單線隧道軟弱圍巖短臺階法快速成環(huán)施工技術

楊衛(wèi)衛(wèi)

（中鐵八局集團昆明鐵路建設有限公司，云南 昆明 650200）

1 工程概況

隨著我國鐵路快速發(fā)展，隧道施工呈現“三多”特點（隧道數量多、長大隧道多、不良地質隧道多），其中軟弱圍巖隧道占有較大比例。中老鐵路項目中國邊境磨憨至老撾首都萬象段為泛亞鐵路中線的重要組成部分，由中鐵八局施工的磨萬鐵路Ⅲ標段線路長度59.209km，其中隧道16座39.956 km，占線路總長的67.5%，其中長度大于3km的隧道5座，福格村隧道和會富萊隧道為標段及全線重難點工程。福格村隧道設計長度8 955m，其中IV、V級占60%，該隧通過地層以泥巖夾砂巖，泥灰?guī)r為主；會富萊隧道設計全長6 988m，其中IV、V級占82%，該隧通過地層主要為砂巖、泥質粉砂巖、泥巖、灰?guī)r、碳質板巖地層。由于地質復雜，施工中地質變化較大，遇斷層等不良地質多，軟弱圍巖變形，加上電力不足，人員組織困難等因素，難于保持均衡高效施工。通過對施工工法和工藝不斷優(yōu)化總結，單線隧道軟弱圍巖最宜用短臺階法開挖。

2 軟弱圍巖隧道工程特點及變形特點

2.1 軟弱圍巖隧道工程特點

軟弱圍巖強度低、自穩(wěn)能力差，隧道開挖后地應力重新分布，使隧道周邊產生較大的松動圈。一旦工程措施（包括設計措施）和施工方法不當，極易發(fā)生初期支護變形侵限和坍方等工程事故。因此，軟弱圍巖隧道施工的核心是“控制變形、防止塌方”。

2.2 軟弱圍巖隧道變形特點

圍巖應力釋放是隧道施工的必然特征，也是初支結構變形的重要原因。多次開挖，應力多次釋放，會造成初期支護結構多次變形增大。開挖作業(yè)應減少應力多次重分布的危害。

隧道開挖后短時間或變形量小時，初期支護與地層共同承受形變壓力，支護不及時或支護后變形量過大，巖體松動后荷載加大，由初期支護完全被動地承受松動壓力，因此，必須保證初期支護的強度和剛度，及時支護和控制變形。

圍巖初支變形大小與開挖進尺、封閉成環(huán)時間、二襯施作時間呈正相關系，開挖進尺越大，初支成環(huán)時間越晚，變形位移時間越長，變形值就越大。初支結構快速封閉成環(huán)，有利于抑制變形發(fā)展，仰拱二襯及時跟進，保證隧道開挖支護正常進行，均衡推進施工進度。

3 短臺階法快速成環(huán)工藝原理

工法參數：上臺階長度3～5m，高度4～5m，循環(huán)進尺1～2榀鋼架，仰拱初支成環(huán)距掌子面1-2倍洞徑，滿足新奧法的“快封閉”原則，保障隧道施工安全和進度。

1）上臺階、下臺階、仰拱同步開挖支護作業(yè)，縮短工序間的銜接時間

2）仰拱與下臺階同步支護封閉，整個結構快速封閉以抑制變形發(fā)展。

3）節(jié)約空間，縮短安全步距，提高隧道整體施工進度。

4 短臺階法快速成環(huán)工法創(chuàng)新點及特點

單線軟弱圍巖隧道傳統(tǒng)工法為上下臺階先行，要求邊墻左右錯開，上下臺階推進多個開挖循環(huán)，仰拱再開挖一個循環(huán)，仰拱初支成環(huán)與下臺階拉開一定距離。該施工工藝工創(chuàng)新將仰拱與上下臺階同時開挖同時支護，達到快速成環(huán)、組織嚴密、工序銜接緊湊、多工序平行作業(yè)。其特點如下：

