高铁隧道施工安全步距分析与调整

刘 柳， 姜 函， 高桂凤， 韩 冰， 冯卫星

(1.石家庄铁道大学土木工程学院，河北 石家庄 050043；2.河北交通职业技术学院路桥工程系，河北 石家庄 050091；3.中铁二十局集团西延铁路XYZQ-8项目经理部，陕西 洛川 727400)

我国铁路列车运营速度经历了普速、提速和高速三个发展阶段，相应阶段上的铁路隧道施工技术和要求也在发展，其中隧道施工中的安全步距问题，随着郑万高铁、郑西高铁、银西高铁、西延高铁、西康高铁和西十高铁等工程的相继建设，近几年受到管理、建设和施工单位的高度关注。国内学者和技术人员对隧道施工安全步距做过一些研究：胡晶等[1]结合桃花峪隧道工程实践,从安全和进度两个方面对大跨径隧道黄土适宜的施工方法和施工步距进行分析讨论,尤其是针对中隔壁法和双侧壁导坑法施工步距提出了具体要求。王海周[2]以隧道施工安全步距为关注焦点,推导了同时考虑围岩参数及支护参数的安全步距计算公式,探求不同围岩及支护条件下的安全步距理论值。王齐[3]采用FLAC3D有限差分软件,对深埋隧道Ⅳ级围岩安全步距进行数值模拟分析,并与实际监控量测数据印证和作为参考,探求Ⅳ围岩及支护条件下的安全步距理论值。雷平等[4]针对我国高速公路隧道施工过程中塌方和大变形等问题,进行了施工安全步距控制基准研究,阐述了隧道施工安全步距的定义、基本理论及现场控制基准,同时根据施工经验拟定各级围岩的施工安全步距,最后通过金洞隧道施工案例分析,提出了金洞隧道相应的施工安全步距基准。黄维科等[5]针对龙昌隧道在Ⅳ级围岩公路隧道采用大型机械化施工需要,考虑机械操作性和施工安全性,对安全步距进行了动态优化，结果表明：龙昌隧道地质条件下,采用SN锚杆符合隧道施工初期支护要求,安全步距为80 m时满足机械施工要求。但总体上对高铁隧道施工安全步距的研究还不多，本文根据工程实践，对高铁隧道施工安全步距调整，做了调研分析和归纳总结。

1 安全步距由来

关于隧道施工安全步距的由来，铁路系统的权威专家在不同场合做过解释，国外也有类似隧道施工安全步距的说法，西南交通大学关宝树教授和已故中国工程院王梦恕院士也有过表述。我国铁路自六次提速之后，高速铁路建设进入高潮，出现了大量的隧道工程，项目多、工程多，出现的问题也就多，隧道塌方时有发生。2009年前后国内高铁隧道施工中出现了不少塌方事故，造成了较为严重的人员伤亡和财产损失，原铁道部针对当时我国高铁建设项目较多和隧道施工现场实际状况(诸如一线施工队伍现场操作水平不高、机械装备配备不全、施工管理经验不足、施工质量有缺陷等等)，为遏止高铁隧道施工塌方的不断发生，于2010年7月27日下发了《关于进一步明确软弱围岩及不良地质铁路隧道设计施工有关技术规定的通知》(铁建设[2010]120号，以下简称120号文件)，文件对隧道开挖、初期支护和二次衬砌的施工安全步距做出了明确要求：①软弱围岩Ⅳ、V、Ⅵ级地段台阶法施工，上台阶每循环开挖支护进尺V、Ⅵ级围岩不应大于1榀钢架间距，Ⅳ级围岩不得大于2榀钢架间距，边墙每循环开挖支护进尺不得大于2榀钢架间距；②仰拱开挖前必须完成钢架锁脚锚杆，每循环开挖进尺不得大于3 m；③隧道开挖后初期支护应及时施作并封闭成环，Ⅳ、V、Ⅵ级围岩封闭位置距离掌子面不得大于35 m；④软弱围岩及不良地质铁路隧道的二次衬砌应及时施作，二次衬砌距掌子面的距离，Ⅳ级围岩不得大于90 m，V、Ⅵ级围岩不得大于70 m。

2 现场施工组织分析

120号文件下发后起到了非常好的作用，各高铁建设管理部门、各施工企业和各监理单位认真执行文件要求，在随后几年的高铁建设中隧道塌方事故逐渐减少。但随着时间的推移、管理水平的提升、施工企业经验的积累、质量意识的提高、施工装备的不断更新和增加、机械化施工程度的提高，加上中国铁路总公司工程管理中心《关于推广铁路隧道衬砌施工成套技术的通知》(工管质安函[2016]233号文件，以下简称233号文件)的要求，渐渐出现了120号文件规定的安全施工步距在实际隧道施工中执行难的问题，最大困难是施工作业工序时间太紧促、机械布置困难、交叉干扰严重，难以发挥先进施工装备的效率，施工进度缓慢。下面分析几个工程例子：

