铁路单线小断面隧道微台阶施工技术

铁路单线小断面隧道微台阶施工技术

张亚海

张亚海

（中铁十六局集团第五工程有限公司）

【摘要】随着我国铁路工程技术的发展提高，工程设计理念进一步趋向于实用性和经济性，尽量的控制施工成本，铁路隧道在满足其功能使用性的前提下，控制开挖断面面积，减少成本浪费。隧道传统施工工艺受隧道断面变小的影响，需根据实际情况调整适应。本文以我蒙华铁路崤山隧道施工为背景，对软弱围岩微台阶法施工进行研究，实现了工序衔接紧密，施工循环较快，且能确保安全质量。

【关键词】铁路；微台阶；单线隧道

1．工程概况

蒙华铁路北起内蒙古自治区鄂尔多斯境内浩勒报吉南站，终至京九铁路吉安站，线路全长1814.41km。MHSS-4标段崤山隧道位于河南省三门峡市下辖灵宝市寺河乡及卢氏县官道口镇境内为两条单线隧道，左线隧道全长22751m，右线隧道全长22771m；隧道最大埋深约为750m。隧道地质构造及水文地质条件复杂，属控制性重点隧道工程。

2．工程特点

蒙华铁路崤山隧道为左右线分离单线隧道，线路长、施工任务重，且因隧道断面较小（最大开挖断面Ⅴc段：宽709cm、高902cm），施工组织困难。特别是IV、V级围岩地段，传统台阶法施工工艺在单线隧道台阶法施工中，由于断面横幅较窄，受施工空间限制，各工序间干扰大，难以实现上、下台阶同时施工，往往是先开挖支护上台阶，在达到安全步距后停止上台阶掘进，开挖支护下台阶，跟进仰拱。大大降低了施工效率，影响整体施工进度，由于仰拱无法及时跟进封闭成环，也对隧道施工造成了安全隐患。

为了提高软弱围岩单线隧道的开挖施工效率，确实施工质量和安全，在崤山隧道的施工过程中，经摸索研究对“微台阶施工工法”作出了合理的改进以适用于现场实际施工，提高工作效率，减少工期压力。

3．单线小断面微台阶施工工艺

结合现场施工断面，对传统台阶法进行了优化改良，从上下台阶长度、开挖台架、人员和机械配套等方面进行了研究，以适用于现场实际施工，提高工作效率，确保安全质量。

3.1开挖台阶长度、高度确定

经改良研究后，隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩采用微台阶法开挖，台阶长度设为5～6m，上台阶开挖高度为5.5m，下台阶开挖高度约为3.5m，可同时满足上台阶钻爆支护作业空间的要求和挖掘机清碴作业伸臂长度限制的要求。

3.2微台阶法施工台架的设计及加工

与普通钻爆台架相比，微台阶法施工的钻爆台架要求重量要更轻，灵活便于移动。经现场研究将传统开挖台架分为左、右两部分分别加工，施工时将两个小台架采用挖掘机吊入上台阶后，然后再采用螺栓将左右拼装牢固便可使用。

开挖台架采用Φ108钢管或者空心钢焊接，站人的地方使用钢筋网片平铺，每个台架总体重量控制在0.8t左右，以便于使用挖掘机拖动。台架的顶板下方使用工字钢或槽钢做一个矩形架，大小以可以容纳下挖掘机铲斗为准，爆破前台架移动时使用挖掘机铲斗顶起台架来拖动台架至安全位置。

3.3微台阶法开挖专项爆破设计与爆破作业要点

3.3.1Ⅳ级围岩每循环开挖进尺1.2～2.4m，Ⅴ级围岩每循环开挖进尺1～2m（视围岩情况确定进尺一榀或两榀钢架）。上台阶拱脚处因夹持作用容易产生超欠挖现象，施工中适当加密周边眼。

3.3.2钻眼时严格按照爆破设计布孔，提前安排测量放线，上台阶拱脚处周边眼按设计加密布置，控制在25～35cm之间，其他周边眼间距40cm，底板眼间距35cm，掏槽采用斜眼掏槽。

3.3.3为控制超欠挖，严格按爆破设计装药，周边眼采用φ20小直径药卷间隔装药，采用导爆索装药结构，用竹片和导爆索连接，在炮孔底装半卷φ32药卷做加强药包。其它炮孔均采用φ32药卷，连续装药。装药后用黄泥对炮孔进行堵塞，炮眼堵塞长度不少于30cm，炮泥采用炮泥机生产。周边眼单孔装药量g=0.6kg

单孔光面爆破经验装药量计算公式：g=(E+W)×L×10

式中：g——单孔装药量；

E——孔距；

W——抵抗线；

Rb——岩石抗压强度Mpa。

装药集中度：q=g/L=(E+W)×10(g/m)

