软弱围岩隧道短台阶法开挖工法研究

袁艺杰（成都畅达通检测技术股份有限公司，四川 成都 610000）

软弱围岩是指工程环境中能产生显著塑性变形的岩体。其地质特性是软弱、松散、破碎、湿润、风化等。该类围岩工程性质软弱，极易导致隧道施工意外事故的发生，所以软弱围岩是隧道进口施工的重难点所在。短台阶法是新奥法施工中的一种开挖方法，开挖时使上下台阶与掌子面的间距小于1 倍洞径，断面闭合较快，充分保护围岩，并能利用围岩的自稳能力。

严启斌、许长青结合武广客运专线坪岭隧道工程，介绍了 IV、V 级围岩采用短台阶七步平行流水作业法开挖的施工工艺，归纳了短台阶法的技术特点和工艺流程[1]。雷丙超分析了蒙华铁路 MHTJ-5 标坪桥 1 号隧道施工的实践，总结了在软弱地质条件下，借助机械化进行隧道短台阶法开挖的工艺流程、操作要点，为今后类似工程施工提供借鉴[2]。张运良、路平、王昌胜依托炎汝高速公路花子坳隧道施工实例，利用数值模拟分析，实测结果表明：短台阶法施工效果良好，围岩压力及拱顶下沉、周边收敛变形均在可控范围内[3]。张永存、房辰泽以国道 309 线固原过境段公路九龙山隧道为例，研究后得出结论，采用超短台阶法可以避免初支喷层发生拉裂破坏，并且能够有效解决上下断面相距较近、机械设备较集中的问题[4]。

云南被誉为“天然地质博物馆”，以上学者介绍隧道短台阶法时，并未涉及云南这类地质条件非常复杂的情况。本文主要针对云南玉磨铁路 20 标勐远隧道进口 DK 441＋840～DK 442＋997 施工段。该段围岩为 V 级围岩，地层岩性为泥岩夹砂岩，局部含方解石或石英，层理不发育，整体较湿润。在隧道开挖支护过程中围岩变差、岩体较破碎、稳定性及完整性变差，使得施工过程不连续，作业班组不稳定，施工进度缓慢，且施工过程中存在很大的安全隐患。为了防止发生初支变形开裂和围岩收敛侵限而导致的换拱，也为了保证施工的安全和效益，从里程 DK 442＋187 开始，改为短台阶法施工，通过缩短上台阶的长度，每循环同时开挖上台阶与下台阶，充分利用隧道内的空间资源，各工序平行作业，即时封闭，大大缩短了循环时间和围岩暴露时间，从而有效地控制了软弱围岩的变形收敛，保证了施工的连续性及安全性。

1 工程概况

云南玉磨铁路 20 标勐远隧道位于关累-勐远区间，设计时速为 160 km/h 的单线铁路隧道，隧道里程为 DK 441＋840～DK 444＋114，全程 2 274 m。以勐远隧道进口为例，里程段为 DK 441＋840～DK 442＋977，隧道长度为 1 137.00 m，短台阶施工法开始上台阶里程为 DK 442＋187.8。隧道最大埋深 184.00 m，隧道洞内线路坡度为单面上坡，线路坡度按里程从小到大分别为 0.1%、0.8%。隧道除 DK 441＋840～DK 442＋034.17 段 194.17 m 位于半径R=3 500.00 m 的右偏曲线上，其余地段均为直线。该区属丘陵地貌，丘槽相间，地形波状起伏，地面高程 650～900.00m，相对高差 50～250.00 m，自然横坡∠10°～∠40°，局部较陡。掌子面照片如图 1 所示。

图1 掌子面照片

测区上覆第四系全新统冲洪积层（Q 4al+pl）粉质黏土、粗圆砾土、坡残积层（Q 4dl+el）粉质黏土等；下伏基岩为二叠系龙潭组（P2l）泥岩、砂岩、页岩夹炭质页岩、煤线，石炭系中统（C2）灰岩、石炭系下统（C1）泥岩夹砂岩、炭质泥岩。地层岩性分述如表 1 所示。

表1 工程地质表

2 施工技术

2.1 施工方案

从 DK 442＋187～＋230 采用短台阶法开挖，具体施工方案为：掌子面台车长 5.50 m，通过加快下台阶的施工进度，缩短上台阶的距离，使上台阶施工长度仅满足台车长度，且 ≤8.00 m，下台阶施工长度控制在 15～20.00 m，而后进行正常的短台阶法施工，每循环同时开挖上台阶和单侧下台阶，当安全布局超出时，及时开挖仰拱，并完成仰拱的浇筑，及时跟进二衬的浇筑，尽早完成封闭，从而缩短支护闭合时间，改善初期支护的受力条件，更好地控制围岩的变形。以此保证“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则。

