微台阶法在高地应力软岩单线铁路隧道施工中的应用

刘振伟 （中铁十六局集团第三工程有限公司，浙江 湖州 313000）

0 前言

高地应力软弱围岩单线铁路隧道在施工中存在作业面小，施工人员机具作业效率低，施工组织难度大；围岩自稳性差、应力高，超欠挖控制难度大，喷射混凝土超耗量大，初支变形量大，易坍塌等问题。传统的软岩隧道施工工法如台阶法、弧形导坑留核心土法、中隔壁法（CD法）、交叉中隔壁法（CRD法）等，在高地应力软岩单线铁路隧道施工中存在施工进度慢、工序多、安全步距控制困难、成本高、工法变换慢等诸多方面的缺点，为适应地质条件，实现快速施工，保证质量安全，在新建丽香铁路长坪隧道施工中采用了微台阶施工工艺，配合严格的施工管理，在高地应力软岩单线铁路隧道施工达到了较好的预期目标。

1 工法原理

微台阶顾名思义就是在隧道施工中，能保障掌子面稳定性和开挖、扒出渣、立架、喷混凝土等工序所需空间的最小台阶长度，根据围岩实际情况，通过改变台阶高度和长度可以实现稳定掌子面、控制超欠挖、上下台阶、仰拱初支同时平行流水作业等施工要求，达到缩短各工序搭接时间、短时间内实现仰拱初支快速封闭成环、降低软弱围岩开挖后暴露风化溜塌风险、降低边墙初支收敛变形风险、减少原材浪费、加快施工进度等施工目的。微台阶工法示意图如图1。

图1 微台阶工法示意图

2 工法优势特点

2.1 实现平行流水作业，使开挖面、仰拱快速封闭成环

微台阶施工时，上台阶利用自制简易可折叠开挖立架台架实现钻眼、清孔、装药等工序，下台阶炮工站在台阶底面打钻，上下台阶同时放炮后，挖机先将上台阶洞渣扒至下台阶，上台阶扒渣完成后，上台阶立架，同时下台阶同步扒出渣，下台阶扒出渣结束后立架，同时上台阶可以优先安排钻爆工进行锁脚、锚杆、超前施做，上下台阶锚杆锁脚施做结束后，上下一起进行喷射混凝土。上下台阶各工序之间搭接紧密，每循环严格按照上述施工工序进行施工，能大量缩短循环时间，避免出现窝工现象。同时这种开挖工法类似于由上下台阶错开的全断面开挖，既可以减少工序循环时间，又可以避免多次爆破对围岩和初支的扰动，从而减少初支因炮振产生的变形。

2.2 为仰拱、二次衬砌施工预留充足作业空间，便于安全步距的控制

微台阶的台阶长度一般控制在3～5m之间，上下台阶总长度在10m以内，仰拱至下台阶20m即可满足出渣、喷混等作业空间需要，因此可以使仰拱距掌子面距离控制在30m以内，二次衬砌距仰拱端头35m即可保证仰拱浇筑、防水板台车、二衬台车作业空间需要，因此二次衬砌距掌子面距离可以控制在65m以内，远远高于国家强制规定的安全步距标准，减少了初支收敛变形塌方变形的风险，提高了人员机械作业系数。

2.3 工法变换灵活

隧道施工围岩地质往往多变，需要因岩而定施工工法。微台阶法在围岩较差，需要重点控制掌子面稳定性、所需作业空间的前提下，台阶可以做的很短，而当围岩较好达到全断面施工要求时，可以在2个循环内就能做到微台阶到全断面的转变，不会因为工法的转变出现人员机械设备窝工现象，从而达到快速化施工的目的。

国家强制规定的仰拱、二次衬砌安全步距 表1

2.4 有利于超前挖控制

微台阶法台阶短，所以每循环进尺也短，可以对围岩超欠挖、掌子面稳定性严格控制。IV、V级围岩上下台阶每循环进尺分别为 0.6～1.2m、0.8～1.6m，围岩上下台阶每循环进尺为0.6～1.2m，打钻精确度高，火工品用量少，可以做到“弱爆破”，最大程度的减少对周边围岩的扰动，减少因超挖造成的混凝土的浪费、初支空洞等以及隧道、掌子面失稳溜塌等施工常见问题。

