高风险隧道软弱围岩微台阶开挖快速施工技术研究

曲登殿 杨志军

(1.中铁二十一局集团有限公司 甘肃兰州 730070；2.中铁二十一局集团第五工程有限公司 重庆 402160)

1 引言

隧道软弱围岩地质条件下采用长台阶法施工，难以满足安全步距的强制性规定；采用长度大于20 m的短台阶法施工时，受变台阶处交通和仰拱施工作业空间要求的限制，工序安全距离仍然会超标；采用长度小于20 m的短台阶法施工时，虽然能满足安全步距要求，但因为上台阶作业空间窄小，工序间相互干扰严重，机械设备的工作效率大幅度受阻，施工进度缓慢。因此，研究隧道软弱围岩微台阶开挖施工技术，以及施工过程中采取的技术管理措施，具有十分重要的意义。

2 工程概况

邓家湾隧道全长9 390 m，为双线铁路隧道。整个隧道地质构造复杂，洞身穿越大石板断层、石板推测断层、盐井沟断层和垭口村断层4条断层带。围岩复杂多变，属于高风险隧道，是全线重难点工程之一。

微台阶施工方法在邓家湾隧道出口Ⅴ级围岩段实施，其作业面位于垭口村断层带范围，受断裂地质构造影响，岩体节理、裂隙非常发育，岩层破碎，地下水丰富，施工难度较大。

3 微台阶开挖方法特点

微台阶开挖方法按“正工法、顺工序、配资源、抓安全、硬考核”的原则实施，按“负交接、零误时”的原则进行工序管理[1-2]。微台阶施工方法实现了上、中、下台阶同步推进，多工序平行作业，缩短初支封闭距离，压缩循环时间，提高施工进度，实现“零步距”目标，以满足“两紧跟、快成环”要求[3]。保证了隧道施工安全质量，缩短了工序时间，保障了施工进度。

4 微台阶开挖施工要点及流程

4.1 操作要点

本隧道Ⅴ级围岩开挖上台阶长5 m、高3.3 m；中台阶长3 m、高3.5 m；下台阶长15～20 m、高3.4 m。上、中、下三台阶同步掘进[4-5]，每循环开挖进尺1.2 m/2榀，各台阶长度、高度及工作量固化不变。爆破后上台阶扒渣至中台阶，送拱架至上台阶开始立架、打设锚杆(管)。同时中、下台阶开始出渣。出渣完成后中、下台阶同时立架。立架完成后上、中、下台阶依次喷混凝土，完成一个循环。

4.2 施工工艺流程

微台阶开挖工艺流程见图1，施工进度安排见图2。

图1 开挖支护工艺流程

图2 开挖支护工序施工进度横道图

(1)钻爆施工

本工序用时250 min。每循环进尺1.2 m，立2榀拱架。三个台阶同时钻孔爆破，上台阶配备4把风枪，中、下台阶各配备3把风枪。

周边眼装药结构采用小直径药卷连续装药(直径27 mm，单根长20 cm，每卷重100 g)，导爆管雷管起爆，起爆顺序为下台阶→中台阶→上台阶，由毫秒导爆管雷管串联后依次起爆[6]。

(2)上台阶扒渣及吊运拱架

本工序用时40 min。挖掘机将上台阶洞渣扒至中台阶，扒渣过程中预留部分洞渣作为立架、钻孔作业平台。平台高1.2～1.5 m，顶面长2 m，底面长度3.5 m，尾部修成斜坡便于喷射机械手作业。扒渣的同时装载机做好运送拱架准备，上台阶洞渣清理完毕后，使用装载机将拱架运送至上台阶。

(3)上台阶立架，中、下台阶出渣

本工序用时180 min。挖机先将中台阶洞渣扒至下台阶，然后挖机停在中台阶开始出渣，出渣的同时上台阶安装拱架。

(4)中、下台阶安装边墙钢架(上台阶继续施作超前支护)

本工序用时250 min。出渣结束后，装载机将边墙钢架运送至中、下台阶后开始安装。上台阶继续施作超前支护，上、中、下三个台阶同步平行作业。

(5)喷射混凝土

本工序用时180 min。拱架安装及超前支护施工完成后，立即进行混凝土喷射作业。机械手停在下台阶，紧贴下台阶掌子面，按照上、中、下台阶的顺序依次喷射。

(6)仰拱施工

根据上、中、下台阶施工进度，每三个循环开挖一次隧底[7-8]，开挖长度3.6 m，隧底钻爆与三台阶同步作业；利用三个台阶立架支护时间进行出渣、支护，不影响掌子面施工；在下一循环掌子面钻孔的同时喷射隧底混凝土。

