优化后的微台阶法在软弱围岩高风险黄土隧道中的应用

王祥

（中铁十五局集团第三工程有限公司，成都 610000）

0 引言

软弱围岩高风险黄土隧道是工程建设中的难题，其地质条件复杂，施工难度大，安全隐患高。因此，寻求一种安全、高效的施工方法成为迫切需要解决的问题。微台阶法作为一种常用的施工方法，在隧道施工中得到了广泛应用。然而，传统的微台阶法在施工效率和安全性方面仍存在一定的不足，因此，本文旨在探讨优化后的微台阶法在软弱围岩高风险黄土隧道中的应用，以期为类似工程提供更为有效、安全的施工方法。

1 工程概况

忠和隧道位于甘肃省兰州市皋兰县忠和镇，为左右行分离式双洞长隧道，隧道净宽14.75m，净高5.0m，隧道最大开挖宽度为18.2m，最大开挖高度为13.1m（含预留变形量30cm）；右洞起讫桩号为YK56+115～YK57+450，长1335m，隧道最大埋深103m；左洞起讫桩号为ZK55+990～ZK57+420，全长1430m，隧道最大埋深118m。隧址区土体主要为上更新统风积黄土、上更新统冲积黄土，风积黄土覆盖在隧址区山体顶部，隧道洞身起终点浅埋段通过该地层；冲积黄土下伏于风积黄土，隧道洞身全范围通过该地层，隧道围岩为全洞段的纯黄土隧道，围岩级别均为Ⅴ级，属高风险长大隧道。

2 当前存在的主要难题

隧道原掘进方案为双侧壁导坑法，其左洞采用双侧壁导坑法掘进施工了45m（ZK55+990～ZK56+035），施工历时48d，采用双侧壁导坑施工掘进法施工存在如下问题：

①双侧壁导坑法开挖断面较多，对于拱顶和边墙的扰动多，断面开挖后暴露时间久，初次支护闭合的时间长[1]，在初支闭合阶段中，从监控量测的数据来看，仍然处于较大变形阶段，不可控因素随时存在，给施工带来很大的不确定性，施工安全风险高。

②双侧壁导坑法由于各施工面均划分狭小，工序复杂，施工条件差，限制了大型机械的使用，施工进度缓慢，综合进度指标仅为28m/月，无法保证施工工期，预计延误工期达4 至6 个月。

③由于施工工期长，且无法实施大规模的机械化施工，故导致成本高，经济效益差，不利于公司的成本控制。

为了高效、安全且经济地完成黄土隧道高风险软弱围岩段的掘进施工，本项目将依据具体的施工条件和地质状况，对忠和隧道掘进工法进行探究与优化。

3 掘进工法研究和探索

针对本标段浅埋黄土隧道的特性，为确保大断面黄土隧道的施工安全，对比了多个方案，然后权衡了它们的优缺点，经过方案对比、优化与创新后，采用了微台阶环形开挖预留核心土法，该工法可以有效地支撑和稳定开挖面。核心土在稳定开挖面方面起着关键作用。微台阶法施工进度较快，施工中无需架设大量的临时支撑，减少了施工工序，同时，较大的作业空间也为大规模的机械化施工提供了便利。

4 微台阶环形开挖预留核心土法试验段施工及优化

4.1 试验段的选择

为保障忠和隧道工程的安全、质量和进度，并为施工提供真实、有效的数据，我们选择忠和隧道进口左洞ZK56+035～ZK56+075 作为微台阶环形开挖预留核心土法试验段。目的是检验此工法在本忠和隧道地质条件下的适用性，并为其在全隧道施工中的推广提供依据。通过实施试验段，以评估和验证工法的可行性，找出施工中出现的问题并及时采取对策。此外，评估材料、人员、设备和工艺对工程质量和安全的影响程度。我们借此积累经验，不断加强管理并优化工程质量和安全。本试验段的目的是验证开挖方法是否能满足设计及规范要求，同时确定开挖进尺等参数。

