鐵路黃土隧道微臺階法快速施工技術研究

范森

摘要： 通過對微臺階工法在鐵路黃土隧道施工中的應用，總結微臺階工法的特點及優缺點，研究微臺階工法在第四系全新統沖洪積粉質黏土、上更新統風積新黃土、中更新統風積老黃土地質鐵路隧道施工中的適用性，充分發揮隧道內作業空間，合理配置資源，優化各工序作業順序，快速進行初支封閉，保證了黃土隧道施工安全和質量，加快了黃土隧道施工進度。

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.

關鍵詞： 黃土隧道；微臺階；快速封閉；軟弱圍巖；監控量測

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

中圖分類號：U45 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）13-0114-03

0 引言

隨著國家鐵路“十三”規劃的逐步實施，中西部鐵路建設項目猛增，相應黃土隧道逐慚增多，在部分鐵路建設項目中黃土隧道甚至占了主導地位，決定著一個鐵路項目的成敗。如何快速施工黃土隧道保證施工安全、質量，避免出現沉降變形、塌方、突泥突水、冒頂等災害對中西部鐵路建設項目有著深遠的意義。本文通過楊坪黃土隧道采用微臺階工法施工，大大縮短初支封閉距離，約束圍巖變形和沉降，降低安全風險，保證施工安全。各臺階同步作業，充分發揮作業空間，提高作業效率，加快了施工進度。

1 工程概述

楊坪隧道為新建鐵路麟游礦區至寶雞二電廠專用線的重點工程之一，其隧道進口位于鳳翔縣姚家溝境內，出口位于麟游縣招賢鎮境內。隧道里程范圍DK56+239～DK61+284，全長5045m。隧道穿越低中山區，黃土沖溝發育，地形起伏大，高程1170m～1440m，洞身最大埋深212m。其中進口端位于澗渠河東岸山梁坡腳處，開辟有階梯狀耕地，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，兩側植被發育，沿線路方向斜坡坡度約35°。隧道設計為單洞單線曲墻式復合式襯砌。全隧道除進口段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，洞內縱坡設為11‰、14.3‰、15‰和14.2‰的單面上坡。巖性主要為Ⅳ級1770m、Ⅳ土級780m、Ⅴ級1145m、Ⅴ土級1350m。黃土段占隧道全長42.2%。進口段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穿越沖溝富含水易突石頭突泥坍塌，標段總工期30個月，隧道工程完工工期26個月，工期緊、任務重。

1.1 技術標準

鐵路等級：地鐵Ⅰ級，線下國鐵Ⅱ級；

正線數目：單線；

最大縱坡：15‰；

最小曲線半徑：800m；

牽引種類：內燃，預留電化條件；

機車類型：DF8B；

到發線有效長度：850m，雙機880m；

牽引質量：4000t；

閉塞方式：自動站間閉塞。

1.2 工程地質

正線隧址區地層主要為第四系全新統沖洪積粉質黏土、上更新風積新黃土、中更新統風積老黃土、白堊系下統礫巖、泥巖夾砂巖。隧道范圍內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 水文地質特征

隧道區屬鄂爾多斯地臺西南緣于關中凹陷的結合部位，斷裂、褶皺不發育，巖層近水平產出，相對比較穩定，地質構造簡單，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

隧址區屬于溫帶半濕潤～濕潤季風氣候區。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 施工風險分析

楊坪隧道進口段穿越低中山區，洞身黃土沖溝發育，地形起伏大，淺埋偏壓。存在以下風險：①第四系全新統沖洪積粉質黏土、上更新風積新黃土弱富水開挖易掉塊坍塌；②初期支護拱頂易沉降，拱腰易收斂變形。噴射混凝土易開裂剝落。

2.2 開挖工法的確定

楊坪隧道斷面設計為7m×9m（寬×高），目前軟弱圍巖隧道常規開挖工法為三臺階七步法、CD法、雙側壁導坑法等，而此三種工法具有表1中所述特點，均存在工序多，施工干擾大，達不到初支快速封閉成環施工要求，因此根據圍巖特性，需要選擇或改進開挖工法。

