高鐵隧道軟弱圍巖微臺階法快速施工技術(shù)

摘 要：以新建重慶至萬州高速鐵路劉家灣隧道為研究背景，在軟弱圍巖地段推行微臺階法施工技術(shù)，將常規(guī)的三臺階法開挖臺架與兩臺階法開挖臺架設(shè)計為一體，設(shè)計出微臺階開挖初支一體臺架。微臺階法具有良好的施工靈活性，在保證了施工安全的前提下，大大提高了施工效率，并節(jié)約了成本，適用于軟弱圍巖地段的施工。

關(guān)鍵詞：軟弱圍巖；微臺階法；微臺階開挖初支一體臺架

0引言

高鐵隧道施工中，針對軟弱圍巖采用較多的施工工法為三臺階法。相比四步CD法、六部CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，三臺階法適用性更強、速度更快、成本更低。但隨著隧道施工技術(shù)的發(fā)展與進步，常規(guī)的三臺階法也顯示出很多不足，主要體現(xiàn)在施工空間狹小、交叉作業(yè)干擾大、施工靈活性差等方面。

在新建重慶至萬州高速鐵路建設(shè)中，積極推行軟弱圍巖微臺階法快速施工技術(shù)，在保留了三臺階法優(yōu)點的同時，克服其固有的缺點，在實際施工作業(yè)中不僅能確保施工安全，還節(jié)約施工成本，大大提高了施工效率。

1工程概況

新建重慶至萬州高速鐵路劉家灣隧道，為單洞雙線隧道。設(shè)計時速350 km/h，線間距5 m，加寬值為0。洞身襯砌凈空斷面半徑為6.65 m，最大高度為9.61 m，最大寬度為13.3 m，全隧鋪設(shè)CRTS型雙塊式無存軌道。隧道全長1 595 m，其中明洞45 m，占全隧2.82%。Ⅲ級圍巖170 m，占全隧10.65%，Ⅳ級圍巖730 m，占全隧45.76%，V級圍巖623 m，占全隧39.05%，最大埋深153 m。

測區(qū)覆蓋層為第四系全新統(tǒng)人工棄土（Q4ml）、坡殘積（Q4dl+el）黏性土；下伏基巖為基巖為侏羅系下統(tǒng)自流井組（J1-2z）、珍珠沖組（J1z）泥巖夾砂巖；三疊系上統(tǒng)須家河組（T3xj）砂巖夾頁巖及煤層煤線，中統(tǒng)雷口坡組（T2l）頁巖夾泥灰?guī)r、灰?guī)r，下統(tǒng)嘉陵江組二、三、四段（T1j2、T1j3、T1j4）灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖、角礫巖地層。隧道不良工程地質(zhì)問題有巖溶、煤層瓦斯及有害氣體，特殊巖土為鹽溶角礫巖。

該隧道以Ⅳ級、V級居多，圍巖強度及承載力較低，巖質(zhì)較軟，遇水力學(xué)性質(zhì)易惡化。該隧道Ⅳ級采用臺階法施工，V級圍巖采用三臺階法施工。Ⅳ級與V級圍巖交替變化，施工工法切換頻繁。

2施工技術(shù)方案

2.1 開挖初支一體臺架設(shè)計方案

將常規(guī)的三臺階法開挖臺架與兩臺階法開挖臺架進行有效結(jié)合，在兩臺階法開挖臺架的架構(gòu)基礎(chǔ)上，臺車上部前端懸挑出4 m平臺，用于上臺階開挖支護作業(yè)。整個臺架主體架構(gòu)采用I18工字鋼組拼焊接而成，其中門架雙拼I18工字鋼內(nèi)布設(shè)通風(fēng)管道及供水管道；各層作業(yè)平臺鋪設(shè)Φ12鋼筋網(wǎng)片，臨邊防護采用Φ50鋼管欄桿，各層平臺上下之間采用∠75角鋼作爬梯。臺架走行方式為輪胎式，利用裝載機進行拖動定位。微臺階一體臺架設(shè)計圖中，臺架正視圖如圖1所示，臺架側(cè)視圖如圖2所示，臺架俯視圖如圖3所示。開挖初支一體臺架主要性能指標(biāo)如表1所示。

