軟弱圍巖隧道短臺階法開挖工法研究

袁藝杰（成都暢達通檢測技術股份有限公司，四川 成都 610000）

軟弱圍巖是指工程環境中能產生顯著塑性變形的巖體。其地質特性是軟弱、松散、破碎、濕潤、風化等。該類圍巖工程性質軟弱，極易導致隧道施工意外事故的發生，所以軟弱圍巖是隧道進口施工的重難點所在。短臺階法是新奧法施工中的一種開挖方法，開挖時使上下臺階與掌子面的間距小于1 倍洞徑，斷面閉合較快，充分保護圍巖，并能利用圍巖的自穩能力。

嚴啟斌、許長青結合武廣客運專線坪嶺隧道工程，介紹了 IV、V 級圍巖采用短臺階七步平行流水作業法開挖的施工工藝，歸納了短臺階法的技術特點和工藝流程[1]。雷丙超分析了蒙華鐵路 MHTJ-5 標坪橋 1 號隧道施工的實踐，總結了在軟弱地質條件下，借助機械化進行隧道短臺階法開挖的工藝流程、操作要點，為今后類似工程施工提供借鑒[2]。張運良、路平、王昌勝依托炎汝高速公路花子坳隧道施工實例，利用數值模擬分析，實測結果表明：短臺階法施工效果良好，圍巖壓力及拱頂下沉、周邊收斂變形均在可控范圍內[3]。張永存、房辰澤以國道 309 線固原過境段公路九龍山隧道為例，研究后得出結論，采用超短臺階法可以避免初支噴層發生拉裂破壞，并且能夠有效解決上下斷面相距較近、機械設備較集中的問題[4]。

云南被譽為“天然地質博物館”，以上學者介紹隧道短臺階法時，并未涉及云南這類地質條件非常復雜的情況。本文主要針對云南玉磨鐵路 20 標勐遠隧道進口 DK 441＋840～DK 442＋997 施工段。該段圍巖為 V 級圍巖，地層巖性為泥巖夾砂巖，局部含方解石或石英，層理不發育，整體較濕潤。在隧道開挖支護過程中圍巖變差、巖體較破碎、穩定性及完整性變差，使得施工過程不連續，作業班組不穩定，施工進度緩慢，且施工過程中存在很大的安全隱患。為了防止發生初支變形開裂和圍巖收斂侵限而導致的換拱，也為了保證施工的安全和效益，從里程 DK 442＋187 開始，改為短臺階法施工，通過縮短上臺階的長度，每循環同時開挖上臺階與下臺階，充分利用隧道內的空間資源，各工序平行作業，即時封閉，大大縮短了循環時間和圍巖暴露時間，從而有效地控制了軟弱圍巖的變形收斂，保證了施工的連續性及安全性。

1 工程概況

云南玉磨鐵路 20 標勐遠隧道位于關累-勐遠區間，設計時速為 160 km/h 的單線鐵路隧道，隧道里程為 DK 441＋840～DK 444＋114，全程 2 274 m。以勐遠隧道進口為例，里程段為 DK 441＋840～DK 442＋977，隧道長度為 1 137.00 m，短臺階施工法開始上臺階里程為 DK 442＋187.8。隧道最大埋深 184.00 m，隧道洞內線路坡度為單面上坡，線路坡度按里程從小到大分別為 0.1%、0.8%。隧道除 DK 441＋840～DK 442＋034.17 段 194.17 m 位于半徑R=3 500.00 m 的右偏曲線上，其余地段均為直線。該區屬丘陵地貌，丘槽相間，地形波狀起伏，地面高程 650～900.00m，相對高差 50～250.00 m，自然橫坡∠10°～∠40°，局部較陡。掌子面照片如圖 1 所示。

圖1 掌子面照片

測區上覆第四系全新統沖洪積層（Q 4al+pl）粉質黏土、粗圓礫土、坡殘積層（Q 4dl+el）粉質黏土等；下伏基巖為二疊系龍潭組（P2l）泥巖、砂巖、頁巖夾炭質頁巖、煤線，石炭系中統（C2）灰巖、石炭系下統（C1）泥巖夾砂巖、炭質泥巖。地層巖性分述如表 1 所示。

表1 工程地質表

2 施工技術

2.1 施工方案

從 DK 442＋187～＋230 采用短臺階法開挖，具體施工方案為：掌子面臺車長 5.50 m，通過加快下臺階的施工進度，縮短上臺階的距離，使上臺階施工長度僅滿足臺車長度，且 ≤8.00 m，下臺階施工長度控制在 15～20.00 m，而后進行正常的短臺階法施工，每循環同時開挖上臺階和單側下臺階，當安全布局超出時，及時開挖仰拱，并完成仰拱的澆筑，及時跟進二襯的澆筑，盡早完成封閉，從而縮短支護閉合時間，改善初期支護的受力條件，更好地控制圍巖的變形。以此保證“弱爆破、短進尺、強支護、早封閉、勤量測”的原則。