2.1 彬县隧道

银西铁路彬县隧道全长14.25 km，设计时速350 km/h，断面开挖方量147.02～161.64 m3/m，隧道包含Ⅳ、Ⅴ级围岩，主要开挖工法为三台阶法及三台阶预留核心土法，由进口、1号斜井、2号斜井、3号斜井、出口共8个掌子面组织施工，施工中配置了仰拱轻便弧形腹模、定型组合钢端模、防水板铺设台车等机械化配套设备。若按120号文件要求(Ⅳ级围岩二次衬砌距掌子面不大于90 m，仰拱初期支护封闭距掌子面不大于35 m)，则仰拱成环端头至二次衬砌端头只有55 m作为机械化配套工装配备空间。而自行式液压栈桥长37 m，防水板挂布台车8 m，现场工装设备空间较为紧张，同时不能满足超前2板挂设防水板、超前1板安装二次衬砌钢筋的要求。由于作业空间受限，在安装钢筋时，对掌子面出渣、混凝土浇筑等运输车辆干扰较大，存在较大安全隐患，不能实现全面均衡同步生产；由于空间紧促，出渣车每次只能在二次衬砌台车后面以倒车的方式进入掌子面作业。倒车方式一是需经过二次衬砌台车、钢筋台车，对车辆行使安全不利；二是倒车行使，每车渣延长时间约2 min，每个循环出渣工序时间耽误45 min以上，降低了施工工效。

彬县隧道主要为石质隧道，Ⅳ、Ⅴ级围岩采用爆破法进行开挖，如果按仰拱初支成环端头距掌子面35 m安全步距控制，现场施工存在两方面的问题：一是进行爆破作业时，由于爆破作业面距离仰拱栈桥及仰拱端头矮边墙较近，即使现场采用木板遮挡等措施，爆破冲击及飞石仍然对自行式液压栈桥构件、矮边墙防水板等造成一定程度破坏；二是出渣过程中下台阶挖掘机2台，出渣车1台，装载机2台，挖掘机占用空间8 m，装载机活动及出渣车占用空间10 m，下台阶现场空间较小，只允许1台出渣车在现场，另一台出渣车在二次衬砌台车后等待，待装渣车走后，第二台出渣车从二次衬砌台车后面倒车至下台阶，倒车与现场仰拱、二次衬砌施工有交叉作业，安全风险高，同时降低了施工工效。

2.2 新永寿梁隧道

银西铁路新永寿梁隧道长10 796.74 m，设辅助坑道2座，其中1号斜井1 687.51 m， 2号斜井1 350.75 m，根据设计及现场施工需要，共计有6个工作面开展施工。隧道除进、出口洞口部分为黄土外，其余均为岩石，主要岩性为三叠系上统砂岩夹页岩，钙质胶结，属弱富水区。隧道整体围岩级别划分及长度为：Ⅲ级围岩1 945 m，占18.0%；Ⅳ级围岩7 355 m，占68.1%；Ⅴ级围岩1 474 m，占13.7%；进出口及洞门22.74 m。

根据站后“四电”接触网槽道工程设计要求，管段范围内台车长度应为12 m，有效长度11.9 m，按照国铁集团西成公司《西成、宝兰客专隧道工程关键工序施工工艺控制指导意见》文件要求，仰拱施作采用整体式弧形模板，并且一次性施工长度必须与二次衬砌一致，所以施工中仰拱、衬砌一次施工长度均为11.9 m。执行233号文件，现场配备仰拱轻便弧形腹模、防水板铺设台车、二次衬砌台车定型钢端模、长大仰拱栈桥等施工装备。为了满足设计及施工要求，保证仰拱及填充施工工序分层浇筑，避免工序干扰，现场需要有足够的作业空间。

现场采用三台阶法开挖施工(见图1)，为了满足设计要求的“下一台阶的开挖应在上一台阶喷射混凝土达到设计强度的70%以上时再进行”，在工序安排比较紧凑的情况下，采用上台阶长6 m，中台阶长为8 m，下台阶3 m，施工过程中占用3 m，台阶合计总长20 m；装载机出渣作业区20 m；出渣车调头区15 m，仰拱栈桥搭板及开挖台阶占用5 m，合计20 m；仰拱开挖支护及栈桥后搭板占用约33.4 m；栈桥总长38.4 m(与仰拱施工占用空间重合)；防水板挂布台车长8～12 m，考虑挂布台车前后作业空间各1 m；二次衬砌台车12 m。