2.3 微臺階法

2.3.1 臺階劃分

楊坪隧道進口、出口黃土段采用上、中、下三個臺階同步作業，上臺階長度3～5m，高度2.8m；中臺階長度4～6m左右，高度3.2m；下臺階長度5～7m，高度3m，仰拱高度0.8m（下臺階與仰拱初支同步施工）；三個臺階同步作業，中下臺階左右側對稱開挖，縮短了掌子面至仰拱初支封閉的距離，可保證三臺階法施工掌子面至仰拱封閉距離2倍洞徑，兩臺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，加快施工進度。

2.3.2 微臺階開挖

①施工中應遵循“短開挖、少擾動、強支護、緊封閉、實回填、嚴治水、勤量測”的施工原則，緊湊施工工序，精心組織施工。②加強隧道超前地質預報，做好掌子面地質素描及地質調查。③上臺階采用人工開挖，中、下臺階及仰拱采用人工配合機械進行開挖，嚴格控制超欠挖。

2.3.3 增強支護措施

①上臺階拱部采用超前小導管、超前密排小導管等輔助措施施工，確保掌子面前方穩定。②上臺階支護鋼架緊貼掌子面安裝。各臺階鋼架拱腳打設2～4根？準42mm（或？準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。上臺階及中臺階根據現場情況設置臨時仰拱。仰拱初支鋼架與下臺階同步施工。③初支噴射混凝土采用濕噴機械，保障噴射混凝土的平整度、密實度、強度。

2.3.4 微臺階工法操作要點

①合理確定各臺階高度、寬度，既要保證各臺階在開挖過程中的穩定，也要有一定的作業空間，還得考慮方便機械作業。這是微臺階工法的核心和基礎。②遵循軟弱圍巖施工的“三超前、四到位、一強化”原則。即超前預報、超前加固、超前支護，工法選擇到位、支護措施到位、快速封閉到位、襯砌跟進到位，強化量測。③高度重視上臺階施工，保證上臺階開挖、支護過程中掌子面穩定。根據圍巖情況確定核心土是否預留和預留范圍。④突出強調一個“快”字，各臺階施工做到“快挖、快支、快封閉”，同時噴射混凝土保證早期強度達到要求，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根據實際揭示圍巖情況、監控量測變形情況、超前地質預報情況，合理確定開挖進尺，樹立以加快循環時間保證進度的理念，改變以加大進尺保證進度的錯誤觀念。⑦嚴格執行“上下緊跟、左右緊墊”的安全措施，即上臺階拱架頂緊掌子面不留空隙，仰拱初支緊跟下臺階封閉成環，各臺階拱架左右拱腳墊實不能落在虛土上。⑧加強鎖腳施工質量的控制，嚴格控制鎖腳打設的角度、長度、注漿及與拱架的連接。⑨快速處理施工過程出現的意外情況，如塌方、變形等。

3 實例分析

楊坪隧道黃土段通過微臺階施工工法，目前各作業面均施工正常。該工法達到如下效果：

①通過監控量測，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險。

②加快了施工進度，目前Ⅴ黃土級圍巖月進度可達到60m。

正線隧道Ⅴ級圍巖開挖支護進度計算如表3。

③由于各臺階、各工序平行作業，減少了人員、設備的窩工，提高了人員、設備的利用率。

4 微臺階工法優、缺點分析

4.1 微臺階工法優點

①各臺階同步作業，充分利用作業空間，提高工作效率，加快了施工進度。

②各臺階左右同步進行，不再錯開2～3榀拱架距離，縮短了臺階長度，能保證安全步距。

③采用短臺階，快支護，快封閉，提高了軟弱圍巖的安全性。

④各工序同步平行作業，充分發揮了人員、設備的利用率。

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

4.2 微臺階工法的缺點

①上臺階不能使用大型機械，需要人工完成工作較多。②在有限空間內，人員、機械同步作業，安全管理難度加大。③要發揮微臺階優勢，必須保證各臺階均能正常推進，只要有一處出現問題，就會影響整體施工進展。

5 結束語

楊坪隧道粉質黏土、新黃土圍巖段通過微臺階施工，提高工作效率，控制了圍巖的變形，增強了軟弱圍巖施工的安全保障，進而可以推廣至公路、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，還需在以后的應用中進一步加以研究、解決、完善。

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