2.2 總體施工方法及工藝流程

劉家灣隧道采用鉆爆法施工，以新奧法理論指導(dǎo)施工。根據(jù)本隧圍巖特性及圍巖級別變化特點，全隧采用微臺階施工方法，Ⅲ級、Ⅳ級循環(huán)進尺不大于3 m、Ⅴ級圍巖循環(huán)進尺不大于1.2 m。采用錐型掏槽，按設(shè)計開挖輪廓線布置周邊炮眼，間距為45～55 cm，輔助眼間距為60～80 cm。采用YT-28型氣腿式鑿巖機進行鉆孔作業(yè)，采用煤礦許用炸藥及煤礦許用雷管通過分段毫秒微差爆破。開挖初支施工流程如圖4所示。

2.3 微臺階施工工法

微臺階施工工法在保留三臺階施工工法的基礎(chǔ)上，最大程度地縮短了上臺階長度（上臺階長度為3 m），利用開挖初支一體臺架同步完成上臺階與中臺階的爆破鉆孔施工，臺架整體后移至安全距離，實施爆破。爆破完成后，挖掘機同步將上臺階及中臺階上的洞渣清理完成。對上臺階及中臺階洞周進行排危，臺架再次就位，同步完成上臺階與中臺階的初支施工。微臺階施工工法作業(yè)工序布置如圖5所示。

2.4 微臺階法爆破施工

劉家灣隧道主要以軟弱圍巖為主，按照三臺階法進行爆破設(shè)計，每級臺階設(shè)置掏槽眼、輔助眼、周邊眼、底板眼，炮眼均采用空氣間隔柱狀裝藥結(jié)構(gòu)。上臺階與中臺階同步進行鉆孔及爆破作業(yè)，上臺階拱部鉆孔裝藥，作業(yè)工人利用開挖初支一體臺架前懸挑平臺。上臺階底部鉆孔裝藥，作業(yè)工人直接站在上臺階平臺上。

為保證上臺階與中臺階交叉作業(yè)安全，中臺階至上臺階設(shè)置專用上下爬梯，并在上臺階平臺與臺架之間安裝活動平臺。隧道爆破作業(yè)炮孔布置及鉆工站位布置平面圖如圖6所示，微臺階法爆破鉆孔布置及鉆工站位布置縱斷面圖如圖7所示。

2.5 微臺階法出渣及初支施工

隧道爆破完成后，上、中臺階洞渣堆積在一起，采用挖掘機、裝載機及自卸車先將中臺階平臺上的洞渣裝運完成，然后利用挖掘機將上臺階平臺上的洞渣清理至中臺階平臺上。因上臺階長度較短，其平臺上的洞渣在挖掘機挖斗的作業(yè)半徑范圍內(nèi)，為此可有效利用微臺階的優(yōu)勢，實現(xiàn)洞渣的快速清理。微臺階法爆破出渣示意圖如圖8所示。

隧道初支施工同樣采用開挖初支一體臺架，與爆破鉆孔作業(yè)類似，實現(xiàn)上、中臺階的同步施工。

3優(yōu)勢分析

3.1 避免工法轉(zhuǎn)換

傳統(tǒng)隧道施工中，特別是軟弱圍巖段落較多的隧道，施工工法在三臺階法與臺階法之間轉(zhuǎn)換頻繁，經(jīng)常需要配制兩副開挖臺架進行施工，工序轉(zhuǎn)換作業(yè)繁瑣，對現(xiàn)場的施工組織干擾嚴(yán)重。如果在該類型隧道中，全隧從始至終采用微臺階一種工法進行施工，則可適用各類圍巖級別作業(yè)，不需頻繁轉(zhuǎn)化工法，有效地避免了常規(guī)軟弱圍巖隧道施工中工法轉(zhuǎn)換的弊端。

