滇西地区复杂地质条件下隧道施工技术研究

曲登殿

（中铁二十一局集团有限公司 甘肃兰州 730070）

1 引言

祥云隧道位于三江褶皱带推覆体构造中部，地质条件极为复杂，开挖后掌子面围岩多变，施工中频繁转换开挖方法，管理难度大，安全风险高，施工进度慢。隧道围岩对隧道施工安全、进度起决定性作用。对隧道工程建设者来说，最关心的问题则是开挖后围岩的稳定程度。本文对围岩稳定性进行研究，确定隧道开挖后围岩自稳时间，在围岩自稳时间内完成支护，可以减少围岩的变形、坍塌，为施工提供安全保障。

2 工程概况

祥云隧道位于广大铁路祥云县境内，隧道全长6 940 m，最大埋深430 m。隧道施工区域主要岩性为玄武岩、凝灰岩、砂岩、炭质页岩、灰岩、泥灰岩、辉长岩等。在区域性深大断裂活动影响下发育有小沟断层、朝阳村断层、上北邑断层、二台坡1＃断层等断裂构造，次级构造发育，层间构造破碎带多见，多期次侵入岩呈不规则穿插侵入，蚀变作用强烈，围岩在构造作用下裂隙发育，软弱破碎，稳定性极差。

3 围岩稳定性研究

通过岩石流变试验［1］确定围岩变形特怔，结合有限元计算，获得祥云隧道围岩自稳时间：掌子面围岩开挖后稳定时间为4.5～14 h，仰拱初支未闭合成环稳定时间15～16 d。各种围岩条件下稳定时间见表1。

表1 隧道围岩稳定时间

4 施工方法及工艺措施

4.1 施工方法选择

根据围岩自稳时间，本项目采用三台阶施工方法，通过确定各工序时间，使初支封闭控制在围岩稳定时间内［2］，达到施工安全目的。

4.2 工序循环时间分析

钢架间距0.8 m，一次开挖1榀、2榀钢架工序循环时间见表2～表3，施工纵断面见图1，施工流程见图2，施工横断面见图3。

图1 施工纵断面

图2 施工工艺流程

图3 施工工序横断面

表2 一次开挖1榀钢架间距工序循环时间

表3 一次开挖2榀钢架间距工序循环时间

4.3 操作要点

（1）台阶设置及开挖台架要求

上台阶：开挖高度为3.4 m，台阶长度3～5 m。

中台阶：开挖高度为2.8 m，台阶长度4～6 m。左右两侧错开开挖，纵向错开距离2～3 m，左侧开挖宽度10.5～11 m，右侧开挖宽度2.5～3 m（宽台阶布置在围岩软弱侧）。

下台阶：开挖高度为2.8 m，台阶长度6～18 m。左右两侧错开开挖，纵向错开距离2～3 m，左侧开挖宽度10.5～11 m，右侧开挖宽度2.5～3 m（宽台阶布置在围岩软弱侧）。

简易小型开挖台架高1.7 m、长4.5 m、宽6 m，采用 16型钢加工。

（2）施工准备

施工开始前对作业人员进行岗前培训并达到熟练工要求，作业人员数量满足施工要求；调试高压风、水、电，准备施工所需材料、场地和机械设备，施工设备数量、完好率满足施工需要；测量放样超前支护孔位、开挖轮廓线。

（3）超前支护

通过超前管棚或小导管注浆改变围岩状况及稳定性［3］。浆液注入软弱、松散地层或含水破碎围岩裂隙后，能与之紧密接触并凝固延长围岩稳定时间，改善开挖后、支护前围岩稳定状况。

（4）上、中、下台阶开挖

在超前支护防护下，弱爆破后开挖上、中、下台阶①、②、③、④、⑤部，采用Y-28型风动凿岩机开挖，上台阶开挖7人、中台阶开挖7人、下台阶开挖3 人，共 17 人［4］。

（5）上台阶扒渣

上台阶①部开挖结束后，采用挖机对上台阶①部的顶部及周边排危，清理渣体至中台阶②部。

（6）上台阶立架、中台阶扒渣、中台阶立架、下台阶扒渣

上台阶①部排危、扒渣结束后平整运输通道，装载机搬运开挖台架、型钢钢架等材料至上台阶①部并组织5人开始立架；挖机继续清理中台阶②、③部渣体至下台阶④、⑤部，中台阶②部预留部分渣体作为开挖台架运输通道和喷砼作业平台。中台阶②、③部渣体清除完成后开始立架；挖机配合装载机清理下台阶④、⑤部位置渣体至隧道中线位置，并平整场地，作为下台阶喷砼场地，多余渣体在上、中台阶立架时安排出渣。

（7）上、中台阶喷砼、下台阶立架、下台阶喷砼

上台阶①部和中台阶②、③部同时组织喷砼；喷砼开始时上、中台阶立架人员下撤至下台阶进行立架作业。上台阶①部喷砼封顶时和中台阶②、③部喷砼结束后人员设备周转至下台阶④、⑤部喷砼。

（8）清理断面

采用1台挖掘机清除上台阶①部喷砼回弹料至中台阶②部，并平整运输通道；装载机搬运开挖台架至①部，上台阶①部准备开挖，挖机继续清理中台阶②、③部回弹料至下台阶④部，中台阶预留部分渣体作为开挖结束后开挖台架下撤运输通道回填用渣。上、中台阶①、②、③部开挖时间下台阶④、⑤部开始采用挖机配合装载机进行部分渣体出渣。

4.4 工艺特点分析

本施工方法以上断面施工循环为关键线路，中、下台阶平行流水作业［5］，出渣不占用工序循环时间，与超前支护、开挖、立架平行作业。仰拱封闭在15 d内完成，仰拱距离掌子面分别为32 m、37 m，满足安全步距要求，做到了分部开挖、全断面推进［6］，保证了施工安全。

4.5 施工组织控制要点

（1）严格控制台阶开挖长度和高度［7］，实现上中下三台阶同时开挖、同步推进。

（2）认真落实“内部三检制”，及时纠正出现的问题，确保工序质量一次性验收合格［8］。

（3）各工序开始前人员、材料、设备必须到作业面附近准备，做到工序零衔接、负交接［9－10］。

（4）交叉作业时要及时安排人员、设备、材料就位，必须做到一岗双责，能组织施工、能及时制止不安全行为。

（5）挖机、装载机、空压机、砼运输车等大型设备需定期保养、维修，确保设备完好率符合作业要求［11］。

5 应用情况

祥云隧道于2012年12月开工，2017年6月完工。施工过程中应用“基于围岩自稳时间三台阶施工方法”解决了施工方法频繁转换、资源配置不稳定、隧道塌方、变形等影响施工进度的诸多问题，保证了施工安全及质量，减少了施工人员及设备投入，施工进度明显提升，Ⅴ级围岩施工进度由原来的40 m/月提升到64 m/月；Ⅳ级围岩施工进度由原来的55 m/月提升到74 m/月，取得了良好的社会及经济效益。

6 结束语

针对不同的围岩地质条件，选择合适的施工方法是隧道施工成败的关键。滇西地区地质条件复杂，建议隧道施工固化施工方法［12］，避免频繁转换。基于围岩自稳时间的三台阶施工方法，在各个工序的施工中加入时间要素，通过对工序时间的控制，做到了复杂地质条件下的快挖、快支、快成环，为同类地质条件下的隧道施工提供了参考。