微台阶工法在软弱围岩高风险隧道中的应用研究

2021-09-17陈兵章

铁道建筑技术 2021年8期

陈兵章

（中铁二十一局集团第二工程有限公司甘肃兰州 730000）

1 引言

随着我国综合国力的显著提高，基础设施建设也迅猛发展。我国在隧道建设方面具有大量的工程经验，具备完善的施工技术［1］。在交通线路建设过程中，为了节约交通成本，优化行驶线路，使出行更加高效便捷，隧道起着至关重要的作用［2］。但是在黄土地区、岩溶地区、高海拔地区等复杂工程地质条件地区，隧道建设面临技术难度大、施工困难等问题。大量学者对隧道施工进行研究，陈云腾等［3］采用ABAQUS软件为研究隧道围岩区段的稳定性进行开挖施工过程模拟。朱红桃［4］依托白石岗隧道工程，对连拱隧道施工过程进行模拟，得出三导洞施工方案最优的结论。胡长明等［5］基于某连拱隧道施工，通过数值模拟对微台阶施工方法进行优化，使隧道施工安全高效。张风［6］以奉节隧道工程提出两台阶四步开挖技术，减少了对围岩的扰动。王建军［7］在蒙华铁路某黄土隧道区段为达到施工进度和安全的目的，提出“快挖、快支、快成环”为核心的微台阶施工方法。惠武平［8］运用软件模拟对比分析指出微台阶法可有效控制围岩变形。可见，对于高风险隧道的开挖，微台阶施工技术已十分成熟。

成昆铁路峨眉至米易段共有4座隧道，其总长超过13 km，隧道占线路全长的50.6%，其中兴隆山隧道基本以Ⅳ、Ⅴ级围岩为主。Ⅳ级围岩呈块石状镶嵌结构，Ⅴ级围岩呈角砾碎石松散结构，在施工过程中处置不当极易发生坍塌变形，导致施工安全问题发生［9］。鉴于该隧道的地质情况，传统长台阶法已经不能满足施工安全的需要。

2 微台阶施工工法特点

大量工程实践经验和科研成果表明［10－12］，围岩失去稳定性是造成隧道坍塌的根本原因，而围岩失稳的主要原因是隧道开挖后支护不及时。在采用常规的台阶法进行施工时，由于下台阶的空间限制导致初期支护不能尽早封闭成环，故二次衬砌也不能紧跟施工，从而造成隧道坍塌。为了保障铁路隧道施工安全，铁建设（2010）120文对仰拱及掌子面施工距离作出了明确的限值，《铁路隧道工程施工安全技术规程》（TB 10304—2020）对隧道开挖提出详细的安全技术要求。

兴隆山隧道采用微台阶施工工法主要通过缩短上、中、下台阶的施工长度，多平台能够同时进行施工作业，初支钢架能够及时封闭成环，达到“两紧跟、早封闭、快成环”的施工要求，并能及时进行仰拱和二衬的施工，使得施工始终满足安全步距强制性规定要求，将隧道风险降至最低。利用现有设备和人员，改变传统的隧道施工工法，通过对微台阶施工工艺的创新，在保证施工质量和施工安全的前提下，加快隧道施工进度、降低施工成本。

3 工程概况

兴隆山隧道全长1 923 m，最大埋深超过300 m。该隧道线路为单面上坡，最大坡度12‰。全隧以Ⅳ、Ⅴ级围岩为主，其中Ⅳ级围岩长度510 m、Ⅴ级围岩长度1 083 m，总长度1 593 m，占隧道总长的82.8%。隧道穿越1条深断裂带，该断裂带为区域性大断裂、压扭性深断裂，断层宽度200～300 m，以断层角砾为主，断层影响宽度300～1 000 m，含有第四系孔隙水、基岩裂隙水和断层破碎带孔隙水三个含水层组，其中断层破碎带孔隙水最为丰富。该隧道所处地质条件极为恶劣，为保障隧道施工的安全及合理工序作业，经研究采用微台阶工法施工。

4 施工工艺

微台阶施工工艺流程如图1所示。

图1 微台阶工艺流程

（1）开挖台阶布置形式

针对隧道地质状况，为了施工安全和质量，对Ⅳ、Ⅴ级围岩分别制定不同的台阶布置形式：Ⅳ级围岩上台阶长5.0 m、高4.2 m；中台阶长3.0 m、高3.0 m；下台阶长15～20 m，高3.0 m。上台阶、中台阶和下台阶同步掘进，每循环开挖进尺2.4 m／2榀。Ⅴ级围岩上台阶长5.0 m、高3.3 m；中台阶长3.0 m、高3.5 m；下台阶长15～20 m，高3.4 m。上台阶、中台阶和下台阶同步掘进，每循环开挖进尺1.2 m／2榀。台阶布置形式如图2所示。

图2 开挖工法台阶布置形式

（2）上、中、下台阶钻爆施工

隧道爆破采用光面爆破。为保证炮孔达到“准、平、直、齐”的要求，首先采用全站仪放出水平、高程方向的控制基准点，然后采用多断面激光水平仪在掌子面投影基准线，技术人员用钢尺精准布孔，施钻人员按照“定位、定人”精细钻孔。为减小周边眼孔底的偏移量造成线性超挖，周边眼采用长短孔布置。按照水压光面爆破的要求调整周边孔眼的装药结构，采用小直径药卷并连续装药（炸药卷直径27 mm，单根长20 cm，每卷重100 g），由毫秒导爆雷管串联后依次起爆，起爆顺序为下台阶→中台阶→上台阶。

对于Ⅳ级围岩每循环进尺2.4 m，立2榀拱架。上台阶配备6把风枪，中、下台阶各配备4把风枪。对于Ⅴ级围岩每循环进尺1.2 m，立2榀拱架。上台阶配备4把风枪，中、下台阶各配备3把风枪，三个台阶同时进行钻孔爆破。

