高铁隧道软弱围岩微台阶法快速施工技术

摘 要：以新建重庆至万州高速铁路刘家湾隧道为研究背景，在软弱围岩地段推行微台阶法施工技术，将常规的三台阶法开挖台架与两台阶法开挖台架设计为一体，设计出微台阶开挖初支一体台架。微台阶法具有良好的施工灵活性，在保证了施工安全的前提下，大大提高了施工效率，并节约了成本，适用于软弱围岩地段的施工。

关键词：软弱围岩；微台阶法；微台阶开挖初支一体台架

0引言

高铁隧道施工中，针对软弱围岩采用较多的施工工法为三台阶法。相比四步CD法、六部CRD法、双侧壁导坑法，三台阶法适用性更强、速度更快、成本更低。但随着隧道施工技术的发展与进步，常规的三台阶法也显示出很多不足，主要体现在施工空间狭小、交叉作业干扰大、施工灵活性差等方面。

在新建重庆至万州高速铁路建设中，积极推行软弱围岩微台阶法快速施工技术，在保留了三台阶法优点的同时，克服其固有的缺点，在实际施工作业中不仅能确保施工安全，还节约施工成本，大大提高了施工效率。

1工程概况

新建重庆至万州高速铁路刘家湾隧道，为单洞双线隧道。设计时速350 km/h，线间距5 m，加宽值为0。洞身衬砌净空断面半径为6.65 m，最大高度为9.61 m，最大宽度为13.3 m，全隧铺设CRTS型双块式无存轨道。隧道全长1 595 m，其中明洞45 m，占全隧2.82%。Ⅲ级围岩170 m，占全隧10.65%，Ⅳ级围岩730 m，占全隧45.76%，V级围岩623 m，占全隧39.05%，最大埋深153 m。

测区覆盖层为第四系全新统人工弃土（Q4ml）、坡残积（Q4dl+el）黏性土；下伏基岩为基岩为侏罗系下统自流井组（J1-2z）、珍珠冲组（J1z）泥岩夹砂岩；三叠系上统须家河组（T3xj）砂岩夹页岩及煤层煤线，中统雷口坡组（T2l）页岩夹泥灰岩、灰岩，下统嘉陵江组二、三、四段（T1j2、T1j3、T1j4）灰岩、灰质白云岩、角砾岩地层。隧道不良工程地质问题有岩溶、煤层瓦斯及有害气体，特殊岩土为盐溶角砾岩。

该隧道以Ⅳ级、V级居多，围岩强度及承载力较低，岩质较软，遇水力学性质易恶化。该隧道Ⅳ级采用台阶法施工，V级围岩采用三台阶法施工。Ⅳ级与V级围岩交替变化，施工工法切换频繁。

2施工技术方案

2.1 开挖初支一体台架设计方案

将常规的三台阶法开挖台架与两台阶法开挖台架进行有效结合，在两台阶法开挖台架的架构基础上，台车上部前端悬挑出4 m平台，用于上台阶开挖支护作业。整个台架主体架构采用I18工字钢组拼焊接而成，其中门架双拼I18工字钢内布设通风管道及供水管道；各层作业平台铺设Φ12钢筋网片，临边防护采用Φ50钢管栏杆，各层平台上下之间采用∠75角钢作爬梯。台架走行方式为轮胎式，利用装载机进行拖动定位。微台阶一体台架设计图中，台架正视图如图1所示，台架侧视图如图2所示，台架俯视图如图3所示。开挖初支一体台架主要性能指标如表1所示。

2.2 总体施工方法及工艺流程

刘家湾隧道采用钻爆法施工，以新奥法理论指导施工。根据本隧围岩特性及围岩级别变化特点，全隧采用微台阶施工方法，Ⅲ级、Ⅳ级循环进尺不大于3 m、Ⅴ级围岩循环进尺不大于1.2 m。采用锥型掏槽，按设计开挖轮廓线布置周边炮眼，间距为45～55 cm，辅助眼间距为60～80 cm。采用YT-28型气腿式凿岩机进行钻孔作业，采用煤矿许用炸药及煤矿许用雷管通过分段毫秒微差爆破。开挖初支施工流程如图4所示。

2.3 微台阶施工工法

微台阶施工工法在保留三台阶施工工法的基础上，最大程度地缩短了上台阶长度（上台阶长度为3 m），利用开挖初支一体台架同步完成上台阶与中台阶的爆破钻孔施工，台架整体后移至安全距离，实施爆破。爆破完成后，挖掘机同步将上台阶及中台阶上的洞渣清理完成。对上台阶及中台阶洞周进行排危，台架再次就位，同步完成上台阶与中台阶的初支施工。微台阶施工工法作业工序布置如图5所示。

