单线铁路隧道新微台阶带仰拱一次爆破开挖施工技术研究

杨家松

(中铁二局集团有限公司， 四川 成都 610000)

0 前言

铁路隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩采用台阶法施工时，严格遵守“安全步距”，施工安全管理将其作为不可逾越的红线，同时，为提升工艺水平，大量研制的工装设备又挤入到“隧道”这个狭窄空间，致使施工进度受到较大影响、工程管理成本加大、施工作业难以实现常态化。因此，近年来，在全断面法与台阶法的基础上发展起来的微台阶工法又在一些建设项目上焕发生机。

对非爆破作业开挖的隧道，如极软岩、黄土类等地质环境中的隧道，无论单双线，采用微台阶工法施工，极容易形成规则且稳定的台阶，有益于核心土稳定，掌子面作业安全可靠。胡钊光[1]以塔吉克斯坦边境公路乔尔马克扎克双车道隧道为例，介绍了湿限性黄土隧道采用微三台阶工法带仰拱施工技术，对台阶尺寸、核心土、开挖方式、进尺控制等技术要点与工艺进行了总结；范森[2]以铁路专用线单线杨坪隧道为依托，介绍了新黄土隧道采用微三台阶带仰拱施工技术，总结出微三台阶工法的控制重点与优点；文献[3-5]对蒙华铁路双线隧道黄土或砂质新湿限性黄土地层采取微三台阶工法施工进行研究，在台阶尺寸、核心土尺寸、下台阶带仰拱一次开挖施工技术、初期支护及时封闭成环等方面进行了系统性归纳；文献[6-7]以蒙华铁路建设为依托，用数值模拟分析方法，建立了单洞双线隧道在砂质新黄土地层采用微三台阶预留核心土工法模型，研究隧道初期支护变形、结构内力及安全系数，提出核心土控制长度，提炼出以及时封闭为核心的“快挖快支成环”微台阶技术成果；惠武平[8]以蒙华铁路大断面王家湾隧道为例，提出新老黄土层采用微三台阶预留核心土工法能够有效控制变形，数值模拟分析认为应力释放40%～60%时是施作初期支护的时机，但是对需要爆破作业的隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩来说，爆破后要形成比较稳定的平台就没有那么容易了。

针对隧道爆破开挖，马辉等[9]介绍了贵广高铁坪寨双线隧道采用微台阶法施工，并提出精细爆破概念；潘汝江[10]介绍了吉林伊通铁路单线隧道采用的微台阶施工技术；彭超[11]介绍了龙泉山公路1#隧道穿浅埋破碎带采用的微台阶开挖技术；宋曙光等[12]采用三维仿真研究不同台阶高度下隧道的变形，提出了台阶高度建议；邹成路等[13]认为上台阶开挖高度宜为 0.65倍隧道开挖高度。在研究隧道台阶爆破方面，杨志刚等[14]研究了采取台阶法开挖隧道的缺点，提出在隧道的上台阶上钻垂直炮孔、装水袋爆破下台阶的方法。

这些对微台阶法的研究成果几乎都集中在介绍微台阶的长度和高度、开挖进尺的限制、及时支护并封闭成环、快速组织等方面上，而对微台阶工法未得到推广运用的原因、导致台阶不稳定的根本原因及解决措施、有效地将台阶尺寸拟定与结构安全及工装工艺有机结合、精准爆破的具体参数等方面研究甚少。

综上所述，为使微台阶工法在隧道爆破开挖施工中得到推广运用，须以设计预支护措施为前提，以研究台阶的稳定性、维护掌子面与结构稳定性、保障作业安全为突破口。新微台阶工法就是基于传统的微台阶爆破开挖方法存在的问题，针对其未涉足的突出技术问题加以创新研究。

1 单线铁路隧道微台阶尺寸拟定

微台阶的尺寸指台阶的长度与高度，要综合考虑结构的安全性与施工作业的安全性2个方面。

1.1 基于数值模拟计算结构的安全性分析

基于假定条件： 隧道埋深300 m，普通地应力，无偏压，地下水不发育，单线Ⅳc开轮廓尺寸为8.54 m×9.83 m，开挖面积S=66.6 m2，C25喷射混凝土，混凝土厚度δ=23 cm。4φ22格栅(160 mm×160 mm)，间距为1.0 m，拱部φ22中空锚杆、边墙φ22砂浆锚杆，布置间距与长度均相同，即间距为1.0 m×1.0 m、l=3 m。按照隧道力学相关理论，模型隧道两侧宽度取3.5倍洞径、上下取3倍洞径计算，精度满足需要，计算典型模型如图1所示。