3 工程实例分析

3.1 工程概况

新建丽香铁路长坪隧道总长9523m，位于云南省香格里拉市虎跳峡景区，地处青藏高原东南缘，属越岭隧道，围岩主要以片理化玄武岩、砂质板岩、灰岩为主，局部夹炭质千枚岩，岩体中节理裂缝发育，完整性差，施工中极易发生坍塌、掉块、初支产生大变形等安全质量事故。

长坪隧道最大埋深为1155m，隧道内最大地应力为19～38MPa，最大涌水量为5.9×104m3/d。长坪隧道1#横洞工点承担5077m(大：4640m+小：437m+明洞37m)工作量,进口里程DK52+183，止于DK57+260。进口标高：2063.07m。其中：Ⅳ级围岩4330m；Ⅴ级围岩 747m。承担正洞中：DK52+183～+550长367m为平坡度，DK52+550～620～980长430m 为13.25‰的上坡，DK52+980～DK61+546为28.1‰上坡，余下186m，为28.5‰。

长坪隧道为单线隧道（无砟轨道），断面开挖高度为8.70m（不含仰拱），宽度为6.30m，内轨顶面距仰拱底1.95m，具体尺寸详见图2。本单线铁路隧道断面较小，原设计采用Ⅳ、Ⅴ级围岩按台阶法施工，台阶法施工不利于仰拱、二衬安全步距、超欠挖、工序循环时间控制，且各工序相互干扰大，做不到平行流水作业，围岩开挖后得不到及时封闭成环，在遇到高地应力围岩时，曾多次造成掌子面溜塌，初支侵线换拱最高达到100余榀拱架，在遇到软弱围岩时超挖十分严重，最高喷浆料超原设计400%，造成巨大的经济浪费。综上所述，本工程改变以台阶法为主的施工工法，采用微台阶法施工。

图2 复合式衬砌断面图（无砟轨道）

3.2 施工方案

3.2.1 技术参数

图3 微台阶法正立面

图4 微台阶法侧立面

根据现场实际施工情况，本工程上台阶的长度采用3.0～5.0m，上台阶至拱顶高度为4.0m，下台阶至边墙底高度为4.7m。台阶的长度过短容易造成掌子面失稳、拱架拱脚悬空，且不能保证钻爆、立架工序所需作业空间，台阶长度过长，会影响掌子面及时封闭成环，造成安全步距超标，也影响上台阶的出渣。台阶高度应根据围岩条件灵活调整，在围岩完整性差，节理裂隙发育容易造成溜塌、超挖，应当适当降低上台阶高度，减少开挖围岩暴露面积，利于掌子面稳定、超欠挖控制，同时台阶高度还应考虑开挖、立架工人施工作业的舒适性和方便性，合适的台阶高度、长度对隧道快速化施工至关重要，要结合施工现场实际情况，选择合适的台阶高度、长度。

3.2.2 可折叠式开挖立架台车设计

由于单线铁路隧道空间狭小，人员、机械作业空间有限，施工时容易相互干扰，折叠式开挖立架台车左右两侧、后侧翼缘可以自由折叠，可以根据台阶高度、长度自由调节，不使用时将左右两侧、后侧翼缘放下，停放在作业面后方不影响机械通行，不占用空间。利用此台车对上台阶立架、施做锚杆、超前时，不影响下台阶扒出渣、立架，为平行施工创造有利条件，设计主要考虑台车高度以及长度，是否满足工人安全、舒适的作业空间，以及台车的轻便性是否方便移动，小巧性是否不占用空间，刚度稳定性是否满足在移动吊装台车的过程中不变形，经过长时间的现场实际施工应用，该折叠式开挖立架台车能满足上述要求。具体尺寸如图4、图5所示。

图5 台车正立面图

图6 台车侧立面图

单个掌子面劳务人员配置表 表2

单个掌子面主要设备配置表 表3

3.2.3 机械人员配置情况

见表 1、表3。

3.2.4 施工工艺流程

上一循环喷浆结束→超前地质预报→挖机扒断面→上台阶开挖台架就位→工人施工准备（风水管准备）→根据围岩调整钻爆参数并利用全站仪对开挖轮廓线、炮眼位置放样→上下台阶同时钻眼、清孔、装药→上台阶开挖台架移位→上下台阶同时起爆、通风排烟、排险→上台阶扒渣→上台阶初喷→上台阶立架台车就位→上台阶人工排险、立架同时下台阶继续扒出渣→下台阶扒出渣结束→下台阶初喷→下台阶立架同时上台阶开始施做锚杆、超前、锁脚→上下台阶锚杆、锁脚施做结束→移除立架台车→上下台阶同时喷混凝土→进入下一循环施工。