4.2 优化后的施工参数及该工法关键技术

①微台阶环形开挖预留核心土法试验段严格按照“先探测、管超前、短进尺、强支护、勤量测、早衬砌”的原则组织施工[2]，在实施过程中加强变形监控量测。

②开挖方式采用机械配合人工开挖，先进行预注浆超前小导管施工。外环永久初期支护采用HW175 型钢+φ8双层钢筋网片+喷射C25 混凝土。初期支护采用喷射混凝土支护和型钢拱架相结合的支护形式，型钢拱架、钢筋网由钢筋加工场集中加工，人工安装钢架，型钢拱架由纵向连接筋和锁脚锚管（下台阶拱脚隔榀打设规格为Ф108×6mm，L=6m 的微型钢管桩）进行固定并压注M20 水泥砂浆，安装双层钢筋网片，采用湿喷工艺喷射混凝土施工，初期支护紧跟开挖面且及时施作，以减少围岩暴露时间，抑制围岩变形，防止围岩在短期掉块，要求开挖完成后及时支护[3]。

③开挖上台阶长5m，中台阶长3～5m，下台阶长3～5m；上台阶开挖进尺1 榀拱架间距；中下台阶每循环开挖进尺为2 榀钢拱架、仰拱初支循环进尺3m、仰拱及填充进尺5m、模筑二衬10.4m；中下部台阶左右两侧掘进至少错开3m，掘进后及时喷砼；初支封闭段与掌子面距离不大于30m，二次衬砌与掌子面距离严格控制在60m 内。在下台阶开挖初支完成后，对隧道基底采取旋喷桩加固措施，再开挖仰拱，仰拱每循环开挖长度不大于3m。仰拱开挖完成后及时安装仰拱初支钢拱架，尽快浇筑仰拱初支混凝土，从而力求缩短全洞初支封闭成环时间。

4.3 施工次序

①开挖之前进行超前小导管支护，采用φ60×5mm 预注浆无缝钢管，外插角根据实际施工做动态调整，搭接长度不得小于1.5m，环向间距40cm。②采用弧形开挖预留核心土法开挖上台阶1 部，施作Ⅰ初期支护。③开挖中（左）台阶2 部，施作中台阶左侧Ⅱ初期支护。④与2 部错开至少3m 开挖中（右）台阶3 部，施作中台阶右侧Ⅱ初期支护。⑤开挖上、中台阶核心土4 部。⑥开挖下（左）台阶5 部，施作下台阶左侧Ⅲ初期支护。⑦与5 部错开至少3m 开挖下（右）台阶6 部，施作下台阶右侧Ⅲ初期支护。⑧开挖下台阶核心土7 部，施作仰拱Ⅳ初期支护。⑨施作全断面仰拱二次衬砌Ⅴ。⑩施作全断面仰拱填充Ⅵ。⑪施作全断面拱、墙二次衬砌Ⅶ。

开挖次序如图1、图2、图3 所示。

图1 微台阶施工开挖预留核心土平面示意图

图2 微台阶施工开挖预留核心土立面示意图

图3 微台阶环形开挖预留核心土开挖立面示意图

5 施工台车创新和优化

①微台阶法施工通常采用的普通台车，存在无法同时作业上下台阶从而导致施工周期长、工作人员工作量大的问题。为此，我们的研究团队对台车进行了研究，优化和改进后，研发了隧道微台阶法施工用的自行式微台阶法专用台车，有效缩短施工周期、降低工作人员劳动强度，自行式开挖台车包括台架主体、从台架主体上部延伸出来的上、下悬挑平台和位于台架主体底部四角的台架走轮装置，台架主体由横梁、纵梁、立柱、支撑斜梁共同搭设成“门”型框架并留有过车通道。②台车行走机构、工作爬梯设置于台车后端，以平衡前端的悬挑工作平台，避免台车倾覆。专用台车结构如图4 所示。③悬挑平台纵向主梁之间、主梁与台车立柱间采取销接方式，以便于现场的施工人员可以根据实际施工情况调整平台悬挑长度和平台数量。

图4 自行式微台阶法专用台车结构示意图

对比现有的普通台车，能更适用于微台阶法施工，保证上下台阶的同时钻孔、出碴、支护，弥补了微台阶施工的短板，有效缩短施工周期的同时弥补了微台阶施工缺乏相应开挖台车的短板。

