地鐵硬巖隧道短臺階帶仰拱一次開挖施工技術(shù)

陳小華

（中鐵二十四局集團(tuán)福建鐵路建設(shè)有限公司， 福州 350013）

1 工程概況

福州市軌道交通 6號線樟嵐停車場出入場線線路出蘆岐站后，先沿東南方向延伸，后轉(zhuǎn)向西南方向，進(jìn)入樟嵐停車場。出入場線沿福泉快速路及樟嵐村山巒，線路平面最小曲線半徑250m。出入場線全長1250.443m，礦山法段全長1062.445m，礦山法段設(shè)置3個(gè)工作面。1#盾構(gòu)井位于蘆岐站大里程，與蘆岐站～梁厝站區(qū)間共用，盾構(gòu)井尺寸為17.9mx48.8m，基坑深23.28m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)上部采用1000mm厚吊腳墻；2#原設(shè)計(jì)為豎井變更為斜井，位于出入場線中部，采用礦山法施工，斜井長165.171m，最大坡度10%；3#洞門位于樟嵐停車場端，采用明挖法施工；變更后斜井設(shè)計(jì)為7m寬雙車道斜井,如圖1所示，斜井使用時(shí)間約為2年，施工完成后按設(shè)計(jì)回填封閉處理[1]。

圖1 變更設(shè)計(jì)斜井平面布置圖

2 短臺階法施工技術(shù)概述

地鐵礦山法隧道施工中因設(shè)計(jì)斷面較小，施工組織難度大及出碴作業(yè)空間受限，傳統(tǒng)的開挖方法大多采用上臺階、下臺階帶仰拱分兩步開挖或者采用上臺階、下臺階、仰拱分三步開挖，此兩種開挖方法均存在施工進(jìn)度慢，施工成本大，爆破開挖多次擾動(dòng)開挖輪廓周邊圍巖，存在圍巖掉塊、坍塌、較大沉降等施工安全風(fēng)險(xiǎn)；本項(xiàng)目根據(jù)工程特點(diǎn)及周邊爆破作業(yè)環(huán)境，優(yōu)化了進(jìn)洞方案并且調(diào)整了爆破開挖施工工藝，采用上、下臺階帶仰拱一次開挖施工技術(shù)。

2.1 施工工藝簡介

1.上、下臺階帶仰拱一次開挖施工，同時(shí)裝藥起爆、同時(shí)裝運(yùn)出碴，隨后同步施做上、下臺階初期支護(hù),如圖2所示。

2.仰拱初期支護(hù)施工段控制在距離掌子面 35m范圍內(nèi)封閉全環(huán)，可以與掌子面平行作業(yè)，互不沖突，有效的提高了施工進(jìn)度，并能確保施工安全。

圖2 短臺階帶仰拱一次開挖施工示意圖

2.2 臺階高度與長度

結(jié)合施工圖設(shè)計(jì)以及以往鐵路隧道短臺階法施工經(jīng)驗(yàn)，提高小型機(jī)械設(shè)備在地鐵小斷面中施工運(yùn)用的優(yōu)勢，減少仰拱單獨(dú)開挖對其他工序造成的施工干擾，提高上、下臺階、仰拱初期支護(hù)的施工組織工效等因素控制臺階開挖高度和長度。

臺階高度：上臺階主要考慮挖掘機(jī)扒碴高度，提高出碴作業(yè)速度，臺階高度確定為3.89m，使用開挖臺架施工；下臺階帶仰拱考慮工人施鉆、立拱架操作方便，其臺階高度不宜太高，高度確定為2.66m。

臺階長度：考慮上臺階施工作業(yè)空間，爆破后挖掘機(jī)扒碴效率[2]，開挖臺架停放位置等因素，確定上臺階長度均為3～5m，實(shí)際施工時(shí)按照5m考慮，下臺階至仰拱初支封閉成環(huán)端頭，宜控制在 30m，以保證裝載機(jī)裝碴及自卸車有充分的操作空間，每循環(huán)開挖進(jìn)尺 2榀鋼架間距，下臺階左右側(cè)錯(cuò)開開挖，杜絕鋼架同時(shí)懸空。