3.2 提高施工效率

微臺階法施工時上臺階與中臺階同步作業(yè)，與常規(guī)的三臺階法相比，作業(yè)人員、機械設(shè)備、物資材料集中，利用率較高。由于沒有了中臺階至上臺階的坡道影響，中臺階整個斷面可單次施工完成，避免了后續(xù)二次爆破開挖。爆破完成后，上、中臺階的洞渣裝運可同步連續(xù)作業(yè)，出渣效率大大提高。微臺階法施工與常規(guī)的兩臺階法相比，工效基本一致。

通過劉家灣隧道多個施工循環(huán)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析可知，采用微臺階法施工，Ⅳ級圍巖每循環(huán)進尺3 m，平均用時18 h；Ⅴ級圍巖每循環(huán)進尺1.2 m，平均用時15 h。與常規(guī)工法施工，微臺階法施工體現(xiàn)出了較明顯的優(yōu)勢。

3.3 作業(yè)空間優(yōu)越

微臺階法嚴(yán)格來說仍然屬于三臺階法，但其作業(yè)形式及作業(yè)流程與臺階法基本沒有差別。與傳統(tǒng)的三臺階法相比，因為上臺階長度的極限壓縮，隧道作業(yè)空間明顯變大，視線更加寬闊，更利于開挖初支施工。同時中臺階緊跟上臺階掘進，為下臺階及仰拱的及時跟進提供了便利條件，使隧道整個作業(yè)空間得到了優(yōu)化。

3.4 臺架材料節(jié)約

微臺階法巧妙地在常規(guī)兩臺階法開挖臺架的前段增加懸挑平臺，將常規(guī)的三臺階法開挖臺架與兩臺階法開挖臺架有機融合為一體，大大節(jié)省了臺架材料。通過計算可知，微臺階開挖初支一體臺架總質(zhì)量約7 t，而常規(guī)的三臺階法開挖臺架與兩臺階法開挖臺架合計總質(zhì)量約10 t，可節(jié)約型材約3 t。

3.5 提高施工質(zhì)量

微臺階法對隧道質(zhì)量的提高主要體現(xiàn)在爆破開挖質(zhì)量與噴射混凝土質(zhì)量兩方面。

3.5.1 提高爆破開挖質(zhì)量

常規(guī)的三臺階法施工，上臺階空間狹小，氣腿式鑿巖機站位困難，導(dǎo)致部分炮眼打設(shè)不到位。而常規(guī)的臺階法施工，因掌子面斷面高度較高，中部無作業(yè)平臺，導(dǎo)致門架中心部位上部無法搭設(shè)炮眼。因此常規(guī)的兩種工法均存在爆破炮孔打設(shè)質(zhì)量不佳的情況。而采用微臺階開挖初支一體臺架，除臺車本身提供的作業(yè)平臺外，上臺階本身的短平臺也能夠作業(yè)，這樣整個掌子面爆破炮孔可以均勻布設(shè)，有效提高了爆破質(zhì)量。

3.5.2 提高噴射混凝土質(zhì)量

隧道初支噴射混凝土普遍采用濕噴機械手施工，該設(shè)備體積較大，噴射混凝土?xí)r機械臂需要較大的操作空間。常規(guī)的三臺階法上臺階部位因為空間的局限，導(dǎo)致濕噴機械手無法伸展，噴射混凝土的平整度效果不佳，且鋼架背后脫空問題較普遍。而微臺階法因具有較寬敞的作業(yè)空間，很好地解決了這個問題。

4結(jié)束語

微臺階法在高鐵隧道軟弱圍巖的施工中比較實用，通過在新建重慶至萬州高速鐵路劉家灣隧道中的實際應(yīng)用，證明了其優(yōu)越性。與常規(guī)的施工工法相比，微臺階法有效地克服了長期以來存在的難題，為以后同類型隧道施工提供了借鑒。

收稿日期：2023-11-20

作者簡介：劉少林（1989—），男，河北張家口人，本科，工程師，研究方向：隧道方向。