1）初支成環(huán)快利于抑制變形發(fā)展，安全性高。常規(guī)工法仰拱開挖距掌子面較遠，同時由于初支成環(huán)時間晚，變形發(fā)展時間長，一般關門坍方易在大進尺開挖仰拱時發(fā)生。短臺階快速成環(huán)工法要求短進尺、快封閉，仰拱與下臺階同步完成，初支成環(huán)時間早，有利于抑制變形，防止塌方。

2）開挖循環(huán)速度快。開挖支護工序無縫銜接且有搭接，循環(huán)時間短，上下臺階仰拱初支同步推進，每循環(huán)開挖支護速度快。

3）開挖與襯砌干擾小，安全步距易控制：仰拱封閉成環(huán)緊跟下臺階，仰拱結構施工區(qū)與仰拱開挖區(qū)拉開距離，充分利用隧道內的空間，減少開挖與結構施工的干擾，開挖支護、仰拱結構、拱墻二襯同步推進，達到仰拱二襯緊跟，安全步距不易超標。

4）工法轉換快。對有Ⅲ級圍巖相間的段落，由于上臺階較短，轉全斷面法施工時，較短時間能將下臺階及仰拱開挖推進至掌子面而形成全面法施工，再轉短臺階法也較快。當遇圍巖較差時，短臺階法與三臺階法間工法轉換也能在短時間內完成。

5）有利于隧道整體進度均衡推進。由于開挖支護循環(huán)速度快，安全步距易控制，工法轉換快，避免了不必要的時間浪費，有利于隧道整體進度均衡推進。

5 施工工藝流程及施工控制要點

短臺階法快速成環(huán)施工工藝流程見圖1。

圖1 短臺階法快速成環(huán)施工工藝流程框圖

短臺階法快速成環(huán)施工工法示意見圖2（單位cm）。

圖2 短臺階快速成環(huán)施工示意縱斷面圖

5.1 上臺階臺架設計加工

利用臺架單獨完成上臺階作業(yè)，可采用2個分離式小臺架，便于臺架退出掌子面后，停放在作業(yè)面后方不影響機械通行。小臺架進、退作業(yè)面時采用挖掘機分次運送兩個臺架。如圖3。

圖3 分離式小臺架

根據斷面大小和上臺階高度大小也可采用多層組合式型鋼臺架或單個整體臺架，采用挖掘機運送安拆臺架。如圖4。

圖4 多層組合式型鋼臺架

對于較小斷面，也可采用組裝式鋼管臺架，重量輕，采用人工運送、組裝和拆除。如圖5。

圖5 組裝式鋼管臺架

5.2 爆破設計

爆破設計應根據地質條件、開挖斷面、掘進循環(huán)進尺、鉆眼機具和爆破器材等結合爆破振動要求進行鉆爆設計，并在施工中根據爆破效果不斷優(yōu)化調整爆破參數。

5.3 放樣布孔

測量放出隧道中心線和拱頂面高程，用紅油漆畫出開挖輪廓線，標出炮孔位置，誤差不得超過5cm；開挖輪廓線應考慮預留變形量，圍巖預留變形量應根據監(jiān)控量測所得信息及時進行調整。

5.4 鉆孔

上臺階、下臺階（包括仰拱）同步鉆孔，上臺階鉆孔過程中完成掌子面加深炮孔探測。嚴格控制周邊孔的間距及各個炮孔間的外傾角；掏槽眼眼口間距和眼底間距的允許誤差為±5cm；輔助眼眼口間距允許誤差為±10cm；周邊眼眼口位置允許誤差為±5cm。