2.3 主要設(shè)備、機(jī)具配置

上臺階人工手持風(fēng)鉆利用開挖臺架打眼，下臺階（帶仰拱）人工手持風(fēng)鉆站在仰拱回填區(qū)打眼，人工立拱架，濕噴機(jī)施做初期支護(hù)。

具體設(shè)備機(jī)具配置表,如表1所示。

表1 主要設(shè)備、機(jī)具配置表（單個(gè)作業(yè)面）

2.4 主要?jiǎng)趧?dòng)力配置

具體勞動(dòng)力配置表,如表2所示。

表2 主要?jiǎng)趧?dòng)力配置表（單個(gè)作業(yè)面）

2.5 施工循環(huán)時(shí)間

具體循環(huán)時(shí)間表,如表3所示。

表3 循環(huán)時(shí)間表（按進(jìn)尺2m）

3 主要施工工藝流程

本文主要以Ⅳ級圍巖斷面,循環(huán)進(jìn)尺按 2m為例來介紹地鐵小斷面隧道采用短臺階帶仰拱一次爆破開挖施工工藝流程，Ⅳ級圍巖斷面尺寸，如圖3所示。

圖3 Ⅳ級圍巖斷面圖

①上、下臺階及仰拱同時(shí)爆破，挖掘機(jī)修路至上臺階扒碴，初噴混凝土，裝載機(jī)下臺階配合定制自卸車出碴（側(cè)翻40裝載機(jī)，前斗寬2.95m+廠家定制自卸車，后斗寬1.9m，并排作業(yè)）,如圖4所示。

圖4

②上臺階扒碴完畢，挖掘機(jī)修路，裝載機(jī)進(jìn)臺架、測量、運(yùn)送拱架；上臺階立拱，裝載機(jī)下臺階出碴,如圖5所示。

圖5

③上臺階立拱架，打設(shè)鎖腳錨管，下臺階完成出碴，僅在中部墊碴設(shè)置下臺階至上臺階坡道，供裝載機(jī)運(yùn)送拱架及鋼筋網(wǎng)片使用,如圖6所示。

圖6

④上臺階繼續(xù)立拱，打設(shè)超前錨桿，下臺階開始立拱，上、下臺階同步立拱作業(yè),如圖7所示。

圖7

⑤上臺階立拱完成后退臺架，同時(shí)上臺階噴射混凝土，下臺階打設(shè)鎖腳錨桿（管）結(jié)束，上臺階噴射混凝土結(jié)束后立即進(jìn)行下臺階噴射混凝土,如圖8所示。

圖8

⑥上臺階進(jìn)臺架，挖掘機(jī)挖隧底洞碴至邊墻兩側(cè)，清理仰供初支工作面,預(yù)留部分回填恢復(fù)道路用，多余的洞碴用出碴車?yán)龆赐?如圖9所示。

圖9

⑦上臺階打眼、裝藥，仰拱初期支護(hù)進(jìn)行立拱噴射混凝土作業(yè),如圖10所示。

圖10

⑧仰拱初期支護(hù)噴射混凝土封閉完成后，挖掘機(jī)翻碴修路恢復(fù)下臺階道路；上臺階裝藥完成后，退臺架，下臺階及仰拱打眼、裝藥；上、下臺階帶仰拱一起連線爆破。爆破完成后進(jìn)入下個(gè)循環(huán),如圖11所示。

圖11

結(jié)合以上施工工藝流程，地鐵礦山法小斷面隧道Ⅳ級圍巖短臺階帶仰拱一次開挖施工技術(shù)，每循環(huán)進(jìn)尺2.0m，每月按有效施工時(shí)間25天考慮，每天1.5個(gè)循環(huán)，平均月進(jìn)尺為：25×2×1.5=75m。

4 短臺階施工總結(jié)

