铁路隧道软弱围岩在安全步距下快速施工技术研究

陈仁超

(中铁二局股份有限公司， 成都 610031)

铁路隧道软弱围岩在安全步距下快速施工技术研究

陈仁超

(中铁二局股份有限公司， 成都 610031)

文章基于贵广铁路施工Ⅰ标平寨等隧道施工，研究总结出铁路隧道软弱围岩在满足安全步距情况下快速施工两项关键技术：一是隧道微台阶开挖技术，基于微振动爆破和悬臂多功能开挖台架，上下导坑各工序平行作业，缩短工序间的衔接时间，微台阶短3～5 m，占用空间小，为后续工序仰拱施工留给更大的空间，上台阶翻渣量也少；二是隧道仰拱快速施工技术，由课题组进行技术攻关，设计开发出隧道仰拱快速施工技术及配套设备，在栈桥有效长度内,将一个仰拱作业面分为开挖区和混凝土浇筑区，进行平行流水作业施工，以缩短仰拱作业空间和循环作业时间。该技术的研发应用，保证了仰拱封闭位置距开挖掌子面安全距离不大于35 m，完全满足有关强制性规定，保证了隧道施工安全和质量，加快了进度，降低了成本，文明施工也得到大大改善。

铁路隧道； 软弱围岩； 安全步距； 快速施工

1 前言

软弱围岩快速施工已有非常成熟的技术和工法，然而在原铁道部对开挖掌子面与二衬、开挖掌子面与仰拱之间的距离作了强制性规定后，这些工法和技术就不能完全满足在安全步距下的快速施工要求了，必须进行新工法和设备的研制，才能满足这一新的要求。近来，在隧道施工过程中时常发生坍塌事故，造成不同程度人员伤亡和财产损失，对行业产生了较大的负面影响。据不完全统计分析，其主要原因是初期支护未严格按设计及时施作、或未做到位、或偷工减料、或二次衬砌未及时跟进等。为此，原铁道部先后出台了TB 10304-2009《铁路隧道施工安全技术规程》、铁建设[2008]160 号《铁路建设工程施工企业信用评价暂行办法》、建技2010[352]号《关于进一步加强铁路隧道设计施工安全管理工作的通知》、铁建设[2010]120号《关于进一步明确软弱围岩及不良地质铁路隧道设计施工有关技术规定的通知》等规定和文件，对仰拱与掌子面、二衬与掌子面的距离作了严格规定，要求：“仰拱距离掌子面距离Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级围岩地段不大于90 m；Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级围岩地段不大于35 m；二次衬砌距离掌子面的距离Ⅰ、Ⅱ级围岩地段不大于200 m；Ⅲ 级围岩地段不大于120 m；Ⅳ级围岩地段不大于 90 m；Ⅴ、Ⅵ级围岩地段不大于70 m。”

根据上述规定，在实际施工过程中，掌子面开挖和仰拱施工这两道工序是最关键的控制工序，只要这两道工序能达到协调快速施工要求，隧道施工速度就能提高，彼此之间的距离也能满足步距要求。二衬施工，只要配足衬砌台车，完全能满足二衬与掌子面步距的要求。最难满足、控制施工进度的关键因素是Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级围岩仰拱封闭位置距开挖掌子面不得大于35 m，如果不进行新工法研究和施工设备研制，根本无法满足这一强制性规定。

要保证安全步距不超标又要较快的施工进度，必须解决洞身开挖工艺和仰拱施工工艺及其配套技术问题。

首先,若台阶长度大于50 m，显然无法满足上述“35 m安全步距的强制性规定”；若台阶长度大于12 m时，由于上、下台阶交界处交通影响和后续工序作业空间要求的限制，工序安全步距仍然会超标；若台阶长度小于12 m，虽然能满足工序安全步距的要求，但因为上台阶作业空间狭小，工序间相互干扰大，机械设备的工作效率大打折扣，且出渣和进料都要经过二次倒运,因此，施工进度极为缓慢；第二，仰拱施工如果采用传统工法多工作面作业，也无法满足安全距离要求，文明施工也无法保证。因此，两者必须都满足要求,才能确保“35 m安全步距的强制性规定”。

本文所介绍的铁路隧道软弱围岩在安全步距下的快速施工技术，有效地解决了这一问题，既保证了施工安全，又提高了施工进度，文明施工得到大大改善。

2 概述

2.1 工程概况

新建贵广铁路施工Ⅰ标平寨隧道全长7 075 m，起讫里程为： K 54+702～K 61+777；设计为双线单洞隧道；Ⅲ级围岩2 310 m，占隧道全长的32.6%，Ⅳ级围岩3 454 m，占48.8%，Ⅴ级围岩1 311 m，占18.6%；全隧道设计带仰拱；Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩为台阶法开挖；仰拱混凝土环向一次浇筑成型，不留纵向施工缝；仰拱与填充混凝土分开浇筑；按强制性规定，Ⅳ、Ⅴ级围岩仰拱封闭面位置距掌子面距离不大于35 m。