5.5 臺架退出、爆破

鉆孔完成后進行鉆藥，先裝上臺階，當上臺階裝藥完成后，退出小臺架停放在作業(yè)面后方不影響機械通行之處，進行下臺階及仰拱裝藥，裝藥完成后起爆。

5.6 通風排煙、排險

爆破后進行通風排煙、排險。通風時間不得少于15分鐘，洞內空氣達標后方能進入洞內查看，如有瞎炮須先處理后利用挖掘機進行清邦找頂，消除風險。

5.7 出碴

先將上臺階的渣用挖掘機扒至下臺階，用挖機將臺架及拱架分別運至上臺階就位，上臺階開始安裝拱架，同時下臺階開始出渣。

5.8 安裝拱架

上臺階鋼格柵準確安裝是該工序的核心控制點，為下臺階及仰拱快速安裝打好基礎。上臺階安裝拱架時應定位準確，拱架兩拱腳位置測量定位，整個拱圈準確定位并固定，打好鎖腳錨管（桿），待拱部鋼架鋼筋網安裝好后即可進行超前小導管鉆孔、安裝。如下臺階鋼架還未安裝完可進行部分炮孔鉆孔工作直至下臺階鋼架安裝完成，為下一循環(huán)鉆孔節(jié)約時間，噴射混凝土時將已打好的炮眼臨時封堵保護。

邊墻鋼架與上臺階鋼架聯接，邊墻鋼架安裝完成立仰拱鋼架。仰拱鋼架與邊墻鋼架聯接，邊墻鋼架打鎖腳錨管（桿）固定，控制好邊墻鋼架位置。

5.9 噴射混凝土

鋼架安裝完成后進行噴射混凝土施工，并做好拱架腳聯接鋼板的保護，以便下臺階施工時，邊墻鋼架與拱腳鋼架聯接。噴射時用兩把噴槍進行噴射，先雙槍進行仰拱噴射，再分別對上臺階和下臺階同時進行噴射作業(yè)。仰拱混凝土須分層噴射，臺階混凝土應由下向上分層噴射。

當采用噴射操作手進行噴射時，先退出作業(yè)臺架，濕噴機械手就位，根據機械手的作業(yè)半徑范圍確定上、下臺階的噴射作業(yè)順序。先初噴射仰拱進行局部回填渣后移機再進行上臺階的噴射作業(yè)，當一次可全部噴射作業(yè)時，先將上臺階拱部噴射一層，后進行下臺階的第一層噴射混凝土，上、下臺階來回循環(huán)達到分層噴射施工，減少混凝土掉塊現象。噴射作業(yè)完成后退出濕噴機械手，臺架就位，進入下一循環(huán)。

5.10 仰拱二襯施工

仰拱結構作業(yè)區(qū)采用棧橋作為臨時通道，確保仰拱結構端頭距掌子面距離不超過40m，仰拱先行，二襯緊跟，形成平行流水施工，仰拱結構每模施工9～12m，清除渣土，安裝仰拱矮邊墻防水板、仰拱鋼筋，安裝模板澆筑仰拱矮邊墻混凝土。拱墻二襯結構每模施工9～12m，矮邊墻頂鑿毛，安裝拱墻防水板、拱墻鋼筋，臺車合模澆筑拱墻二襯混凝土。

6 施工技術要求

軟弱圍巖隧道施工堅持“先預報、管超前、弱爆破、短進尺、強支護、快封閉、勤量測、緊二襯”方針，執(zhí)行6個方面要求，才能均衡穩(wěn)步推進隧道施工進度。

1）做好超前預報。施工階段必須進行超前地質預報，這一點尤為重要。地質素描、物探、超前鉆探方法是軟弱圍巖超前預報的主要手段，還應加強超前加深炮孔探測，及時探明隧道前方地質情況，特別是地下水的發(fā)育情況，必須用地質預測預報數據指導施工，嚴禁在未探明情況下盲目開挖。

2）做好超前支護。超前支護為掌子面開挖起到棚架作用，超前小導管間距、數量、長度須符合設計要求，位置、角度須符合設計，并進行注漿，漿液必須充滿導管及其周圍的空隙。

3）嚴格開挖工法。隧道開挖不得擅自改變施工工法，須配足意資源，嚴格按施工工藝流程組織施工。軟弱圍巖弱爆破，周邊孔間距不得大于40cm，周邊孔必須采用不耦合間隔裝藥結構，提高隧道成型效果，減少超欠挖。軟弱圍巖要求短進尺、多循環(huán)，禁止超大進尺開挖。初期支護仰拱初支及時閉合極其重要，閉合成環(huán)后，有效地控制變形、避免坍方。

