高風險隧道軟弱圍巖微臺階開挖快速施工技術研究

曲登殿 楊志軍

(1.中鐵二十一局集團有限公司 甘肅蘭州 730070；2.中鐵二十一局集團第五工程有限公司 重慶 402160)

1 引言

隧道軟弱圍巖地質條件下采用長臺階法施工，難以滿足安全步距的強制性規定；采用長度大于20 m的短臺階法施工時，受變臺階處交通和仰拱施工作業空間要求的限制，工序安全距離仍然會超標；采用長度小于20 m的短臺階法施工時，雖然能滿足安全步距要求，但因為上臺階作業空間窄小，工序間相互干擾嚴重，機械設備的工作效率大幅度受阻，施工進度緩慢。因此，研究隧道軟弱圍巖微臺階開挖施工技術，以及施工過程中采取的技術管理措施，具有十分重要的意義。

2 工程概況

鄧家灣隧道全長9 390 m，為雙線鐵路隧道。整個隧道地質構造復雜，洞身穿越大石板斷層、石板推測斷層、鹽井溝斷層和埡口村斷層4條斷層帶。圍巖復雜多變，屬于高風險隧道，是全線重難點工程之一。

微臺階施工方法在鄧家灣隧道出口Ⅴ級圍巖段實施，其作業面位于埡口村斷層帶范圍，受斷裂地質構造影響，巖體節理、裂隙非常發育，巖層破碎，地下水豐富，施工難度較大。

3 微臺階開挖方法特點

微臺階開挖方法按“正工法、順工序、配資源、抓安全、硬考核”的原則實施，按“負交接、零誤時”的原則進行工序管理[1-2]。微臺階施工方法實現了上、中、下臺階同步推進，多工序平行作業，縮短初支封閉距離，壓縮循環時間，提高施工進度，實現“零步距”目標，以滿足“兩緊跟、快成環”要求[3]。保證了隧道施工安全質量，縮短了工序時間，保障了施工進度。

4 微臺階開挖施工要點及流程

4.1 操作要點

本隧道Ⅴ級圍巖開挖上臺階長5 m、高3.3 m；中臺階長3 m、高3.5 m；下臺階長15～20 m、高3.4 m。上、中、下三臺階同步掘進[4-5]，每循環開挖進尺1.2 m/2榀，各臺階長度、高度及工作量固化不變。爆破后上臺階扒渣至中臺階，送拱架至上臺階開始立架、打設錨桿(管)。同時中、下臺階開始出渣。出渣完成后中、下臺階同時立架。立架完成后上、中、下臺階依次噴混凝土，完成一個循環。

4.2 施工工藝流程

微臺階開挖工藝流程見圖1，施工進度安排見圖2。

圖1 開挖支護工藝流程

圖2 開挖支護工序施工進度橫道圖

(1)鉆爆施工

本工序用時250 min。每循環進尺1.2 m，立2榀拱架。三個臺階同時鉆孔爆破，上臺階配備4把風槍，中、下臺階各配備3把風槍。

周邊眼裝藥結構采用小直徑藥卷連續裝藥(直徑27 mm，單根長20 cm，每卷重100 g)，導爆管雷管起爆，起爆順序為下臺階→中臺階→上臺階，由毫秒導爆管雷管串聯后依次起爆[6]。

(2)上臺階扒渣及吊運拱架

本工序用時40 min。挖掘機將上臺階洞渣扒至中臺階，扒渣過程中預留部分洞渣作為立架、鉆孔作業平臺。平臺高1.2～1.5 m，頂面長2 m，底面長度3.5 m，尾部修成斜坡便于噴射機械手作業。扒渣的同時裝載機做好運送拱架準備，上臺階洞渣清理完畢后，使用裝載機將拱架運送至上臺階。

(3)上臺階立架，中、下臺階出渣

本工序用時180 min。挖機先將中臺階洞渣扒至下臺階，然后挖機停在中臺階開始出渣，出渣的同時上臺階安裝拱架。

(4)中、下臺階安裝邊墻鋼架(上臺階繼續施作超前支護)

本工序用時250 min。出渣結束后，裝載機將邊墻鋼架運送至中、下臺階后開始安裝。上臺階繼續施作超前支護，上、中、下三個臺階同步平行作業。

(5)噴射混凝土

本工序用時180 min。拱架安裝及超前支護施工完成后，立即進行混凝土噴射作業。機械手停在下臺階，緊貼下臺階掌子面，按照上、中、下臺階的順序依次噴射。

(6)仰拱施工

根據上、中、下臺階施工進度，每三個循環開挖一次隧底[7-8]，開挖長度3.6 m，隧底鉆爆與三臺階同步作業；利用三個臺階立架支護時間進行出渣、支護，不影響掌子面施工；在下一循環掌子面鉆孔的同時噴射隧底混凝土。