（3）上台阶扒渣及吊运拱架

Ⅳ级围岩爆破完成后，挖掘机将上台阶的洞渣扒至中台阶（见图3），并修筑临时坡道。当Ⅴ级围岩爆破完成后，同样安排挖掘机进行上台阶扒渣作业，并在上台阶预留部分洞渣作为施工平台，方便工人进行立架和钻孔作业，平台高1.2～1.5 m，顶面长2 m、底面长3.5 m，为便于混凝土喷射机械手作业将尾部修成具有一定斜度的坡面。装载机驾驶员不仅要进行扒渣作业，在上台阶洞渣清理完毕后还需将初支钢拱架运送至上台阶。

图3 上台阶扒渣示意

（4）上台阶立架，中、下台阶出渣

首先安排挖掘机进行扒渣作业，将中台阶洞渣扒至下台阶，然后挖掘机站位于中台阶准备出渣。Ⅳ级围岩每循环的出渣方量约为267 m3，配备自卸车3台，运距1.4 km；Ⅴ级围岩每循环的出渣方量约为130 m3，配备自卸车5台，运距8.7 km。为加快施工进度，当Ⅳ级、Ⅴ级围岩中下台阶出渣时，在上台阶开始安装拱架。

（5）中、下台阶安装边墙钢架

为了保证上、中、下三个台阶平行作业，中、下平台出渣完成后，安排装载机将边墙钢架运送至中、下台阶，放置到位后立即开始安装，上台阶继续进行超前支护。其中Ⅳ级围岩上台阶安装超前小导管37根，每根长度为3.5 m，纵向2.4 m为一环，并且每循环施作8根锁脚锚管和26根系统锚杆，安排6把风枪进行工作；中台阶安装锁脚锚管8根、系统锚杆8根，安排4把风枪；下台阶安装锁脚锚管8根、系统锚杆8根，安排4把风枪。Ⅴ级围岩上台阶安装超前小导管50根，每根长度为3 m，并且每循环施作16根锁脚锚管和10根系统锚管，安排3把风枪；中台阶锁脚锚管16根、系统锚杆6根，安排2把风枪；下台阶安装锁脚锚管16根、系统锚杆6根，安排2把风枪。

（6）喷射混凝土

在混凝土喷射施工前，为确保各项原材料的相互兼容和保证混凝土性能稳定，对进场原材进行试验，根据试验结果动态调整施工配合比，并结合现场设备进行工艺试验，优化工艺参数，以提高混凝土喷射质量。

拱架安装及超前支护施工完成后，需立即进行混凝土喷射作业，按照上、中、下台阶的顺序依次喷射。其中对于Ⅳ级围岩每循环设计喷射混凝土方量为17.3 m3，采用的设备为铁建重工HPS3016S湿喷机械手；Ⅴ级围岩每循环设计喷射混凝土方量为9.2 m3，采用的设备为科达KC3016W湿喷机械手。

（7）仰拱施工

不同等级围岩各台阶施工进度不同，所以隧底开挖时机也不相同。Ⅳ级围岩每经过1个循环便开挖一次隧底，开挖长度为3.6 m；Ⅴ级围岩经过3个循环开挖一次隧底，开挖长度同样为3.6 m。隧底钻爆施工与三台阶施工同步进行，隧道底部出渣和支护作业与三个台阶立架支护同时进行，这样便不会影响掌子面施工，而且在进行隧底混凝土喷射时可以同时进行下一个循环中掌子面钻孔施工。

（8）施工资源配置

①作业人员安排

现场作业两班倒，24 h不间断作业，Ⅳ、Ⅴ级围岩配备人数不同，详细人员配置见表1。

表1 作业人员配置

表2 机械设备配置

5 工程效益分析

（1）隧道施工采用微台阶施工方法，并依据不同级别的围岩性质，采用不同的微台阶施工工艺。Ⅳ级围岩在采用微台阶工法之前，每次循环作业时间达到22 h以上，每月平均进尺仅50～60 m；采用微台阶工法之后，Ⅳ级围岩每循环作业时间缩短4 h左右，月进尺提高30～40 m。Ⅴ级围岩在采用微台阶工法之前，每次循环作业时间在18 h左右，每月平均进尺仅20～30 m；采用微台阶工法之后，Ⅴ级围岩每次循环作业时间缩短3 h左右，月进尺提高25～35 m。单次施工循环时间明显减少，月进尺明显提高，施工效率显著提高。

（2）在施工安全方面，因安全步距造成的停工赶步距情况得到彻底改善，由于前期施工时，隧道中间始终留有斜坡道，台阶长、工序多，相互干扰，三个台阶不能齐头并进，并且仰拱和二衬的施工不能及时跟进，导致安全步距经常超标。采用微台阶工法后，台阶长度的缩短使得上、中、下台阶能够进行平行作业；初支钢架能够及时封闭成环，实现了“两紧跟、早封闭、快成环”的施工要求。

（3）采用微台阶工法后，实现了上台阶立拱架与出渣的平行作业，有效缩短了循环作业时间，解决了以往分台阶开挖存在的相互干扰、施工效率低等问题。微台阶工法实施后，Ⅳ级围岩和Ⅴ级围岩每月分别增加产值约120万元和140万元，同时节约了单位产值的劳动力和机械成本；另外混凝土超耗大幅度降低，初支喷射混凝土平均超耗从之前的218%下降到108%，累计减少19 890 m3，减少亏损约928万元；二衬混凝土平均超耗从之前的64%下降到15%，累计减少了8 295 m3，减亏约310万元。可见在采用微台阶工法后取得的经济效益较为显著。