2.2 目前国内外同类技术现状

据调查，国外隧道施工开挖掌子面与后续工序仰拱和二次衬砌之间尚无安全步距要求；国内其他行业如公路隧道、水工隧道等也无安全步距规定，相反，水工隧道的二次衬砌必须在开挖和支护全部完成后才能施作。因此，无成熟工艺可供利用，国内铁路行业也无成熟技术和工装可供借鉴。

2.3 国内铁路隧道强制性规定颁布前后施工比较

表1为强制性规定颁布前后比较表。

表1 强制性规定颁布前后比较

2.4 强制性规定颁布后软弱围岩快速施工的技术难点

(1)为确保Ⅳ、Ⅴ级围岩仰拱安全距离不大于35 m。Ⅳ、Ⅴ级围岩开挖设计为台阶法，受开挖掌子面距仰拱35 m安全距离限制，只能采用微台阶，而其台阶在实际施工中很难形成；另一方面，压缩仰拱作业空间，仰拱只能一个工作面施工，传统的工艺技术和设备不能满足新的要求。

(2)仰拱混凝土环向整体浇筑，无纵向施工缝；仰拱与填充混凝土等级不同，须分次浇筑。仰拱混凝土不能分幅浇筑，加之安全步距35 m限制，仰拱只能一个工作面施工，如果按传统方法施工3 d一循环6 m，1个月进度不足60 m，远远满足不了进度要求，必须研制新工艺和新设备。

3 隧道软弱围岩快速施工关键技术

3.1 隧道微台阶开挖关键技术要点

3.1.1 确定台阶参数

为使上台阶在纵向少占空间和少翻渣，台阶长度尽可能短，但台阶太短,又无法形成。因此，经多次现场实践，上台阶长度定为3～5 m较合适，操作方便，翻渣量也小；另一方面，上下台阶同时钻眼，同时起爆，上下台阶钻眼、装药、联线等工作量要大致匹配，因此，高度定为4.0 m,上断面约37 m2，下台阶高度为6.2 m,下断面约83 m2，如图1所示。

图1 微台阶法开挖纵、横断面图(cm)

3.1.2 悬臂台架设计加工

台架主体骨架采用I20b号工字钢制成；平台采用I18号工字钢、φ22钢筋及φ8钢筋网片(网格间距10 cm×10 cm)制成；在台架掘进前进方向增加悬臂操作平台，用于微台阶法开挖；拆除悬臂部分，可用于全断面开挖，如图2所示。

3.1.3 微振动爆破设计

微振动爆破技术是微台阶法开挖工法成败的关键，需要根据实际情况，进行专项爆破设计。为控制爆破振动速度，采用楔形掏槽、严格控制单段最大装药量，一般振动速度控制在5 cm/s以下，周边眼采用小药卷间隔装药，其他炮眼连续装药,使用二号乳化炸药，规格φ32、190 g、200 mm，控制装药量。

图2 悬臂台架结构示意图 (cm)

(1)Ⅳ级围岩爆破设计。每循环开挖进尺2.0 m左右，上台阶37 m2，炮孔91个；下台阶83 m2，炮孔90个。周边眼间距E=50 cm，最小抵抗线W=60 cm，E/W=0.83，装药集中度q=0.12～0.14/m，岩石炸药单耗0.7～0.8 kg/m3，单段最大装药量限值Q限=[(V/K)1/a×R]3，其中V=5 cm/s，K=250，α=1.8，R=28 m，Q限=32.35 kg，如表2、图3所示。

表2 Ⅳ级围岩装药量参数表(进尺2 m)

图3 微台阶法Ⅳ级围岩爆破设计图(cm)

(2)V级围岩爆破设计。每循环开挖进尺1.0 m左右，周边眼间距E=50 cm，最小抵抗线W=50 cm，E/W=1，装药集中度q=0.10～0.13/m，岩石炸药单耗0.60～0.75 kg/m3，开挖面积上台阶38 m2，下台阶84 m2，总计122 m2，炮眼181个。单段最大装药量限值Q限=[(V/K)1/a×R]3，其中V=5 cm/s，K=250，α=1.8，R=20 m，Q限=11.78 kg，如图4、表3所示。

图4 微台阶法Ⅴ级围岩爆破设计图(cm)

表3 Ⅴ级围岩装药量参数表(进尺1.0 m)