(a) 隧道截面示意图

(b) 模型尺寸示意图

施工进尺按Ⅳ级围岩2.4 m、Ⅴ级围岩1.2 cm考虑。因实践验证微台阶长度为3～5 m较为合理，此处只讨论台阶长度3、5 m 2种工况下，Ⅳ级围岩的上台阶高度分别为3.5、4.5、5.5 m 3种情况和Ⅴ级围岩上台阶高度分别为3、4、5 m 3种情况，共计12种工况组合。采用FLAC 3D进行模拟计算，计算参数(《铁路隧道设计规范： TB 10003—2001表3.2.8取中值)见表1。

表1 力学计算参数表

经计算后提取结构应力最大值和位移最大值，分别如图2和图3所示。

(a) Ⅳ级围岩初期支护拱腰最大压应力

(b) Ⅴ级围岩初期支护拱腰最大压应力

(a) Ⅳ级围岩初期支护拱顶最大变形

(b) Ⅴ级围岩初期支护拱顶最大变形

研究结果表明：

1)随台阶长度增大，应力变化呈上升趋势，其中Ⅳ级围岩的台阶长度大于4.5 m时变化明显，而Ⅴ级围岩应力相对变幅不大。

2)相同台阶长度条件下，应力随上台阶高度增大而小幅增大，其中Ⅳ级围岩高度小于4.5 m时应力变化大，而Ⅴ级围岩高度在4 m时应力变化幅度稍大。

3)变形以拱顶下沉位移最大，Ⅳ、Ⅴ级围岩初期支护拱顶变形总体上随台阶长度、上台阶高度的变化不明显，但Ⅴ级围岩相对值较Ⅳ大。

1.2 施工作业安全所需台阶尺寸分析

1)上台阶作业台架轻量化，便于安全移动。采用悬挑式平台不能有效靠近工作面，也无法保障台阶最上面2排眼的钻孔质量，应研制上下组合式多功能平台；其上层平台若过高，则质量大，移动困难或无法移动。为方便移动，可设计成2个小型平台并列放置，高度不大于2.5 m，单个质量不宜超过750 kg。在此条件下，考虑人的有效作业高度为1.7 m后，上台阶高度不宜超过4.5 m。

2)上台阶拱架安装和手持风钻安全操作所需安全距离。爆破开挖后，必须保证台阶两侧的前缘至掌子面的有效长度大于一次拱架安装长度(Ⅳ级规定2榀，间距为1.0～1.2 m)，并保障作业范围有一定安全区域，而高度要顾及拱架单元结构高度。据现场调研，微台阶长度不得小于3 m、高度也不得小于3 m。

3)考虑爆破对微台阶前缘的损伤所需安全长度。爆破必将引起炮孔底部的前冲作用，损伤台阶的前缘，但实践证明通过精细爆破设计与施工，前缘损伤程度能够有效控制在台阶设计长度的15%～20%。计入无法避免的爆破损伤长度，结合拱架一次安装所需最小长度2.4 m，台阶设计长度不应小于3 m。

4)湿喷混凝土台车、挖掘机、管棚钻机、超前地质钻机等设备是隧道施工的常用大型设备，当单线铁路隧道采用微台阶工法爆破开挖时，设备选型要考虑其与台阶尺寸的匹配性。

综上所述，铁路单线隧道采取爆破开挖时，Ⅳ围岩的台阶长度控制在3～4 m、Ⅴ级围岩的长度控制在4～5 m，两者的上台阶高度宜在3～4 m。在具体拟定时，宜偏大取值。

2 新微台阶精准爆破开挖技术研究

2.1 传统微台阶法爆破开挖存在的主要问题及原因分析

1)不能够形成较为稳定的台阶，台阶前缘破坏严重，甚至发展到掌子面，威胁到掌子面的稳定。主要原因是爆破参数不合理、控制工艺差，比如大孔网参数、药量过大形成抛掷，网络逐排起爆，钻孔偏差大等。

2)上台阶拱架的锁脚质量无法保障并产生背后脱空现象。主要原因是受传统过量装药利于翻碴思想的束缚，上台阶掌子面底板爆破引起过大振动，导致围岩严重松驰，并在微台阶爆破时(甚至不实施光面爆破)又进一步发展所致。