2.4 微台阶法爆破施工

刘家湾隧道主要以软弱围岩为主，按照三台阶法进行爆破设计，每级台阶设置掏槽眼、辅助眼、周边眼、底板眼，炮眼均采用空气间隔柱状装药结构。上台阶与中台阶同步进行钻孔及爆破作业，上台阶拱部钻孔装药，作业工人利用开挖初支一体台架前悬挑平台。上台阶底部钻孔装药，作业工人直接站在上台阶平台上。

为保证上台阶与中台阶交叉作业安全，中台阶至上台阶设置专用上下爬梯，并在上台阶平台与台架之间安装活动平台。隧道爆破作业炮孔布置及钻工站位布置平面图如图6所示，微台阶法爆破钻孔布置及钻工站位布置纵断面图如图7所示。

2.5 微台阶法出渣及初支施工

隧道爆破完成后，上、中台阶洞渣堆积在一起，采用挖掘机、装载机及自卸车先将中台阶平台上的洞渣装运完成，然后利用挖掘机将上台阶平台上的洞渣清理至中台阶平台上。因上台阶长度较短，其平台上的洞渣在挖掘机挖斗的作业半径范围内，为此可有效利用微台阶的优势，实现洞渣的快速清理。微台阶法爆破出渣示意图如图8所示。

隧道初支施工同样采用开挖初支一體台架，与爆破钻孔作业类似，实现上、中台阶的同步施工。

3优势分析

3.1 避免工法转换

传统隧道施工中，特别是软弱围岩段落较多的隧道，施工工法在三台阶法与台阶法之间转换频繁，经常需要配制两副开挖台架进行施工，工序转换作业繁琐，对现场的施工组织干扰严重。如果在该类型隧道中，全隧从始至终采用微台阶一种工法进行施工，则可适用各类围岩级别作业，不需频繁转化工法，有效地避免了常规软弱围岩隧道施工中工法转换的弊端。

3.2 提高施工效率

微台阶法施工时上台阶与中台阶同步作业，与常规的三台阶法相比，作业人员、机械设备、物资材料集中，利用率较高。由于没有了中台阶至上台阶的坡道影响，中台阶整个断面可单次施工完成，避免了后续二次爆破开挖。爆破完成后，上、中台阶的洞渣装运可同步连续作业，出渣效率大大提高。微台阶法施工与常规的两台阶法相比，工效基本一致。

通过刘家湾隧道多个施工循环的统计数据分析可知，采用微台阶法施工，Ⅳ级围岩每循环进尺3 m，平均用时18 h；Ⅴ级围岩每循环进尺1.2 m，平均用时15 h。与常规工法施工，微台阶法施工体现出了较明显的优势。

3.3 作业空间优越

微台阶法严格来说仍然属于三台阶法，但其作业形式及作业流程与台阶法基本没有差别。与传统的三台阶法相比，因为上台阶长度的极限压缩，隧道作业空间明显变大，视线更加宽阔，更利于開挖初支施工。同时中台阶紧跟上台阶掘进，为下台阶及仰拱的及时跟进提供了便利条件，使隧道整个作业空间得到了优化。

3.4 台架材料节约

微台阶法巧妙地在常规两台阶法开挖台架的前段增加悬挑平台，将常规的三台阶法开挖台架与两台阶法开挖台架有机融合为一体，大大节省了台架材料。通过计算可知，微台阶开挖初支一体台架总质量约7 t，而常规的三台阶法开挖台架与两台阶法开挖台架合计总质量约10 t，可节约型材约3 t。

3.5 提高施工质量

微台阶法对隧道质量的提高主要体现在爆破开挖质量与喷射混凝土质量两方面。

3.5.1 提高爆破开挖质量

常规的三台阶法施工，上台阶空间狭小，气腿式凿岩机站位困难，导致部分炮眼打设不到位。而常规的台阶法施工，因掌子面断面高度较高，中部无作业平台，导致门架中心部位上部无法搭设炮眼。因此常规的两种工法均存在爆破炮孔打设质量不佳的情况。而采用微台阶开挖初支一体台架，除台车本身提供的作业平台外，上台阶本身的短平台也能够作业，这样整个掌子面爆破炮孔可以均匀布设，有效提高了爆破质量。

3.5.2 提高喷射混凝土质量

隧道初支喷射混凝土普遍采用湿喷机械手施工，该设备体积较大，喷射混凝土时机械臂需要较大的操作空间。常规的三台阶法上台阶部位因为空间的局限，导致湿喷机械手无法伸展，喷射混凝土的平整度效果不佳，且钢架背后脱空问题较普遍。而微台阶法因具有较宽敞的作业空间，很好地解决了这个问题。

4结束语

微台阶法在高铁隧道软弱围岩的施工中比较实用，通过在新建重庆至万州高速铁路刘家湾隧道中的实际应用，证明了其优越性。与常规的施工工法相比，微台阶法有效地克服了长期以来存在的难题，为以后同类型隧道施工提供了借鉴。

收稿日期：2023-11-20

作者简介：刘少林（1989—），男，河北张家口人，本科，工程师，研究方向：隧道方向。