6 施工工艺要点

①施工实践表明：微台阶环形开挖预留核心土法开挖速度在保证施工安全质量的情况下应越快越好。上台阶预留核心土面积必须大于50%。开挖掌子面与仰拱作业面要控制在30m 以内，保证每隔一天开挖一次仰拱，并且当天24 小时内完成仰拱初支，衬砌及填充施工。微台阶环形开挖预留核心土法施工时，旋喷桩施做在下台阶施工完成后立即进行。旋喷桩施工完成后，即可开挖仰拱，使仰拱尽早闭合成环。②上台阶按轮廓线环向开挖，保留核心土，以机械为主人工为辅进行开挖，人工配合挖掘机向下刨土。开挖后立即进行支护，并构成稳固的支护体系，核心土面积应大于断面面积50%。③通过变形监控量测来掌握围岩和支护的变形情况，及时调整支护参数和预留变形量，以确保施工安全。④开挖施工注意工序衔接，紧凑安排，减少围岩暴露时间，避免引起围岩失稳。⑤留足作业空间，核心土长度控制在3～5m，宽度为隧道开挖宽度的2/3。⑥根据隧道围岩地质情况，严格控制每进尺开挖长度，每次开挖长度一般为0.5～0.75m，开挖后立即初喷3～5cm 砼以减少围岩暴露时间。⑦严格按设计及规范要求加工制作和架设钢架，钢架架设在坚实基面上，并加垫硬支撑，与锁脚锚管焊接牢固。⑧超挖部位采用同标号砼回填密实，严禁初期支护背后存在空洞。必要时进行充填注浆，保证初期支护与围岩密贴。⑨在掌子面进行“品”字形超前地质预报，依据钻孔情况分析地质条件，立即调整施工方案。⑩超前支护严格根据设计施工，外插角和搭接长度满足设计和规范要求。

7 微台阶工法在忠和隧道应用的评估

7.1 工艺先进性方面

支护系统参数类似的情况下，在开挖工法为微台阶的情况下设计支护系统稳定、安全。以初期支护全断面闭合为监测周期，采用双侧壁导坑法施工的最大拱顶沉降和周边收敛值为70mm、52.7mm；采用微台阶法施工的最大拱顶下沉和周边收敛为47.4mm、25.4mm，且其收敛变形速度更快趋于稳定。微台阶法成环速度快，因此围岩整体变形过程时间较短，所以其变形数值较双侧壁导坑法小。同时，微台阶环形开挖预留核心土法不需要设置多个导坑，也没有需要拆除的临时拱架，因此土体扰动较少，使得沉降收敛值更小，围岩更加安全稳定。

7.2 施工工艺复杂程度方面

从施工复杂程度和进度角度来看，微台阶环形开挖预留核心土法相较于双侧壁导坑法具有显著优势。它不仅简化了许多繁琐的工序，利于现场施工人员快速掌握施工工艺并实施。且该工法还能更好地适应大型机械的使用，改善了施工条件，提高施工效率。

7.3 施工进度方面

微台阶环形开挖预留核心土法相比于双侧壁导坑法而言，仰拱闭合时间更短，更符合早封闭的施工要求，且微台阶环形开挖预留核心土法相比于双侧壁导坑法，开挖工序少，且合理利用机械设备，加快了施工速度。

经测算，微台阶环形开挖预留核心土法掘进综合进度为60m/月，确保了忠和隧道的掘进工期。

7.4 经济效率方面

因微台阶环形开挖预留核心土法较双侧壁导坑法施工进度快，机械化施工程度高，临时支护设施少，故也能显著提高工程效益，经测算，能降低掘进支护的成本约26%。

8 结束语

忠和隧道的施工实践表明，采用微台阶法开挖隧道，缩小了各工序衔接时间，加快了施工进度，减少了人员、设备窝工，更有效的控制了仰拱与掌子面之间的安全步距，显著降低了隧道施工的安全风险，安全管理和文明施工都得到了极大的提高。这些成果对于保障施工质量和安全、提高施工效率具有重要意义，并为未来研究提供了有价值的参考。在未来的研究中，拟进一步深入探讨该方法在其他类似工程中的应用和改进，以及引入更多的新技术和新材料提高隧道工程的施工质量和效率。