4.3 施工资源配置

(1)作业人员安排

现场分两班倒24 h作业，每班作业人员为38名，共76名。各班组人员安排见表1。

表1 作业人员配置

(2)机械设备配置

现场共配置各类机械、设备36台(套)。机械设备型号及数量见表2。

表2 机械设备统计

4.4 施工管理措施

按照微台阶开挖施工方法，各个工序衔接比较紧凑，对现场施工的组织、管理提出了更高的要求。为此，邓家湾隧道软弱围岩施工采取了以下几方面的措施。

(1)配备充足的专业现场管理人员

作业队管理人员配置在“1152”九大员的基础上，增设分管副经理1名、洞口值班调度2名。现场共有管理人员14名。

(2)建立高效的调度联络体系

在洞内设置信号中转基站，实现洞内、外通讯信号全面覆盖，确保洞内、外联络畅通。及时掌握洞内作业动态，提前进行人员、物资调配，实现各工序“零误时、负交接”。

(3)固化施工方法及工序流程

固化台阶尺寸、每工序工作内容，制定可操作的标准横道图，张贴在值班室并下发给现场管理人员，管理人员按照标准横道图安排现场平行施工作业。

(4)严格落实工序写实及日分析会制度

洞内领工员随身携带工序写实记录本，如实填写当班期间的任务完成情况，并对工序超时、物资超耗、物资供应不及时、质量返工等问题进行重点、详细记录。为班组工序考核和后续改进提供真实数据及参照依据。

(5)实行循环时间考核制度

项目部制定严格的考核办法，按每循环用时考核，循环起止时间以响炮为准。通过前一阶段的执行，循环时间逐步缩短，已由最初的18 h以上缩短至15 h左右。循环时间及各工序用时见表3。

表3 工序时间标准

(6)提供有力的后勤保障

现场配置机械设备维修小组，每天对机械设备、风水管线巡视检查，发现问题隐患及时处理，使机械设备处于良好的运行状态。同时备齐易损件，机械出现故障时能够及时维修、更换。

(7)强化现场安全、质量卡控

认真落实“内部三检制”及“班组长责任制”，通过班组长自检、技术员复检、专职质检工程师终检的逐级检查制度，过程中及时发现、纠正出现的问题，确保工序质量一次性验收合格[9]。

5 微台阶法施工效果评价

通过微台阶法施工，规范了施工方法、理顺了施工工序、提升了管理水平，安全步距得到有效控制；施工进度、安全质量、文明施工等都有了极大程度地提高。

5.1 安全步距得到有效控制

采用微台阶施工方法后，台阶缩短，上、中、下台阶平行作业，初支钢架及时封闭成环，能够实现“两紧跟、早封闭、快成环”要求，仰拱、二衬能够及时跟进，始终满足安全步距强制性规定要求。

5.2 围岩累计收敛变形明显减小

微台阶法施工，初支钢架及时封闭成环，围岩沉降、收敛值明显比采用短台阶法施工减小(见图3)[10-11]。

图3 微台阶法施工前后拱顶下沉及围岩收敛值对比曲线

5.3 施工效率、经济效益显著提高

(1)采用三台阶施工时，每循环作业时间18 h左右，每月平均开挖进尺20 m至30 m；采用微台阶施工方法之后，每循环作业时间为15 h左右，月进尺可达50 m以上，施工效率显著提高。

(2)采用微台阶施工方法，台阶长度短，可以实现上台阶立架与出渣平行作业，压缩了循环时间。同时也解决了分台阶开挖相互干扰、施工效率低的问题，减少了人员、设备窝工。采用微台阶施工后每月可增加产值约140万元，同时节约了单位产值的劳动力和机械成本，经济效益显著。

5.4 三台阶层次清晰、开挖控制规范

采用微台阶施工方法之后，严格控制台阶开挖长度和高度[12]，实现上、中、下三台阶同时开挖、同步推进，工序组织线条更清晰，现场更规范、整洁。

6 结束语

邓家湾隧道采用微台阶开挖施工方法，不仅缩短了各道工序之间的衔接时间，加快了施工进度，还给仰拱施工提供了更多的作业空间，使仰拱、二衬距掌子面的安全步距可控，极大提高了隧道施工安全与质量，同时也达到了成本控制的目的，实现了经济效益与社会效益相统一的目标。