2.2 施工流程

使用該工法每循環 3 次扒渣、2 次爆破、1 次噴漿，各作業面可以平行作業，效率高，干擾少，有效縮短了各工序銜接的時間，加快了施工進度。具體施工流程如圖 2 所示。

圖2 施工流程圖

2.3 施工操作要點

（1）上一循環噴錨結束后裝載機立即進入掌子面將臺車架子拖至仰拱端頭棧橋前，將濕噴機吊出，挖掘機立即進入掌子面清理拱腳及底板的虛渣和回彈料，為開挖班鉆孔作業做準備，保障鉆孔的位置，防止在鉆孔過程中碎渣堵孔。扒渣排險后，裝載機進入將臺車架推到掌子面；同時開挖班準備好風槍、風水管、鉆頭、鉆桿，在仰拱端頭待命，機械退出后，立即進入掌子面作業。

（2）采用上下臺階開挖，上臺階高度為 6.62 m，下臺階高度為 3.03 m。臺階的長度應在便于挖掘機快速扒渣及超前支護施作的前提下盡量縮短，減少扒渣距離，上臺階長度≤8.00 m。上臺階使用臺車架進行鉆孔作業，下臺階不使用臺車架。上臺階使用 6 把風槍鉆孔，下臺階左右各使用 2 把風槍，人員 8 人。開挖班鉆工定點、定眼，讓鉆工能盡快熟悉自己所在位置鉆孔的特點。鉆孔時根據圍巖情況適當調整周邊眼間距、數量、裝藥量，控制好超挖和欠挖，盡量不補炮。

（3）爆破后開始通風排煙，同時爆破員進入掌子面檢查是否存在瞎炮、殘炮、欠挖。若存在應立即處理，處理后挖掘機立即進入掌子面扒渣，將上臺階的渣扒到下臺階。

（4）上臺階扒渣快結束時，通知測量員進洞放線，同時通知立架班和裝載機司機，將拱架、鋼筋網、連接鋼筋等運輸到洞內等待。測量放線結束后，立架班立即進入掌子面上臺階立架，再將超前小導管、系統錨桿、鎖腳錨桿裝運到洞內，然后開始下臺階出渣。

（5）下臺階出渣完成時，上臺階鋼架安裝結束，此時進行下臺階測量放線，并開始下臺階鋼架安裝；上臺階同時開始超前小導管和系統錨桿的施工。下臺階測量員和立架班同時作業，下臺階測量不單獨占用時間。

（6）采用 2 臺濕噴機同時進行濕噴，混凝土由拌合站集中拌合，在監理與技術人員進洞報檢、拍攝隱蔽工程影像資料時，裝載機將濕噴機吊進掌子面，拌合站同時拌制混凝土運到現場，報檢結束后立即進行噴漿。

2.4 施工技術要求

（1）上臺階施工長度須≤8.00 m，下臺階施工長度控制在 15～20.00 m，施工示意圖如圖 3 所示。

圖3 短臺階法施工示意圖（m）

（2）下臺階開挖左右側必須錯開 3～5.00 m，嚴禁對稱開挖。

（3）拱架安裝前應清除鋼架底腳下的虛渣及雜物，保證鋼架置于穩固的地基上。拱架采用 I 18 鋼拱架，拱架間距為0.80 m，共分 A、B、C、D、E 5 個單元，每單元之間采用螺栓連接。B、C 單元接頭設置 50 cm×20 cm 鋼墊板，防止鋼架下沉。

