单线隧道软弱围岩短台阶法快速成环施工技术

杨卫卫

（中铁八局集团昆明铁路建设有限公司，云南 昆明 650200）

1 工程概况

随着我国铁路快速发展，隧道施工呈现“三多”特点（隧道数量多、长大隧道多、不良地质隧道多），其中软弱围岩隧道占有较大比例。中老铁路项目中国边境磨憨至老挝首都万象段为泛亚铁路中线的重要组成部分，由中铁八局施工的磨万铁路Ⅲ标段线路长度59.209km，其中隧道16座39.956 km，占线路总长的67.5%，其中长度大于3km的隧道5座，福格村隧道和会富莱隧道为标段及全线重难点工程。福格村隧道设计长度8 955m，其中IV、V级占60%，该隧通过地层以泥岩夹砂岩，泥灰岩为主；会富莱隧道设计全长6 988m，其中IV、V级占82%，该隧通过地层主要为砂岩、泥质粉砂岩、泥岩、灰岩、碳质板岩地层。由于地质复杂，施工中地质变化较大，遇断层等不良地质多，软弱围岩变形，加上电力不足，人员组织困难等因素，难于保持均衡高效施工。通过对施工工法和工艺不断优化总结，单线隧道软弱围岩最宜用短台阶法开挖。

2 软弱围岩隧道工程特点及变形特点

2.1 软弱围岩隧道工程特点

软弱围岩强度低、自稳能力差，隧道开挖后地应力重新分布，使隧道周边产生较大的松动圈。一旦工程措施（包括设计措施）和施工方法不当，极易发生初期支护变形侵限和坍方等工程事故。因此，软弱围岩隧道施工的核心是“控制变形、防止塌方”。

2.2 软弱围岩隧道变形特点

围岩应力释放是隧道施工的必然特征，也是初支结构变形的重要原因。多次开挖，应力多次释放，会造成初期支护结构多次变形增大。开挖作业应减少应力多次重分布的危害。

隧道开挖后短时间或变形量小时，初期支护与地层共同承受形变压力，支护不及时或支护后变形量过大，岩体松动后荷载加大，由初期支护完全被动地承受松动压力，因此，必须保证初期支护的强度和刚度，及时支护和控制变形。

围岩初支变形大小与开挖进尺、封闭成环时间、二衬施作时间呈正相关系，开挖进尺越大，初支成环时间越晚，变形位移时间越长，变形值就越大。初支结构快速封闭成环，有利于抑制变形发展，仰拱二衬及时跟进，保证隧道开挖支护正常进行，均衡推进施工进度。

3 短台阶法快速成环工艺原理

工法参数：上台阶长度3～5m，高度4～5m，循环进尺1～2榀钢架，仰拱初支成环距掌子面1-2倍洞径，满足新奥法的“快封闭”原则，保障隧道施工安全和进度。

1）上台阶、下台阶、仰拱同步开挖支护作业，缩短工序间的衔接时间

2）仰拱与下台阶同步支护封闭，整个结构快速封闭以抑制变形发展。

3）节约空间，缩短安全步距，提高隧道整体施工进度。

4 短台阶法快速成环工法创新点及特点

单线软弱围岩隧道传统工法为上下台阶先行，要求边墙左右错开，上下台阶推进多个开挖循环，仰拱再开挖一个循环，仰拱初支成环与下台阶拉开一定距离。该施工工艺工创新将仰拱与上下台阶同时开挖同时支护，达到快速成环、组织严密、工序衔接紧凑、多工序平行作业。其特点如下：

1）初支成环快利于抑制变形发展，安全性高。常规工法仰拱开挖距掌子面较远，同时由于初支成环时间晚，变形发展时间长，一般关门坍方易在大进尺开挖仰拱时发生。短台阶快速成环工法要求短进尺、快封闭，仰拱与下台阶同步完成，初支成环时间早，有利于抑制变形，防止塌方。

2）开挖循环速度快。开挖支护工序无缝衔接且有搭接，循环时间短，上下台阶仰拱初支同步推进，每循环开挖支护速度快。

3）开挖与衬砌干扰小，安全步距易控制：仰拱封闭成环紧跟下台阶，仰拱结构施工区与仰拱开挖区拉开距离，充分利用隧道内的空间，减少开挖与结构施工的干扰，开挖支护、仰拱结构、拱墙二衬同步推进，达到仰拱二衬紧跟，安全步距不易超标。

4）工法转换快。对有Ⅲ级围岩相间的段落，由于上台阶较短，转全断面法施工时，较短时间能将下台阶及仰拱开挖推进至掌子面而形成全面法施工，再转短台阶法也较快。当遇围岩较差时，短台阶法与三台阶法间工法转换也能在短时间内完成。