3.1.4 开挖及支护作业工艺流程

下台阶出渣与上台阶初喷、打锚杆、挂网、立架工序同时进行；上台阶喷混凝土与下台阶初喷、打锚杆、挂网、立架同时进行，如图5所示。

图5 开挖及支护作业工艺流程

3.1.5 微台阶法开挖关键点

(1)如果围岩较差，或者局部较差，可先改善围岩条件后再行开挖；

(2)锁脚锚杆及系统锚杆必须按要求施作；

(3)必须严格控制下台阶的开挖进尺，上台阶必须保证至少有一榀钢架在下台阶开挖后不形成悬空，加强爆破设计，严格控制单段最大装药量，控制爆破振动，这是确保微台阶能否形成的关键。

3.2 隧道仰拱快速施工关键技术要点

3.2.1 隧道仰拱快速施工技术原理

在仰拱栈桥有效长度内，以端头梁为界，将栈桥平均分为2个区，即仰拱开挖区和仰拱及填充混凝土浇筑区。让仰拱开挖和混凝土浇筑2道工序在短距离内形成平行流水作业，在仰拱开挖过程中，利用双栈桥和端头梁，同时进行仰拱混凝土浇筑和出渣、进料运输等作业。一个洞身开挖工作面对应一个仰拱施工作业面，彻底改变了由于仰拱施工速度慢。一个洞身开挖面后跟多个仰拱施工面的落后现状，现场可根据洞身开挖进度配置仰拱施工设备。如本例栈桥全长19 m，仰拱混凝土浇筑每循环6 m，月进度不小于180 m，最大可达220 m。如果栈桥设为23 m，仰拱混凝土浇筑每循环8 m，月进度不小于240 m，最大可达300 m。仰拱施工占用空间小，本例仅为19 m，对其他工序干扰小，施工速度快。仰拱按设计一次施工到位，纵向不留施工缝，易保证安全质量和文明施工，如图6所示。

图6 仰拱施工原理及设备效果图

3.2.2 CRECGG-1型仰拱快速施工设备简介

CRECGG-1型仰拱快速施工设备由课题组研发(获得国家专利)，定点厂家生产，主要由栈桥、仰拱模架、端头梁、中心沟模架和行走设备组成。

(1)仰拱模架：设计为左右两幅，分别由模板和刚性骨架组成。模板采用组合钢模，每块长6 m(可根据施工进度需要加工)，宽1.2 m，用10 cm槽钢做加强肋，保证模板具有足够的刚度；每幅3块，模板间用枢纽连接，以折叠方式安装和拆除；刚性骨架采用工字钢制作，主要功能是存放和移动模板、固定、安设走行设备绞车、传递动力等。仰拱混凝土环向一次性整体浇筑完成，纵向不留施工缝，如图7所示。

图7 仰拱模板结构效果图

(2)中心沟模架：采用骨架和模板整体式设计，即用20 cm工字钢为骨架，在工字钢骨架上焊接6 mm钢板作底板和面板。其作用是填充混凝土浇筑时，预留中心水沟位置。

(3)端头梁：是CRECGG-1型仰拱快速施工设备的核心部分，其功能有：定位和固定仰拱模架及中心沟模架；安装固定填充混凝土端头模板和中埋式止水带；作为栈桥的临时支撑，在仰拱开挖出渣时，满足混凝土罐车在栈桥上灌注仰拱混凝土的工况；梁底弧形设计成与中埋式止水带位置处仰拱弧形一致；梁上边缘与填充混凝土面标高一致；梁两端设置定位仰拱模架的靠柱；梁底部设置8根可自由伸缩的支柱，以适应隧底开挖后高低不平的地形情况；设计承载60 t，材料为 20 cm工字钢，如图8所示。

图8 端头梁结构效果图

(4)栈桥：两幅栈桥组成双车道，每幅栈桥由2片分离式梁组成；可根据施工进度加工，本列栈桥长19 m,单片梁宽1.2 m，每片梁重约10 t,1台挖掘机可完成栈桥的移动；栈桥设计为双层结构，上层主要采用20 cm工字钢，下层用36 cm工字钢制作，桥面做成弧形，上、下2层之间每隔1 m设1道联系横梁，加强结构整体性和承载能力；在施工作业时，栈桥两端用于支撑长度各2.5 m，端头梁宽度1 m。因此，用于仰拱施工的有效长度约12 m，可分为2个仰拱作业面，每个作业面长6 m。

(5)行走设备：包括自制轨道吊车、2台8 t绞车；以栈桥为吊梁,利用栈桥每片梁两边工字钢翼板作为轨道，吊起端头梁，在绞车的拉动下，可以牵着仰拱模架、中心沟模架一起移动到下一工作面；轨道吊车采用20 cm槽钢制成，每侧各设2个滑轮与栈桥的底层工字钢翼板咬合。