图1 新永寿梁隧道现场施工组织(单位：cm)

现场施工作业空间总长度约为：[20+20+20+33.4+(8～12)+2+12]m = 115.4～119.4 m。

2.3 新延安隧道

西延铁路新延安隧道位于延安市甘泉县至宝塔区之间黄土梁茆沟壑区，起讫里程DK273+756—DK289+756。隧道进口位于甘泉县劳山乡丰足村，出口位于宝塔区柳林镇杨家湾村。隧道全长16 km，设4座斜井、2座疏散通道。隧道主要为Ⅳ、Ⅴ级围岩，Ⅳ级围岩采用三台阶法、Ⅴ级围岩深埋段采用三台阶预留核心土法、Ⅴ级围岩浅埋段采用三台阶设临时仰拱法施工。

同样，根据相关规定，施工现场需有衬砌台车、长大仰拱栈桥、轻便弧形腹模、防水板铺设台车等施工装备，现场施工装备配备方案如图2所示。挖机、装载机、出渣车装渣作业区18 m，出渣车掉头、等待区16 m，栈桥总长41.5 m(含引桥)，防水板台架至栈桥间4 m范围作为仰拱钢筋运送、调度空间，防水板台车长12 m，防水板至二衬台车间5 m范围作为二衬钢筋运送、调度空间，二衬台车12 m。

图2 新延安隧道施工各工序装备配备方案(单位：cm)

衬砌作业空间总长度：[(8+8+3) +18+16+41.5+4+12+5+12]m =127.5 m。

仰拱初支封闭作业空间总长度为：[(8+8+3) +18+16+6.8+3]m =62.8 m。

2.4 新尚家沟隧道

西延高铁新尚家沟隧道位于延安市宝塔区，属南川河右岸黄土梁茆沟壑区，走向与南川河走向基本一致，隧道起讫里程DK290+390—DK291+840，长1 450 m，为单洞双线高铁隧道，最大埋深约130 m，最浅处拱部出露于地表。隧址区地层主要为第四系全新统填筑土、冲积砂质黄土、细角砾土、粗圆砾土，上更新统风积砂黄土、中更新统风积黏质黄土，下伏侏罗系下统页岩夹砂岩，隧道围岩主要为Ⅳ、Ⅴ级围岩，其中Ⅳ级围岩1 005 m、Ⅴ级围岩445 m。隧道进口方向采用机械开挖施工，开挖采用悬臂掘进机施工，锚喷支护采用湿喷机械手施工，拱架安装采用半自动多功能台架，仰拱施工采用“桥～模”一体自行式仰拱栈桥，防排水施工采用自行式防水板台架，拱墙衬砌施工采用框架式衬砌模板台车，自动喷淋养护台车，整体式沟槽模板台车。120号文件规定的施工安全步距不能满足机械配套工装施工要求。

2.5 西延高铁铜川至延安段

西延高铁铜川站(不含)至延安段正线线路长度208.616 km，其中新建线路长度203.547 km，利用既有包西线5.069 km，还建既有包西线线路长6.428 km。正线新建隧道长度161.394 km/43座，占新建线路长度的79.2%。

隧道主要以Ⅳ、Ⅴ级围岩为主，其中，Ⅲ级围岩占13.5%，Ⅳ级围岩约占58.9%，Ⅴ级围岩约占26.9%，Ⅵ级围岩约占 0.7%，Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级合计占比达 86.5%。

全线隧道掌子面围岩等级Ⅵ的地层主要为严重湿陷性黄土地段。

全线隧道掌子面围岩等级Ⅴ的地层主要分五类：①第四系覆盖层或第三系泥岩浅埋地段；②软塑状黄土地段；③岩层浅埋地段；④岩性分界(土层与岩层分界、不同时代岩层分界)地段；⑤断裂分布地段。

全线隧道掌子面围岩等级Ⅳ级情况下，地层主要分四类：①黄土深埋地段；②第三系泥岩深埋地段；③弱风化岩层(砂、页岩互层、夹层)深埋地段；④Ⅲ级、Ⅴ级围岩过渡地段。

全线隧道掌子面围岩等级Ⅲ的地层主要为弱风化厚层砂岩或灰岩深埋地段。

根据围岩情况，全线隧道施工分为一般机械化作业和大型机械化作业两大类。

Ⅴ级围岩采用一般机械化作业，其作业空间要求为：①采用三台阶法开挖，在工序安排比较紧凑的情况下，上台阶长5 m，中台阶长为5 m，下台阶5 m，台阶合计总长15 m；②出渣及车辆调头作业区20 m；③仰拱开挖支护及栈桥前后搭板占用约42 m；④防水板挂布台车6 m、衬砌钢筋台车6 m，中间间距考虑3 m，防水板台车与仰拱栈桥之间应保留一定的距离(5 m)，共计20 m；⑤考虑到防水板的铺设应超前二次衬砌混凝土施工1～2个衬砌长度(12～24 m)。计算作业空间长度：(15+20+42+20+12)m =109 m，见图3。