2.2 施工流程

使用该工法每循环 3 次扒渣、2 次爆破、1 次喷浆，各作业面可以平行作业，效率高，干扰少，有效缩短了各工序衔接的时间，加快了施工进度。具体施工流程如图 2 所示。

图2 施工流程图

2.3 施工操作要点

（1）上一循环喷锚结束后装载机立即进入掌子面将台车架子拖至仰拱端头栈桥前，将湿喷机吊出，挖掘机立即进入掌子面清理拱脚及底板的虚渣和回弹料，为开挖班钻孔作业做准备，保障钻孔的位置，防止在钻孔过程中碎渣堵孔。扒渣排险后，装载机进入将台车架推到掌子面；同时开挖班准备好风枪、风水管、钻头、钻杆，在仰拱端头待命，机械退出后，立即进入掌子面作业。

（2）采用上下台阶开挖，上台阶高度为 6.62 m，下台阶高度为 3.03 m。台阶的长度应在便于挖掘机快速扒渣及超前支护施作的前提下尽量缩短，减少扒渣距离，上台阶长度≤8.00 m。上台阶使用台车架进行钻孔作业，下台阶不使用台车架。上台阶使用 6 把风枪钻孔，下台阶左右各使用 2 把风枪，人员 8 人。开挖班钻工定点、定眼，让钻工能尽快熟悉自己所在位置钻孔的特点。钻孔时根据围岩情况适当调整周边眼间距、数量、装药量，控制好超挖和欠挖，尽量不补炮。

（3）爆破后开始通风排烟，同时爆破员进入掌子面检查是否存在瞎炮、残炮、欠挖。若存在应立即处理，处理后挖掘机立即进入掌子面扒渣，将上台阶的渣扒到下台阶。

（4）上台阶扒渣快结束时，通知测量员进洞放线，同时通知立架班和装载机司机，将拱架、钢筋网、连接钢筋等运输到洞内等待。测量放线结束后，立架班立即进入掌子面上台阶立架，再将超前小导管、系统锚杆、锁脚锚杆装运到洞内，然后开始下台阶出渣。

（5）下台阶出渣完成时，上台阶钢架安装结束，此时进行下台阶测量放线，并开始下台阶钢架安装；上台阶同时开始超前小导管和系统锚杆的施工。下台阶测量员和立架班同时作业，下台阶测量不单独占用时间。

（6）采用 2 台湿喷机同时进行湿喷，混凝土由拌合站集中拌合，在监理与技术人员进洞报检、拍摄隐蔽工程影像资料时，装载机将湿喷机吊进掌子面，拌合站同时拌制混凝土运到现场，报检结束后立即进行喷浆。

2.4 施工技术要求

（1）上台阶施工长度须≤8.00 m，下台阶施工长度控制在 15～20.00 m，施工示意图如图 3 所示。

图3 短台阶法施工示意图（m）

（2）下台阶开挖左右侧必须错开 3～5.00 m，严禁对称开挖。

（3）拱架安装前应清除钢架底脚下的虚渣及杂物，保证钢架置于稳固的地基上。拱架采用 I 18 钢拱架，拱架间距为0.80 m，共分 A、B、C、D、E 5 个单元，每单元之间采用螺栓连接。B、C 单元接头设置 50 cm×20 cm 钢垫板，防止钢架下沉。

