地鐵硬巖隧道短臺階帶仰拱一次開挖施工技術

陳小華

（中鐵二十四局集團福建鐵路建設有限公司， 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，后轉向西南方向，進入樟嵐停車場。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，礦山法段設置3個工作面。1#盾構井位于蘆岐站大里程，與蘆岐站～梁厝站區間共用，盾構井尺寸為17.9mx48.8m，基坑深23.28m，圍護結構上部采用1000mm厚吊腳墻；2#原設計為豎井變更為斜井，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；變更后斜井設計為7m寬雙車道斜井,如圖1所示，斜井使用時間約為2年，施工完成后按設計回填封閉處理[1]。

圖1 變更設計斜井平面布置圖

2 短臺階法施工技術概述

地鐵礦山法隧道施工中因設計斷面較小，施工組織難度大及出碴作業空間受限，傳統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度慢，施工成本大，爆破開挖多次擾動開挖輪廓周邊圍巖，存在圍巖掉塊、坍塌、較大沉降等施工安全風險；本項目根據工程特點及周邊爆破作業環境，優化了進洞方案并且調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。

2.1 施工工藝簡介

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

2.仰拱初期支護施工段控制在距離掌子面 35m范圍內封閉全環，可以與掌子面平行作業，互不沖突，有效的提高了施工進度，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

結合施工圖設計以及以往鐵路隧道短臺階法施工經驗，提高小型機械設備在地鐵小斷面中施工運用的優勢，減少仰拱單獨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扒碴高度，提高出碴作業速度，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空間，爆破后挖掘機扒碴效率[2]，開挖臺架停放位置等因素，確定上臺階長度均為3～5m，實際施工時按照5m考慮，下臺階至仰拱初支封閉成環端頭，宜控制在 30m，以保證裝載機裝碴及自卸車有充分的操作空間，每循環開挖進尺 2榀鋼架間距，下臺階左右側錯開開挖，杜絕鋼架同時懸空。

2.3 主要設備、機具配置

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

具體設備機具配置表,如表1所示。

表1 主要設備、機具配置表（單個作業面）

2.4 主要勞動力配置

具體勞動力配置表,如表2所示。

表2 主要勞動力配置表（單個作業面）

2.5 施工循環時間

具體循環時間表,如表3所示。

表3 循環時間表（按進尺2m）

3 主要施工工藝流程

本文主要以Ⅳ級圍巖斷面,循環進尺按 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、下臺階及仰拱同時爆破，挖掘機修路至上臺階扒碴，初噴混凝土，裝載機下臺階配合定制自卸車出碴（側翻40裝載機，前斗寬2.95m+廠家定制自卸車，后斗寬1.9m，并排作業）,如圖4所示。

圖4

②上臺階扒碴完畢，挖掘機修路，裝載機進臺架、測量、運送拱架；上臺階立拱，裝載機下臺階出碴,如圖5所示。

圖5

③上臺階立拱架，打設鎖腳錨管，下臺階完成出碴，僅在中部墊碴設置下臺階至上臺階坡道，供裝載機運送拱架及鋼筋網片使用,如圖6所示。

圖6

④上臺階繼續立拱，打設超前錨桿，下臺階開始立拱，上、下臺階同步立拱作業,如圖7所示。

圖7

⑤上臺階立拱完成后退臺架，同時上臺階噴射混凝土，下臺階打設鎖腳錨桿（管）結束，上臺階噴射混凝土結束后立即進行下臺階噴射混凝土,如圖8所示。

圖8

⑥上臺階進臺架，挖掘機挖隧底洞碴至邊墻兩側，清理仰供初支工作面,預留部分回填恢復道路用，多余的洞碴用出碴車拉出洞外,如圖9所示。

圖9

⑦上臺階打眼、裝藥，仰拱初期支護進行立拱噴射混凝土作業,如圖10所示。

圖10

⑧仰拱初期支護噴射混凝土封閉完成后，挖掘機翻碴修路恢復下臺階道路；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。爆破完成后進入下個循環,如圖11所示。

圖11

結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，每循環進尺2.0m，每月按有效施工時間25天考慮，每天1.5個循環，平均月進尺為：25×2×1.5=75m。

4 短臺階施工總結

通過在樟嵐停車場出入場線礦山法隧道的實踐性施工，城市地鐵礦山法隧道爆破施工極易對周邊建筑物、環境、周圍居民生活造成影響，為減少火工品管理部門規定了爆破作業時間且不允許夜間爆破施工的影響；通過施工過程中加強施工組織，隧道Ⅳ級圍巖短臺階帶仰拱一次開挖每天達到既定的1.5個循環，超前既定的施工進度要求，短臺階帶仰拱一次開挖施工技術適用于硬巖地質，其主要優點有以下幾個方面：

①帶仰拱一次開挖法開挖減少了爆破作業對圍巖的擾動次數，圍巖后期整體自穩性相對較好。仰拱可早日封閉成環，形成整體受力系統，降低了施工的安全風險，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場組織機動靈活，通過工序的緊密銜接，人員、設備的合理安排，減少單個工序的時間來減少圍巖的風化，確保施工安全，同時提高施工進度，工效方面優于傳統三臺階法。

③短臺階帶仰拱一次開挖法，將仰拱初期支護納入短臺階工序管控，及時將支護體系封閉，施工步距滿足相關規定及要求，保證掌子面施工的連續性。

④仰拱初期支護及時封閉成全環后，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量隱患。

⑤最大限度的加強施工組織及平行作業，同時減少仰拱單獨開挖對其他工序造成的干擾，減少了循環時間，提高了施工效率[3]。解決了長期以來仰拱初期支護施工嚴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，提升了成形質量控制；

⑦下臺階兩側開挖必須錯開至少2米（1個循環），杜絕造成同一榀拱架兩側拱腳同時懸空。

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

5 施工工效對比

按隧道斜井進洞單工作面施工 550米，因仰拱初期支護施工進度是制約全隧均衡生產的關鍵工序，按隧道Ⅳ級圍巖平均綜合進度指標為75米/月，需7.3個月即可施工完成；按以往豎井進洞，對比相鄰工點施工進度，上、下臺階及仰拱分步爆破開挖支護，每天只能完成1個循環，需11個月施工完成；與地鐵常規采用的施工方法相比，工期縮短約3.7個月，節約了施工固定成本投入。

6 結束語

綜上所述，短臺階帶仰拱一次開挖施工技術能夠快速完成全環初期支護封閉，保證受力結構穩定，減少爆破開挖施工對開挖輪廓圍巖的擾動次數，有利于充分利用圍巖自穩能力，控制超挖，減少噴射混凝土回填。能夠保證仰拱初期支護緊跟掌子面開挖施工，并為仰拱、二襯施工創造先決條件，加快隧道全工序施工進度，提高施工功效、均衡施工生產、有效縮短施工工期，降低了施工安全風險，提高了經濟效益。