3.2.3 仰拱及填充施工工艺

利用CRECGG-1型仰拱快速施工设备，施工仰拱及填充，其工序主要包括：仰拱开挖、出渣、清底、模架系统移动及定位、浇筑仰拱混凝土、折叠仰拱模板活动部分、浇筑填充混凝土和拆除中心水沟模板及仰拱模板的固定部分等，如图9所示。

图9 仰拱及填充施工工艺流程图

3.3 最不利工况仰拱与开挖掌子面步距情况

由于爆破岩渣抛掷，因此爆破是最不利工况，在此工况下，Ⅳ、Ⅴ级围岩台阶长度4.4 m，按上述爆破设计,爆破后,堆渣区长10 m,抛掷区长4 m，多功能台架长5.5 m，计24.3 m，另加仰拱每循环开挖长度6 m, 共计30.3 m,满足仰拱封闭位置距开挖掌子面的距离不大于35 m这一最不利条件，如图10所示。

图10 最不利工况步距示意图(m)

4 施工效果

(1)在满足工序安全步距的前提下，较之短台阶开挖法，微台阶法施工进度明显加快。若采用短台阶法施工，Ⅳ级围岩月进度最快能达50 m；采用微台阶法施工，月进度可保证80～90 m；围岩变化不大、工序衔接正常情况下，月进度最快可达90 m； V级围岩最快可达70 m。

(2)仰拱施工循环时间只有19 h,为常规施工法循环时间的1/3。

(3)工程质量明显提高。仰拱沿横向一次浇筑完成，纵向无施工缝,仰拱和填充分次施工,完全满足设计要求。

(4)仰拱CRECGG-1型快速施工设备及技术为隧道快速掘进提供了保障。常规仰拱施工法只能每3 d一循环，每天进度不足3 m；如果增加作业面保证进度，必然要加大掌子面与衬砌间的距离，造成安全步距超标；采用本例快速施工法施工，可满足每月227 m(6×24÷19×30=227 m)的施工进度要求。若将本例栈桥长度由19 m加长到22 m，则可满足每月303 m(8×24÷19×30=303 m)的施工进度要求。

(5)仰拱施工只需保留一个仰拱作业面，减少了工序分区间的相互干扰，减小了掌子面与二衬之间的作业面数量和总长度，利于二次衬砌的及时跟进，保障了隧道施工安全；双车道栈桥保持了洞内开挖出渣作业的交通畅通，文明施工和标准化作业水平显著提高。

5 结束语

随着铁路行业出台颁布安全步距强制性规定，各级检查要求也将会越来越严格。为确保安全和文明施工，提高施工进度，总结一套成熟工艺和技术是我们的责任和义务。以贵广铁路施工Ⅰ标平寨等隧道施工为平台，研发软弱围岩在安全步距下的快速施工技术，已在贵广、沪昆等铁路得到成功应用，为今后类似工程的施工提供借鉴和参考。

(1)开挖作业采用微台阶，仰拱施工只有1个作业面，工序间相互干扰大大降低，占用空间小，仰拱距掌子面的距离可控制在30～35 m，满足强制性规定要求。

(2)隧道仰拱快速施工技术，由课题组进行技术攻关，设计开发出隧道仰拱快速施工技术及配套设备，在栈桥有效长度内,将一个仰拱作业面分为开挖区和混凝土浇筑区，进行平行流水作业施工，以缩短仰拱作业空间和循环作业时间。

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Research on Fast Construction Technology of Weak Surrounding Rock in Railway Tunnel Under Safe Distance

CHEN Renchao

(China Railway Erju Co.,Ltd.,Chengdu 610031,China)

Based on the construction of Pingzhai tunnel of Guiyang Guangzhou railway construction，the paper summarizes two key technologies of fast construction of railway tunnel soft surrounding rock , including: tunnel micro step excavation technology, based on cantilever excavation bench and micro vibration blasting and parallel operation of the headings in each processe, shortening the convergence time between processes, and providing greater space to the follow-up process inverted arch construction due to the micro-step (3～5 m) and the less slag amount ;the second is tunnel invert fast construction technology designed and developed by research group, an inverted arch work surface is divided into excavation area and concrete placing area for paralled line production to shorten the work space of inverted arch and cycle operation time. The implementation of the technology ensures the invert closed position is not more than 35 meters away from the excavation tunnel face, fully meets the relevant mandatory provisions, guarantees the safety of the tunnel construction and quality, improves the construction progress, reduces the cost and civilization construction has also been greatly improved.

railway tunnel; weak surrounding rock; safe step; rapid construction

2015-11-09

陈仁超(1964-)，男，高级工程师。

1674—8247(2016)01—0084—07

U455

A