（4）每榀钢架之间采用Φ22 mm 纵向连接筋连接，应保证焊接牢固。

（5）超前支护采用Φ42 mm 超前小导管，每环 21根，每根长 3.00 m，纵向 1.60 m 每环，并用 M 20 水泥砂浆注浆。

（6）每榀拱架钢架接头处各设置 2 根Φ42 mm 的锁脚锚管，每根长 4.50 m，并用 M 20 水泥砂浆注浆加固，每榀共计 16 根。

（7）边墙采用Φ22 mm 砂浆锚杆，并注浆，每延米施作9 根，单根长 3.00 m，间距 1.20 m×1.00 m（环×纵）。

（8）网片采用Φ8 mm 钢筋网片，网格间距 20 cm×20 cm。

（9）全环采用 C 25 喷射混凝土进行湿喷，厚度为 25 cm。

2.5 安全要求

（1）进洞人员必须佩戴安全帽、反光背心、口罩、手套等安全防护用品，严禁酒后作业、疲劳作业。

（2）在打眼后、每道工序工人进洞前，须进行有毒有害气体检测，通风机保持 24 h 通风。爆破后，须通风 20 min，方可让工人进洞作业。

（3）严格执行火工品申领制度，未用完的火工品及时进行退库。

（4）严格按照技术要求施作超前支护，严禁开挖进尺过大，使得超前支护失效。

（5）洞内电线须摆放整齐，随时检查破损情况，以便及时更换，防止漏电。

（6）台车上严禁摆放杂物及小型机械，以防台车移动时掉落。

（7）洞内应保持照明充足，钢筋及小型机械不宜随意摆放，保证作业的安全。

（8）装载机、挖掘机、出渣车等大型机械作业时，无关人员应及时避让。

（9）洞内应配备有效的灭火消防器材，随时注意洞内的文明施工。

3 实际应用情况

3.1 对比分析

勐远隧道进口里程 DK 442＋187 以前采用长台阶法施工，每循环开挖上台阶，当安全布局超出时开挖下台阶，加长下台阶的长度；当下台阶距离充足时，开挖仰拱，再浇筑二衬，完成封闭。以此工法施工，围岩受工程地质特征与地下水影响极易产生变形。施工过程采用常规的施工开挖方法，依次施工，完成上下台阶初支需两个循环，但循环总时间长，封闭慢，易造成围岩收敛，使已开挖初期支护变形量过大，导致初支侵限，易发生初支变形开裂，则须换拱，造成额外的工程费用，作业班组也不稳定。这样使施工进度缓慢，且施工过程中存在很大的安全隐患，月进尺仅 15～20.00 m。勐远隧道进口自里程 DK 442＋187以后采用短台阶法施工，每循环同时开挖上台阶和单侧下台阶，当安全布局超出时，下台阶长度充足，开挖仰拱，再浇筑二衬。短台阶开挖快速施工工艺充分利用了隧道内的空间资源，工序间平行作业，简化施工工序，完成上下台阶初支仅一个循环，即时封闭，大大缩短了循环时间和围岩暴露时间，从而有效地控制了软弱围岩的变形收敛，保证施工的连续性及安全性。自 2018 年 9 月 9 日开始使用短台阶法后，9 月进尺为 30.60 m，10 月为 40.40 m，施工进度及效益有了显著的提高。里程 DK 442＋187～230 段，共计 43.00 m，仅用时 28 d 完成，且单循环最短时间为 14 h 20 min。个别循环时间如表 2 所示。

表2 循环时间表

勐远进口短台阶现场图如图 4 所示。短台阶施工工法与传统的隧道施工工法的主要区别在于施工组织方式不同。传统的隧道施工工艺采用依次施工组织方式，即前一工序完工后才开始下一工序，一个工序紧接着一个工序，依次施工下去，直至完成全部施工工序。短台阶施工则要求尽可能采用流水施工组织方式，即几个施工工序在同一时间、不同的空间上进行施工。例如：上台阶立架，下台阶出渣；上台阶打超前，下台阶立架。合理的工序安排与流水作业大大缩短了循环时间，是短台阶施工工艺的最核心特点。除施工组织方式不同外，短台阶快速施工工艺的另一个核心要求是工序衔接紧凑，实现“负交接、零衔接”。

图4 勐远进口短台阶现场图

3.2 对比总结

玉磨铁路项目中的勐远隧道，地质结构复杂，围岩软弱破碎，技术难度大，工期非常紧张，且是国家要求的重点线路，质量要求高。在施工过程中，经过不断分析总结，结合“管超前、严注浆、短进尺、强支护、紧封闭、勤量测”的软弱围岩施工 18 字方针，不断完善短台阶开挖施工工艺。自采用短台阶开挖施工工艺以来，掌子面自稳能力得到了明显提高，施工作业人员的安全得到了有效保障，围岩收敛变形速率由单日 15 mm 减少到单日 ＜5 mm，对围岩的收敛变形起到了有效控制。同时，工序循环时间逐步得到压缩，由之前的上下台阶分两个循环施工共 25～30 h，缩短为单个循环同时开挖上下台阶共 15～20 h，最快的循环时间为 14 h 20 min，月进尺由之前的每月 15～20.00 m 提高到30～40.00 m，为隧道按期贯通提供了有效的保障。

4 结 语

玉磨铁路勐远隧道进口 DK 442＋187～230 段短台阶开挖工法的成功实施，为类似软弱围岩情况下使用短台阶开挖，做了很好的推广。该工法还可根据实际情况调整上台阶长度，改为超短台阶，在类似较差围岩条件下，相比长台阶法，效率高，封闭早，安全性、可靠性较高。在经济效益、社会效益上相比其他开挖工法，有明显的优势。