3.3.4起爆顺序为掏槽眼→辅助眼→周边眼→底板眼，底板眼装药量适当加大，容易抛碴。

3.4微台阶法施工工艺流程

3.4.1施工方法及步骤

A.按设计要求施作超前支护，并完成注浆。

B.在上一循环的超前支护防护下，弱爆破开挖①部台阶，及时施作①部台阶周边的初期支护：初喷混凝土、架立钢架（设锁脚锚杆或锚管），钻设径向锚杆，并铺设钢筋网后复喷混凝土至设计厚度。

C.弱爆破开挖②部台阶，施作边境初期支护：初喷混凝土，接长钢架,钻设径向锚杆，并铺设钢筋网后复喷混凝土至设计厚度。

D.弱爆破开挖③部台阶，施作边境初期支护：初喷混凝土，接长钢架,钻设径向锚杆，并铺设钢筋网后复喷混凝土至设计厚度。

E．弱爆破开挖④部，施作隧道喷混凝土及钢架。

F．灌筑V部仰拱与边墙基础混凝土。

G．待仰拱混凝土初凝后，灌筑仰拱填充VI部至设计高度。

H．根据监控量测结果分析，确定二次模筑衬砌施作时机，拆除临时横撑，利用衬砌模板台车一次性灌筑VII部（拱墙）衬砌。

微台阶施工工艺示意图见图-2。

3.4.2开挖方法

工程地质状况对爆破的效果影响极大，在施工过程中，认真研究工程地质情况，合理确定爆破参数，并根据实际情况，不断合理优化。

针对本隧道正洞均为V级围岩浅埋岩层，围岩软弱特点，施工应以控制变形为重点，采用微台阶法开挖。隧道开挖为减少超挖，避免欠挖和减弱对围岩扰动，提高开挖质量，确保施工安全,隧道按“管超前、弱爆破、短进尺、强支护、勤量测”的原则，采用台阶法组织施工。由于隧道围岩软弱，且浅埋，为最大限度地减小对周边围岩的扰动和破坏，保证隧道开挖线形，开挖掘进时应采用机械配合弱爆破法施工，松软部分采用机械开挖，机械难以开挖时，根据实际情况，弱爆松动后，再采用机械修整成型。

3.5施工注意事项

使用微台阶法施工时，上下台阶平行作业，为了防止下台阶开挖后上一循环上台阶已施作的初期支护发生掉拱现象，锁脚锚杆及系统锚杆必须严格按照设计施工。同时，上台阶必须保证至少有一榀钢架在下台阶开挖后不形成悬空，这也是确保本工法能顺利实施的关键。如果出现围岩松散或有夹层断层等超挖过大，必须马上通知现场技术人员查看并调整下台阶的开挖进尺确保安全。具体要求如下：

A.钢架之间纵向连接钢筋应及时施作并连接牢固，工序变化处之钢架应设锁脚锚杆（管），以确保钢架基础稳定，防止下台阶开挖发生塌方。

B.台阶高度根据施工机具、人员等安排进行调整，各步台阶开挖长度不宜过长,条件变化时酌情缩短或延长台阶长度。

C.复合式衬砌段在施工时，须按有关规范及参考图的要求，进行监控量测，根据监控量测的结果进行分析，确定浇筑二次衬砌的时机及调整支护参数。

D.当钢架拱脚下沉或内移时，可以加大I18横向支撑的矢高，并在拱脚增设斜撑。

E.如初期支护拱顶变形量较大，必要时可参照CRD法增加临时竖撑，以确保施工安全。

F.确保仰拱至开挖面距离不大于30m，及时封闭成环。

3.6人员机械配置

小松PC160挖掘机1台、ZL50侧卸装载机1台、风钻12台、自卸汽车3辆、湿喷机械手1台。开挖班组20人，立架班组12人，喷砼班组5人。

4．工法优缺点

4.1优点

4.1.1施工进度快：上、下台阶同时施工，工作面多，循环作业时间短，各工序紧凑，进度有保证。

4.1.2安全系数高：使用此工法因为前面台阶长度较短，下台阶距仰拱距离很近，能确保仰拱及时跟进施工，保证了隧道施工的安全步距，同时掌子面遇到特殊情况或围岩变化能迅速调整工法。

4.1.3台架灵活牢固，可以直接使用挖掘机来进行台架的移动，快速迅捷。

4.2缺点

4.2.1由于单线隧道作业空间小，需配置性能较好的小型机械设备。

4.2.2由于上、下台阶同时施工，各工序紧密衔接，对施工现场的管理水平及技术能力水平要求非常高，每道工序均需按时保质完成，否则就会影响下道工序的正常进行。

结论

单线小断面隧道采用微台阶开挖工艺施工，由于上台阶使用轻型钻爆台架便于移动，下台阶因为开挖高度较低可不使用台架，实现了上、下台阶平行作业施工，提高了工作效率。同时因为台阶长度较短，整体工作面紧凑，可以确保隧道施工安全。微台阶开挖工艺技术条件要求不高，投入不大，工序循环快、安全质量有保证，在单线隧道等小断面隧道施工中值的大力推广。

参考文献：

[1]《铁路隧道工程施工技术指南》TZ204-2008；

[2]《铁路隧道工程施工质量验收标准》TB10417-2003；