5）有利于隧道整体进度均衡推进。由于开挖支护循环速度快，安全步距易控制，工法转换快，避免了不必要的时间浪费，有利于隧道整体进度均衡推进。

5 施工工艺流程及施工控制要点

短台阶法快速成环施工工艺流程见图1。

图1 短台阶法快速成环施工工艺流程框图

短台阶法快速成环施工工法示意见图2（单位cm）。

图2 短台阶快速成环施工示意纵断面图

5.1 上台阶台架设计加工

利用台架单独完成上台阶作业，可采用2个分离式小台架，便于台架退出掌子面后，停放在作业面后方不影响机械通行。小台架进、退作业面时采用挖掘机分次运送两个台架。如图3。

图3 分离式小台架

根据断面大小和上台阶高度大小也可采用多层组合式型钢台架或单个整体台架，采用挖掘机运送安拆台架。如图4。

图4 多层组合式型钢台架

对于较小断面，也可采用组装式钢管台架，重量轻，采用人工运送、组装和拆除。如图5。

图5 组装式钢管台架

5.2 爆破设计

爆破设计应根据地质条件、开挖断面、掘进循环进尺、钻眼机具和爆破器材等结合爆破振动要求进行钻爆设计，并在施工中根据爆破效果不断优化调整爆破参数。

5.3 放样布孔

测量放出隧道中心线和拱顶面高程，用红油漆画出开挖轮廓线，标出炮孔位置，误差不得超过5cm；开挖轮廓线应考虑预留变形量，围岩预留变形量应根据监控量测所得信息及时进行调整。

5.4 钻孔

上台阶、下台阶（包括仰拱）同步钻孔，上台阶钻孔过程中完成掌子面加深炮孔探测。严格控制周边孔的间距及各个炮孔间的外倾角；掏槽眼眼口间距和眼底间距的允许误差为±5cm；辅助眼眼口间距允许误差为±10cm；周边眼眼口位置允许误差为±5cm。

5.5 台架退出、爆破

钻孔完成后进行钻药，先装上台阶，当上台阶装药完成后，退出小台架停放在作业面后方不影响机械通行之处，进行下台阶及仰拱装药，装药完成后起爆。

5.6 通风排烟、排险

爆破后进行通风排烟、排险。通风时间不得少于15分钟，洞内空气达标后方能进入洞内查看，如有瞎炮须先处理后利用挖掘机进行清邦找顶，消除风险。

5.7 出碴

先将上台阶的渣用挖掘机扒至下台阶，用挖机将台架及拱架分别运至上台阶就位，上台阶开始安装拱架，同时下台阶开始出渣。

5.8 安装拱架

上台阶钢格栅准确安装是该工序的核心控制点，为下台阶及仰拱快速安装打好基础。上台阶安装拱架时应定位准确，拱架两拱脚位置测量定位，整个拱圈准确定位并固定，打好锁脚锚管（杆），待拱部钢架钢筋网安装好后即可进行超前小导管钻孔、安装。如下台阶钢架还未安装完可进行部分炮孔钻孔工作直至下台阶钢架安装完成，为下一循环钻孔节约时间，喷射混凝土时将已打好的炮眼临时封堵保护。

边墙钢架与上台阶钢架联接，边墙钢架安装完成立仰拱钢架。仰拱钢架与边墙钢架联接，边墙钢架打锁脚锚管（杆）固定，控制好边墙钢架位置。

5.9 喷射混凝土

钢架安装完成后进行喷射混凝土施工，并做好拱架脚联接钢板的保护，以便下台阶施工时，边墙钢架与拱脚钢架联接。喷射时用两把喷枪进行喷射，先双枪进行仰拱喷射，再分别对上台阶和下台阶同时进行喷射作业。仰拱混凝土须分层喷射，台阶混凝土应由下向上分层喷射。

当采用喷射操作手进行喷射时，先退出作业台架，湿喷机械手就位，根据机械手的作业半径范围确定上、下台阶的喷射作业顺序。先初喷射仰拱进行局部回填渣后移机再进行上台阶的喷射作业，当一次可全部喷射作业时，先将上台阶拱部喷射一层，后进行下台阶的第一层喷射混凝土，上、下台阶来回循环达到分层喷射施工，减少混凝土掉块现象。喷射作业完成后退出湿喷机械手，台架就位，进入下一循环。

5.10 仰拱二衬施工

仰拱结构作业区采用栈桥作为临时通道，确保仰拱结构端头距掌子面距离不超过40m，仰拱先行，二衬紧跟，形成平行流水施工，仰拱结构每模施工9～12m，清除渣土，安装仰拱矮边墙防水板、仰拱钢筋，安装模板浇筑仰拱矮边墙混凝土。拱墙二衬结构每模施工9～12m，矮边墙顶凿毛，安装拱墙防水板、拱墙钢筋，台车合模浇筑拱墙二衬混凝土。