3.2.5 支护参数

根据现场实际围岩开挖揭露情况，要及时调整支护参数，做到“岩变我变”，才能更好利用围岩本身的自稳性，使喷射混凝土、钢架、钢筋网、锚杆等与围岩共同受力，减小后期初支收敛变形的风险，表4主要介绍高地应力软岩隧道IV、V级围岩等级下的喷射混凝土、钢架、钢筋网、锚杆等具体的支护参数以及具体预留量。

3.2.6 喷射混凝土参数

高地应力软岩隧道IV、V级围岩等级支护参数 表4

长坪隧道进口喷射混凝土配合比（C25） 表5

为长坪隧道进口监控量测必测项目及频率、方法 表6

影响喷射混凝土超耗最主要的2个因素就是围岩超挖以及喷浆作业时回弹量过大。对于超欠挖控制时要严格控制开挖进尺、选择合适的台阶开挖高度。若开挖后围岩不能自稳，可能会发生溜塌时，扒出渣结束后要立即对掌子面进行初喷封闭，减少裸露围岩在空气中暴露时间，以免风化，遇到水软化，造成二次溜塌。在立架、超前、锁脚、锚杆施做结束后，要立即对掌子面进行复喷封闭。在利用湿喷机械手对掌子面初喷、复喷过程中，喷射混凝土回弹量的控制至关重要，而影响回弹量的主要因素喷射混凝土配合比，达到湿喷要求的喷射混凝土配合比将能大大减少喷射混凝土回弹量，从而控制工程造价。表5为长坪隧道进口喷射混凝土配合比（C25），利用此配合比能将拱顶的回弹量控制在25%，边墙回弹量控制在15%以内。

3.2.7 监控量测控制

监控量测是以“新奥法”理论为主的隧道设计与施工中至关重要的环节，及时对围岩和支护衬砌变形、受力状态的实时监测，可以提前了解隧道围岩及支护变形发展趋势，提前预测险情，以便采取相对应的施工措施，避免事故发生，指导后续施工，以便合理安排施工顺序。监控量测必测项目为洞内外观察、周边收敛、拱顶下沉、地表下沉。表6为长坪隧道进口监控量测必测项目及频率、方法。

3.3 效益分析

3.3.1 经济、工期、质量效益

长坪隧道进口在采用微台阶工法施工后，施工进度明显加快，IV级围岩在工序衔接正常、围岩变化不大时，正洞单个掌子面月开挖、支护进尺最快能达到90m，即使围岩变化频繁时，岩性较差时，平均月进度也能保持在70～80m之间，是采用台阶法进度的1.3倍，V级围岩月最快开挖、支护进尺也能达到75m，在围岩较差的情况下，月平均进度也能保持在60m以上，增加了施工产值，降低了施工成本，减轻工期带来的压力，达到了开源节流、降本增效的施工管理效果。同时，还能提高施工质量，减少返工误工情况发生，在采用微台阶法施工后，未出现换拱情况发生，节省了大量的财力物力。

3.3.2 社会效益分析

采用微台阶法能改善人员、机械施工作业环境，在快速化施工时不违反铁路建设安全管理红线，能满足质量监督管理站的各项施工要求，为建设安全文明工地打下坚实基础。

4 结论

①在高地应力软弱围岩单线铁路隧道施工中采用微台阶法，降低了掌子面围岩失稳发生溜塌的风险，能更好控制超欠挖，节省材料，能严格控制仰拱、二次衬砌至掌子面的安全步距，减少后期初支收敛变形换拱风险，同时可以做到平行流水作业，缩短工序循环，加快施工进度，达到快速化、经济化施工的目的。

②微台阶法结合以新奥法理论为主的高应力软岩隧道十八字施工方针、支护参数、喷射混凝土参数、围岩收敛变形监控量测、可折叠式开挖立架台车、机械化快速施工等技术方法，将能减少施工成本，降低工期压力，提高人员、机械安全作业系数，为按时按质完成施工任务打下坚实基础，为项目减亏创效创造有利条件，能取得很好的社会、经济效应。