4.3 施工資源配置

(1)作業人員安排

現場分兩班倒24 h作業，每班作業人員為38名，共76名。各班組人員安排見表1。

表1 作業人員配置

(2)機械設備配置

現場共配置各類機械、設備36臺(套)。機械設備型號及數量見表2。

表2 機械設備統計

4.4 施工管理措施

按照微臺階開挖施工方法，各個工序銜接比較緊湊，對現場施工的組織、管理提出了更高的要求。為此，鄧家灣隧道軟弱圍巖施工采取了以下幾方面的措施。

(1)配備充足的專業現場管理人員

作業隊管理人員配置在“1152”九大員的基礎上，增設分管副經理1名、洞口值班調度2名。現場共有管理人員14名。

(2)建立高效的調度聯絡體系

在洞內設置信號中轉基站，實現洞內、外通訊信號全面覆蓋，確保洞內、外聯絡暢通。及時掌握洞內作業動態，提前進行人員、物資調配，實現各工序“零誤時、負交接”。

(3)固化施工方法及工序流程

固化臺階尺寸、每工序工作內容，制定可操作的標準橫道圖，張貼在值班室并下發給現場管理人員，管理人員按照標準橫道圖安排現場平行施工作業。

(4)嚴格落實工序寫實及日分析會制度

洞內領工員隨身攜帶工序寫實記錄本，如實填寫當班期間的任務完成情況，并對工序超時、物資超耗、物資供應不及時、質量返工等問題進行重點、詳細記錄。為班組工序考核和后續改進提供真實數據及參照依據。

(5)實行循環時間考核制度

項目部制定嚴格的考核辦法，按每循環用時考核，循環起止時間以響炮為準。通過前一階段的執行，循環時間逐步縮短，已由最初的18 h以上縮短至15 h左右。循環時間及各工序用時見表3。

表3 工序時間標準

(6)提供有力的后勤保障

現場配置機械設備維修小組，每天對機械設備、風水管線巡視檢查，發現問題隱患及時處理，使機械設備處于良好的運行狀態。同時備齊易損件，機械出現故障時能夠及時維修、更換。

(7)強化現場安全、質量卡控

認真落實“內部三檢制”及“班組長責任制”，通過班組長自檢、技術員復檢、專職質檢工程師終檢的逐級檢查制度，過程中及時發現、糾正出現的問題，確保工序質量一次性驗收合格[9]。

5 微臺階法施工效果評價

通過微臺階法施工，規范了施工方法、理順了施工工序、提升了管理水平，安全步距得到有效控制；施工進度、安全質量、文明施工等都有了極大程度地提高。

5.1 安全步距得到有效控制

采用微臺階施工方法后，臺階縮短，上、中、下臺階平行作業，初支鋼架及時封閉成環，能夠實現“兩緊跟、早封閉、快成環”要求，仰拱、二襯能夠及時跟進，始終滿足安全步距強制性規定要求。

5.2 圍巖累計收斂變形明顯減小

微臺階法施工，初支鋼架及時封閉成環，圍巖沉降、收斂值明顯比采用短臺階法施工減小(見圖3)[10-11]。

圖3 微臺階法施工前后拱頂下沉及圍巖收斂值對比曲線

5.3 施工效率、經濟效益顯著提高

(1)采用三臺階施工時，每循環作業時間18 h左右，每月平均開挖進尺20 m至30 m；采用微臺階施工方法之后，每循環作業時間為15 h左右，月進尺可達50 m以上，施工效率顯著提高。

(2)采用微臺階施工方法，臺階長度短，可以實現上臺階立架與出渣平行作業，壓縮了循環時間。同時也解決了分臺階開挖相互干擾、施工效率低的問題，減少了人員、設備窩工。采用微臺階施工后每月可增加產值約140萬元，同時節約了單位產值的勞動力和機械成本，經濟效益顯著。

5.4 三臺階層次清晰、開挖控制規范

采用微臺階施工方法之后，嚴格控制臺階開挖長度和高度[12]，實現上、中、下三臺階同時開挖、同步推進，工序組織線條更清晰，現場更規范、整潔。

6 結束語

鄧家灣隧道采用微臺階開挖施工方法，不僅縮短了各道工序之間的銜接時間，加快了施工進度，還給仰拱施工提供了更多的作業空間，使仰拱、二襯距掌子面的安全步距可控，極大提高了隧道施工安全與質量，同時也達到了成本控制的目的，實現了經濟效益與社會效益相統一的目標。