2.2 新微台阶精准爆破网络设计原理及特点

2.2.1 原理

以隧道的中线为对称轴，水平炮孔成方形对称布置于微台阶光爆层之间，分散于各排最先起爆的2个炮孔对称于中线两侧，并以此为基点依次向隧道轮廓线和中线方向设计起爆顺序，且排间起爆顺序为自上而下接力网络设计，构成排间相邻炮孔连线成“W”型临空面。同时，炸药消耗以微台阶自由面轻微隆起为度，满足挖掘机有效作业要求，从而避免台阶前缘形成大斜坡或凹坑，原理如图4所示。

(a) 正视图

(b) 侧视图

2.2.2 特点

1)以微台阶中线为对称轴，炮孔呈方形“对称”布置。理论研究认为，炮孔间(对称于A炮孔两侧的B炮孔)应力σ叠加有利于岩石破碎，而随着逐渐远离炮孔底部O点，应力由叠加过渡到完全抵消，这种效应有利于控制台阶前缘损伤范围，如图5所示。同时，中心孔3有双临空面，炸药用量减半将有利于改善中央区爆破质量，如图6所示。

图5 对称爆破应力波叠加原理

图6 爆破作用方向

2)每排最先起爆的炮孔“分散”在对称轴两侧，改善了中央区呈凹坑的现象，见图4(a)。

3)孔间“微差”，炮孔作用方向变为以侧向为主，大大改善了炮孔底部向掌子面方向的冲击破坏作用。见图6。

4)排间“接力”，指次排最先起爆的炮孔紧接前排末段炮孔起爆(见图4(a))，既降低排间振动效应，同时又维持了微差效应。

综上所述，同排分散且对称微差、排间接力形成“W”型临空面，削弱了微台阶中心区的应力波叠加作用，有助于端部效应降低，从理论上讲完全有别于一字型(逐排)、V字型、梯形、波浪等爆破微差网络。该网络规律性极强，便于现场操作，但当段位有限时，可自第3排起按梯型网络方式进行设计。

2.3 微台阶爆破参数系统研究

微台阶开挖轮廓前提是采用光面爆破设计，其经验成熟，相关参数此处不讨论，仅研究光爆层之间的辅助眼参数。

2.3.1 微台阶孔网参数

要保持爆破对微台阶前缘围岩的损伤程度最低，微台阶应尽量采取小孔网参数、炸药低单耗、雷管多段位[15]的方法，但如此一来，过多的炮孔与雷管消耗就会失去实用价值。故结合露天台阶控制爆破经验，基于水平炮孔爆破原理特点，微台阶炮孔间距a=1.0～1.3 m、排距b=0.8～1.0a和最小抵抗线W=1.0～1.2 m 3个参数与露天台阶浅眼控制爆破一致。鉴于微台阶有良好的水平临空面，另一个重要参数——炮眼深度l，应做到每循环上、下台阶爆破后的台阶长度基本稳定，其微台阶各排孔的计算深度lj(见图4(b))应遵循： 首排孔计算孔深lj=l上-0.2， m(l上指上台阶的炮眼深度， m)； 第2排孔计算孔深lj=l上-0.15， m； 其余各孔计算孔深lj=l=l上-0.1， m。

2.3.2 微台阶爆破开挖炸药合理单耗研究

爆破损伤台阶的程度直接取决于炸药单耗，其合理取值既要杜绝产生抛掷现象，又要让岩块有效脱离并适当松动，爆破后的微台阶表面轻微隆起20～30 cm。

据经验炸药消耗q=0.35～0.5 kg/m3时，配合网络微差设计，可实现自由面隆而不抛。Ⅳ级围岩偏大取值，Ⅴ级围岩偏小取值。中心孔降低50%，两侧孔破裂角较小，应增加20%。

2.3.3 微台阶各孔装药计算

药量仍然采用经典的体积公式计算，各孔精准计算公式如下

Q=qV；

(1)

Q中=0.5q×V；

(2)

Q边=1.2×0.5q×V；

(3)

V=a×b×lj或a×W×lj。

(4)

式中：q为炸药单耗，kg/m3；V为炮孔承担的体积，m3；W为最小抵抗线，m；lj为炮孔的计算孔深，m；Q为除中心炮眼、两侧辅助眼外的其余辅助眼装药量，kg；Q中、Q边分别为隧道中线上的辅助眼和同排两侧辅助眼的装药量， kg。