（4）每榀鋼架之間采用Φ22 mm 縱向連接筋連接，應保證焊接牢固。

（5）超前支護采用Φ42 mm 超前小導管，每環 21根，每根長 3.00 m，縱向 1.60 m 每環，并用 M 20 水泥砂漿注漿。

（6）每榀拱架鋼架接頭處各設置 2 根Φ42 mm 的鎖腳錨管，每根長 4.50 m，并用 M 20 水泥砂漿注漿加固，每榀共計 16 根。

（7）邊墻采用Φ22 mm 砂漿錨桿，并注漿，每延米施作9 根，單根長 3.00 m，間距 1.20 m×1.00 m（環×縱）。

（8）網片采用Φ8 mm 鋼筋網片，網格間距 20 cm×20 cm。

（9）全環采用 C 25 噴射混凝土進行濕噴，厚度為 25 cm。

2.5 安全要求

（1）進洞人員必須佩戴安全帽、反光背心、口罩、手套等安全防護用品，嚴禁酒后作業、疲勞作業。

（2）在打眼后、每道工序工人進洞前，須進行有毒有害氣體檢測，通風機保持 24 h 通風。爆破后，須通風 20 min，方可讓工人進洞作業。

（3）嚴格執行火工品申領制度，未用完的火工品及時進行退庫。

（4）嚴格按照技術要求施作超前支護，嚴禁開挖進尺過大，使得超前支護失效。

（5）洞內電線須擺放整齊，隨時檢查破損情況，以便及時更換，防止漏電。

（6）臺車上嚴禁擺放雜物及小型機械，以防臺車移動時掉落。

（7）洞內應保持照明充足，鋼筋及小型機械不宜隨意擺放，保證作業的安全。

（8）裝載機、挖掘機、出渣車等大型機械作業時，無關人員應及時避讓。

（9）洞內應配備有效的滅火消防器材，隨時注意洞內的文明施工。

3 實際應用情況

3.1 對比分析

勐遠隧道進口里程 DK 442＋187 以前采用長臺階法施工，每循環開挖上臺階，當安全布局超出時開挖下臺階，加長下臺階的長度；當下臺階距離充足時，開挖仰拱，再澆筑二襯，完成封閉。以此工法施工，圍巖受工程地質特征與地下水影響極易產生變形。施工過程采用常規的施工開挖方法，依次施工，完成上下臺階初支需兩個循環，但循環總時間長，封閉慢，易造成圍巖收斂，使已開挖初期支護變形量過大，導致初支侵限，易發生初支變形開裂，則須換拱，造成額外的工程費用，作業班組也不穩定。這樣使施工進度緩慢，且施工過程中存在很大的安全隱患，月進尺僅 15～20.00 m。勐遠隧道進口自里程 DK 442＋187以后采用短臺階法施工，每循環同時開挖上臺階和單側下臺階，當安全布局超出時，下臺階長度充足，開挖仰拱，再澆筑二襯。短臺階開挖快速施工工藝充分利用了隧道內的空間資源，工序間平行作業，簡化施工工序，完成上下臺階初支僅一個循環，即時封閉，大大縮短了循環時間和圍巖暴露時間，從而有效地控制了軟弱圍巖的變形收斂，保證施工的連續性及安全性。自 2018 年 9 月 9 日開始使用短臺階法后，9 月進尺為 30.60 m，10 月為 40.40 m，施工進度及效益有了顯著的提高。里程 DK 442＋187～230 段，共計 43.00 m，僅用時 28 d 完成，且單循環最短時間為 14 h 20 min。個別循環時間如表 2 所示。

表2 循環時間表

勐遠進口短臺階現場圖如圖 4 所示。短臺階施工工法與傳統的隧道施工工法的主要區別在于施工組織方式不同。傳統的隧道施工工藝采用依次施工組織方式，即前一工序完工后才開始下一工序，一個工序緊接著一個工序，依次施工下去，直至完成全部施工工序。短臺階施工則要求盡可能采用流水施工組織方式，即幾個施工工序在同一時間、不同的空間上進行施工。例如：上臺階立架，下臺階出渣；上臺階打超前，下臺階立架。合理的工序安排與流水作業大大縮短了循環時間，是短臺階施工工藝的最核心特點。除施工組織方式不同外，短臺階快速施工工藝的另一個核心要求是工序銜接緊湊，實現“負交接、零銜接”。

圖4 勐遠進口短臺階現場圖

3.2 對比總結

玉磨鐵路項目中的勐遠隧道，地質結構復雜，圍巖軟弱破碎，技術難度大，工期非常緊張，且是國家要求的重點線路，質量要求高。在施工過程中，經過不斷分析總結，結合“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、緊封閉、勤量測”的軟弱圍巖施工 18 字方針，不斷完善短臺階開挖施工工藝。自采用短臺階開挖施工工藝以來，掌子面自穩能力得到了明顯提高，施工作業人員的安全得到了有效保障，圍巖收斂變形速率由單日 15 mm 減少到單日 ＜5 mm，對圍巖的收斂變形起到了有效控制。同時，工序循環時間逐步得到壓縮，由之前的上下臺階分兩個循環施工共 25～30 h，縮短為單個循環同時開挖上下臺階共 15～20 h，最快的循環時間為 14 h 20 min，月進尺由之前的每月 15～20.00 m 提高到30～40.00 m，為隧道按期貫通提供了有效的保障。

4 結 語

玉磨鐵路勐遠隧道進口 DK 442＋187～230 段短臺階開挖工法的成功實施，為類似軟弱圍巖情況下使用短臺階開挖，做了很好的推廣。該工法還可根據實際情況調整上臺階長度，改為超短臺階，在類似較差圍巖條件下，相比長臺階法，效率高，封閉早，安全性、可靠性較高。在經濟效益、社會效益上相比其他開挖工法，有明顯的優勢。