通過在樟嵐停車場出入場線礦山法隧道的實(shí)踐性施工，城市地鐵礦山法隧道爆破施工極易對周邊建筑物、環(huán)境、周圍居民生活造成影響，為減少火工品管理部門規(guī)定了爆破作業(yè)時(shí)間且不允許夜間爆破施工的影響；通過施工過程中加強(qiáng)施工組織，隧道Ⅳ級圍巖短臺階帶仰拱一次開挖每天達(dá)到既定的1.5個(gè)循環(huán)，超前既定的施工進(jìn)度要求，短臺階帶仰拱一次開挖施工技術(shù)適用于硬巖地質(zhì)，其主要優(yōu)點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：

①帶仰拱一次開挖法開挖減少了爆破作業(yè)對圍巖的擾動(dòng)次數(shù)，圍巖后期整體自穩(wěn)性相對較好。仰拱可早日封閉成環(huán)，形成整體受力系統(tǒng)，降低了施工的安全風(fēng)險(xiǎn)，有效的控制了收斂和沉降。

②短臺階帶仰拱一次開挖法要求現(xiàn)場組織機(jī)動(dòng)靈活，通過工序的緊密銜接，人員、設(shè)備的合理安排，減少單個(gè)工序的時(shí)間來減少圍巖的風(fēng)化，確保施工安全，同時(shí)提高施工進(jìn)度，工效方面優(yōu)于傳統(tǒng)三臺階法。

③短臺階帶仰拱一次開挖法，將仰拱初期支護(hù)納入短臺階工序管控，及時(shí)將支護(hù)體系封閉，施工步距滿足相關(guān)規(guī)定及要求，保證掌子面施工的連續(xù)性。

④仰拱初期支護(hù)及時(shí)封閉成全環(huán)后，避免了下臺階拱架拱腳長期被水浸泡及多次爆破開挖損壞拱架拱腳連接板及基巖的安全質(zhì)量隱患。

⑤最大限度的加強(qiáng)施工組織及平行作業(yè)，同時(shí)減少仰拱單獨(dú)開挖對其他工序造成的干擾，減少了循環(huán)時(shí)間，提高了施工效率[3]。解決了長期以來仰拱初期支護(hù)施工嚴(yán)重制約掌子面施工效率的瓶頸問題。

⑥下臺階帶仰拱一次開挖，有利于底板眼外插角的精度控制，有效控制了仰拱超挖，提升了成形質(zhì)量控制；

⑦下臺階兩側(cè)開挖必須錯(cuò)開至少2米（1個(gè)循環(huán)），杜絕造成同一榀拱架兩側(cè)拱腳同時(shí)懸空。

⑧仰拱噴射混凝土后，需要翻碴修路，初期支護(hù)混凝土強(qiáng)度不足，需要在初支面增加1cm鋼板防護(hù)。

5 施工工效對比

按隧道斜井進(jìn)洞單工作面施工 550米，因仰拱初期支護(hù)施工進(jìn)度是制約全隧均衡生產(chǎn)的關(guān)鍵工序，按隧道Ⅳ級圍巖平均綜合進(jìn)度指標(biāo)為75米/月，需7.3個(gè)月即可施工完成；按以往豎井進(jìn)洞，對比相鄰工點(diǎn)施工進(jìn)度，上、下臺階及仰拱分步爆破開挖支護(hù)，每天只能完成1個(gè)循環(huán)，需11個(gè)月施工完成；與地鐵常規(guī)采用的施工方法相比，工期縮短約3.7個(gè)月，節(jié)約了施工固定成本投入。

6 結(jié)束語

綜上所述，短臺階帶仰拱一次開挖施工技術(shù)能夠快速完成全環(huán)初期支護(hù)封閉，保證受力結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，減少爆破開挖施工對開挖輪廓圍巖的擾動(dòng)次數(shù)，有利于充分利用圍巖自穩(wěn)能力，控制超挖，減少噴射混凝土回填。能夠保證仰拱初期支護(hù)緊跟掌子面開挖施工，并為仰拱、二襯施工創(chuàng)造先決條件，加快隧道全工序施工進(jìn)度，提高施工功效、均衡施工生產(chǎn)、有效縮短施工工期，降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn)，提高了經(jīng)濟(jì)效益。