2.3.4 装药结构形式

微台阶两侧开挖轮廓的周边眼采用导爆索药串装药结构形式，而中心孔与两侧边孔采取空气间隔装药结构形式，其余炮孔采用连续装药结构形式。

3 新微台阶施工设备配套技术

3.1 可拆卸式带伸缩滑槽装置的开挖工装

为应对不规则台阶施工安全作业需求，有效控制钻孔质量，研发了一种“可拆式带伸缩滑槽装置的隧道微台阶开挖组合台架”，如图7所示。

该台架与悬臂式台架比，可以充分接近微台阶的工作面，避免悬臂式台架移动时保持平衡困难的问题。同时，主骨架设计强度与刚度较大，安全性能高，其并行作业平台质量轻，移动灵活。另外，液压凿岩台车能够完全适用于两台阶的微台阶开挖工法，有条件宜采用。

(a) 多功能平台正视图

(b) 多功能平台侧视图

3.2 清砟设备选型

微台阶开挖工法宜使用挖掘机完成清砟作业，若仍使用装载机装砟作业为主，无疑台阶爆破必须形成抛掷才能够保证其有效作业，而这必然使台阶形成大斜面或大凹坑。

挖掘设备宜选择大功率设备，如PC200及以上类型。

4 工程案例

老中铁路为单线铁路，技术标准为160 km/h。跨境友谊隧道全长约9 595 m，隧道开挖轮廓为马蹄形、Ⅳ级支护参数与1.1节同。隧道最大埋深约220 m、穿越砂岩夹泥岩，弱风化(W2)，力学参数ρ=2.3 g/m3、设计W4地层黏聚力c=0.25 MPa，W2未给值，内摩角φ=40°(比理论分析略大)，地下水不发育。

4.1 实施方案

根据工程地质与设计支护参数，结合理论模拟计算与实际设备配置，拟定Ⅳ级围岩上台阶高度4 m、微台阶长度4 m，实行带仰拱一次爆破开挖。Ⅳ级围岩格栅间距1 m，设计进尺2 m(孔深2.1 m)。依据研究成果，爆破孔网参数及网络设计(受非电毫秒导爆管雷管使用段位限制，自第3排起按梯形网络设计)如图8所示，装药量见表2。

(a) 正面图

(b) 侧视图

表2 微台阶精准控制药量表Table 2 Explosive charges in precise micro-bench blasting control kg

4.2 工程实施效果

4.2.1 微台阶质量控制效果

经统计10个月的数据，台阶前缘损伤程度平均在16.7%(偶有30%现象发生)，较试验前大为改善。PC200挖机平均挖砟3.5 h，松动方便。进度指标为：Ⅳ级围岩80～100 m/月、Ⅴ级围岩60～75 m/月，均较以前提高31.3%，实施效果如图9所示(因仰拱临时回填需要，其效果未示出)。

图9 微台阶Ⅳ级实施效果图

4.2.2 围岩稳定性效果

试验段较成功，建设单位同意5个工作面全部采用微台阶开挖。Ⅳ级围岩台阶法25 d趋于稳定，水平收敛最大值为50 mm；新微台阶法9 d趋于稳定，水平收敛最大值为30 mm，如图10所示。

(a) 前期台阶法D1K508+745周边收敛

(b) 微台阶法D1K508+990周边收敛

5 结论与讨论

新微台阶带仰拱一次爆破开挖技术的创新，对保障初期支护结构与作业安全，提升施工现场管理标准化、加快施工进度等效果显著。微台阶工法正在被重新重视起来，并被应用于包括海底隧道、大断面隧道，乃至于高地应力软岩隧道施工中，且都取得了好的结果。

1)单线铁路隧道采取爆破开挖时，微台阶长度Ⅳ级围岩为3～4 m、Ⅴ级围岩的长度为4～5 m，其上台阶的高度均为3～4 m，具体拟定尺寸时可偏大取值。

2)新微台阶爆破开挖的孔间距、排距、首排孔的最小抵抗线等参数与露天台阶控制爆破参数相同。所不同之处： 1)炮孔成方形对称布置且设计成奇数； 2)网络设计遵循“分散、对称、微差、接力”原则； 3)微台阶炮孔比上台阶炮孔减小5～10 cm，且第1、2排的炮孔计算深度又比微台阶其余炮孔略浅。

3)网络设计力求多段位(有条件的使用数码雷管更优)，精准控制炸药单耗，实现微台阶的自由面隆而不抛，满足挖掘机有效清碴是前提，否则台阶必将受到严重破坏。

4)设备工装配套是实现精准爆破的必要条件，特别是在保证微台阶钻孔精度的工艺控制上要有针对性研发工装与设备的配套使用，这是落实工艺精细化的保障。

5)微台阶爆破开挖的钻爆孔网参数优化还有待于进一步试验研究，使之更趋于合理。