6 施工技术要求

软弱围岩隧道施工坚持“先预报、管超前、弱爆破、短进尺、强支护、快封闭、勤量测、紧二衬”方针，执行6个方面要求，才能均衡稳步推进隧道施工进度。

1）做好超前预报。施工阶段必须进行超前地质预报，这一点尤为重要。地质素描、物探、超前钻探方法是软弱围岩超前预报的主要手段，还应加强超前加深炮孔探测，及时探明隧道前方地质情况，特别是地下水的发育情况，必须用地质预测预报数据指导施工，严禁在未探明情况下盲目开挖。

2）做好超前支护。超前支护为掌子面开挖起到棚架作用，超前小导管间距、数量、长度须符合设计要求，位置、角度须符合设计，并进行注浆，浆液必须充满导管及其周围的空隙。

3）严格开挖工法。隧道开挖不得擅自改变施工工法，须配足意资源，严格按施工工艺流程组织施工。软弱围岩弱爆破，周边孔间距不得大于40cm，周边孔必须采用不耦合间隔装药结构，提高隧道成型效果，减少超欠挖。软弱围岩要求短进尺、多循环，禁止超大进尺开挖。初期支护仰拱初支及时闭合极其重要，闭合成环后，有效地控制变形、避免坍方。

4）规范施工初期支护。做好初支支护规范施工，尤其要重视钢架接头薄弱环节的控制，钢架锁脚锚管（锚杆）必须采用定位环并连接牢靠，锁脚锚管（杆）位置、长度、角度须符合设计要求，不得出现反坡，并严格注浆。软弱围岩易产生较大变形段落钢架安装后应对接头连接钢板进行三面满焊，以加强接头抗变形能力。

5）做好监控量测。监控量测是软弱围岩隧道安全施工的“眼睛”，是判断结构稳定性、指导软弱围岩隧道安全施工“最重要”的信息化手段，必须保证量测数据的准确性和数据分析的及时性。除设计有特殊规定外，拱顶下沉及净空收敛测点间距严格执行Ⅳ级围岩10m，Ⅴ围岩5m。及时测取初始数据，按监测频率进行监测，采用测点距掌子面距离和变形速率双控。

6）及时施作二次衬砌。由于目前初支与二衬共同承载的设计方法，适时进行二次衬砌对安全施工十分重要，现场必须严格控制安全步距，仰拱衬砌距掌子面的距离Ⅳ级围岩不超过50m，Ⅴ级围岩不超过40m，二次衬砌距掌子面的距离Ⅳ级围岩不超过90m，Ⅴ级围岩不超过70m，业主及设计有特殊规定的执行相应规定，不能因为安全步距超而迫暂停掌子面掘进而影响隧道整体施工进度。

7 应用实践及效果

新建大瑞铁路大保段福星隧道进口较早采用了短台阶施工工法，上台阶采用简易台架，Ⅴ级围岩上下台阶每进2个循环仰拱跟进一个循环封闭成环，接近短台阶法快速成环施工工艺，每月进度50～60m均衡推进；玉磨铁路五屏山2号隧道Ⅴ级围岩最初施工进度只有40m左右，通过优化采用短台阶法施工，进度提升至60m。磨万铁路空琅村隧道横洞大里程采用短台阶法施工，一般V级围岩施工进度60m以上。磨万铁路Ⅲ标段两座长大隧道最初进度较慢，安全步距超标多，变形多、通过不断分析总结，观摩学习，完善施工工序管理，改进施工工艺，在部分隧道口探索短台阶快速施工方法取得了较好的效果，部分段落一般Ⅴ级围岩月进度曾达到70m以上。由于电力不稳定、围岩变化频繁、断层、涌水、大变形、资源组织困难等诸多因素限制，短台阶快速成环施工技术难于全面应用，但通过分析总结，该工艺技术对推进地质不太复杂的单线软弱围岩隧道快速施工是比较适宜的。

8 结论

短台阶法快速成环施工工艺具有初支成环快、安全性高、开挖循环速度快、开挖与二衬施工干扰小、安全步距易控制、工法转换快，有利于隧道整体进度快速均衡推进，对推进地质不太复杂的单线软弱围岩隧道快速施工是比较适宜的。掌握软岩隧道变形特点、工艺原理、工法特点，配足资源，严格按工艺流程及施工控制要点、施工技术要求进行施工组织控制，就能有效抑制初支变形，在保证安全的前提下提高软弱围岩施工进度，均衡推进隧道整体施工进度。