图3 隧道一般机械化作业空间布局

Ⅳ级围岩采用大型机械化作业，其作业空间要求为：①悬臂掘进机开挖上台阶长度为53 m、下台阶长度为30 m，共83 m(含装渣作业区长度)；②栈桥总长41.5 m(含引桥)；③防水板台架至栈桥间12 m范围作为仰拱钢筋运送、调度空间；④防水板台车作业长度14 m；⑤二衬台车作业长度14 m。衬砌作业空间总长度：(53+30+7+30+12+14+14)m =160 m；仰拱初支封闭作业空间总长度：(53+30+7)m =90 m，如图4所示。

图4 隧道大型机械化作业空间布局

2.6 西康铁路

西安至安康高速铁路位于陕西省南部，北接西安至延安高铁，南接安康至重庆高铁。新建线路全长178.118 km(含西安东站西康高速场及延伸段7.192 km)，其中西安市境内39.627 km，商洛市境内83.645 km，安康市境内54.846 km。西康铁路中隧道工程总计141.911 km/20座，占线路总长度的83.1%，秦岭太兴山隧道进口为两座单洞单线隧道，出口为单洞双线隧道；其余隧道均按单洞双线隧道设计。沿线各施工标段隧道地质概况见表1所示。

表1 西康高铁沿线隧道地质概况

实行机械化配套施工的隧道有秦岭太兴山隧道、秦岭九天山隧道、林家山隧道和华家山隧道，所用主要机具为三臂凿岩台车、湿喷混凝土机械手、液压自行式仰拱栈桥、防水板作业台车、二次衬砌钢筋台车和智能化衬砌台车等，一般机械化作业如图5所示，大型机械化作业现场布置同图4。

图5 一般机械化作业现场布设(单位：cm)

3 安全步距调整案例

根据隧道的工程地质、水文地质和现场的实际施工组织情况，本着实事求是、既要保安全质量又要保工期进度，同时兼顾企业经济效益的原则，经设计院、施工企业、监理单位和建设方认真讨论，以及专家反复论证，部分高铁隧道的施工安全步距做了调整(具体如表2～表8所示)，并付诸实施，效果良好，可供今后工程实践参考。步距调整真正体现了“动态设计、动态调整、动态施工”的隧道施工理念。

表2 Ⅵ级围岩施工安全步距调整实例

表3 Ⅴ级围岩施工安全步距调整实例

表4 Ⅳ级围岩施工安全步距调整实例

表5 Ⅲ级围岩施工安全步距调整实例

表6 Ⅱ级围岩施工安全步距调整实例

表7 辅助坑道施工安全步距调整实例

表8 附加说明

4 结束语

与地面房屋、桥梁等明结构不同，隧道和地下工程是暗结构，属于灰色系统，很多因素是模糊的、不确定的，每座隧道的工程地质、水文地质和工程环境都不一样。修建高铁隧道的目的是为高速列车提供安全稳定的通道，从这个意义上讲，不管采用哪种建造方法，只要能提供安全稳定的隧道结构就应该是正确的。新奥法的原理是隧道开挖后及时施作一层与围岩密贴的柔性锚喷支护，使支护与围岩共同组成承载环，充分发挥围岩的自承能力，支护与围岩共同承载、共同变形(有限变形)，通过监控量测，判定洞室的稳定性，洞室稳定后施作二次衬砌。所以，隧道施工安全步距，本质上是隧道开挖后初期支护封闭成环越早越好(即及时施作)，二次衬砌施作应根据现场监控量测结果来确定。但因种种原因，现实中的施工质量和监控量测与反馈还存在着一些问题，使得理论与实际在现实情况下不一定能完全一致，所以要制定一些规定、提出一些措施，强制性地使实际接近理论，实现安全施工，这也是原铁道部出台120号文件的缘由。经过近几年的工程实践，高速铁路隧道机械化施工安全步距大致上是这样的范围：Ⅳ级围岩仰拱初期支护封闭成环距掌子面距离60～90 m，Ⅴ级围岩仰拱初期支护封闭成环距掌子面距离35～50 m，二次衬砌距掌子面距离约为初期支护安全步距+80 m。也就是说，120号文件的精神在现实高铁隧道的设计和施工中仍有指导意义，不同的隧道根据其不同的工程和水文地质条件，其安全施工步距，通过借鉴成功案例，经建设、设计、施工、监理多方会商和专家论证，可以做适当调整。