4）規(guī)范施工初期支護。做好初支支護規(guī)范施工，尤其要重視鋼架接頭薄弱環(huán)節(jié)的控制，鋼架鎖腳錨管（錨桿）必須采用定位環(huán)并連接牢靠，鎖腳錨管（桿）位置、長度、角度須符合設計要求，不得出現反坡，并嚴格注漿。軟弱圍巖易產生較大變形段落鋼架安裝后應對接頭連接鋼板進行三面滿焊，以加強接頭抗變形能力。

5）做好監(jiān)控量測。監(jiān)控量測是軟弱圍巖隧道安全施工的“眼睛”，是判斷結構穩(wěn)定性、指導軟弱圍巖隧道安全施工“最重要”的信息化手段，必須保證量測數據的準確性和數據分析的及時性。除設計有特殊規(guī)定外，拱頂下沉及凈空收斂測點間距嚴格執(zhí)行Ⅳ級圍巖10m，Ⅴ圍巖5m。及時測取初始數據，按監(jiān)測頻率進行監(jiān)測，采用測點距掌子面距離和變形速率雙控。

6）及時施作二次襯砌。由于目前初支與二襯共同承載的設計方法，適時進行二次襯砌對安全施工十分重要，現場必須嚴格控制安全步距，仰拱襯砌距掌子面的距離Ⅳ級圍巖不超過50m，Ⅴ級圍巖不超過40m，二次襯砌距掌子面的距離Ⅳ級圍巖不超過90m，Ⅴ級圍巖不超過70m，業(yè)主及設計有特殊規(guī)定的執(zhí)行相應規(guī)定，不能因為安全步距超而迫暫停掌子面掘進而影響隧道整體施工進度。

7 應用實踐及效果

新建大瑞鐵路大保段福星隧道進口較早采用了短臺階施工工法，上臺階采用簡易臺架，Ⅴ級圍巖上下臺階每進2個循環(huán)仰拱跟進一個循環(huán)封閉成環(huán)，接近短臺階法快速成環(huán)施工工藝，每月進度50～60m均衡推進；玉磨鐵路五屏山2號隧道Ⅴ級圍巖最初施工進度只有40m左右，通過優(yōu)化采用短臺階法施工，進度提升至60m。磨萬鐵路空瑯村隧道橫洞大里程采用短臺階法施工，一般V級圍巖施工進度60m以上。磨萬鐵路Ⅲ標段兩座長大隧道最初進度較慢，安全步距超標多，變形多、通過不斷分析總結，觀摩學習，完善施工工序管理，改進施工工藝，在部分隧道口探索短臺階快速施工方法取得了較好的效果，部分段落一般Ⅴ級圍巖月進度曾達到70m以上。由于電力不穩(wěn)定、圍巖變化頻繁、斷層、涌水、大變形、資源組織困難等諸多因素限制，短臺階快速成環(huán)施工技術難于全面應用，但通過分析總結，該工藝技術對推進地質不太復雜的單線軟弱圍巖隧道快速施工是比較適宜的。

8 結論

短臺階法快速成環(huán)施工工藝具有初支成環(huán)快、安全性高、開挖循環(huán)速度快、開挖與二襯施工干擾小、安全步距易控制、工法轉換快，有利于隧道整體進度快速均衡推進，對推進地質不太復雜的單線軟弱圍巖隧道快速施工是比較適宜的。掌握軟巖隧道變形特點、工藝原理、工法特點，配足資源，嚴格按工藝流程及施工控制要點、施工技術要求進行施工組織控制，就能有效抑制初支變形，在保證安全的前提下提高軟弱圍巖施工進度，均衡推進隧道整體施工進度。