.7m，月進度約62.7m。

（5）工效對比分析：

①單工序組織模式進度。開挖進尺為1榀鋼架，單循環時間為16h，月進度為29.4m；開挖進尺為2榀鋼架，單循環時間為19h，月進度為49.5m。

②多工序組合模式進度。開挖進尺為1榀鋼架，單循環時間為11h，月進度為42.7m；開挖進尺為2榀鋼架，單循環時間為15h，月進度為62.7m。

綜上對比得出，多工序組合模式明顯優于單工序組織模式，單循環開挖進尺同為0.7m，每月要多施工13.3m，工效提升45.2%。單循環開挖進尺同為1.4m，每月要多施工13.2m，工效提升26.7%。并滿足了施組要求進度要求。

5　2種組織模式的人工費比較

（1）單工序組織模式工費：需要開挖班12人、立拱班12人、噴混凝土班8人。折合工費為16.8萬元/月。

（2）單工序組織模式工費占產值比例：單循環開挖進尺同為0.7m，月人工費為16.8萬元，完成產值208.7萬元，人工費占產值的8.05%；單循環開挖進尺同為1.4m，月人工費為16.8萬元，完成產值351.4萬元，人工費占產值的4.78%。

（3）多工序組合模式每月工費：需要開挖班32人、噴混凝土班8人。折合工費為=22.8萬元/月。

（4）多工序組合模式工費占產值比例：單循環開挖進尺同為0.7m，月人工費為22.8萬元，完成產值303.1萬元，人工費占產值的7.52%；單循環開挖進尺同為1.4m，月人工費為22.8萬元，完成產值445.1萬元，人工費占產值的5.12%。

從上面數據可以看出，多工序組合模式比單工序組織模式在單循環進尺為0.7m時，人工費比例降低0.53%，在單循環進尺為1.4m時，人工費比例上漲0.34%。

但考慮到施工進度提升了26.7%～45.2%、機械設備的費用攤銷比例也隨之降低，多工序組合模式比單工序組織模式在綜合經濟指標方面提升明顯，人工費綜合所占比例下降，綜合效率明顯提升。

6　結束語

本工程經過2種組織模式的對比，選擇采用多工序組合模式施工，不僅實現了進度滿足施組的進度指標要求，切由于進度比單工序組織模式提高了26.7%～45.2%，人工和機械攤銷等固定成本所占產值綜合比例也明顯下降。綜合效益明顯提升。工序時間明顯縮短，支護及時，減少了圍巖暴露的時間，降低了施工風險，確保了施工安全。

［1］黃嘉億.高速鐵路隧道臺階法施工技術參數分析與應用［J］.現代隧道技術，2012，49（3）：77-82.

［2］嚴啟斌，許長青.隧道短臺階法施工方案研究［J］.山西建筑，2009（17）：314-315.

［3］TZ204-2008鐵路隧道工程施工技術指南［S］.中國鐵道出版社，2008.

U45

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1004-5716（2016）10-0179-03

2015-10-30

2015-11-02

趙志強（1969-），男（漢族），河南商水人，高級工程師，現從事隧道工程建設技術工作。