铁路隧道微台阶开挖技术

董壹　堡　铁路隧道微台阶开挖技术　潘汝江　中铁建工集团路桥工程有限公司　北京　１０００７０　擅翼：依托吉林省四平市伊通隧道工程实例，分析了铁路隧道微台阶法施工方案、施工工序、社会和经济效益。介绍了　微台阶法的工法原理，并比较了常规台阶法存在的问题及微台阶工法的技术特点。工程实践表明。微台阶法相对于其他　台阶法，缩短了仰拱与掌子面的距离，有利于结构的稳定，减少了下台阶施工受上台阶出碴的影响。从而缩短了工程施　工的循环周期。　关ｔ诩：隧道施工；微台阶法；开挖技术；悬臂拼装式多功能台架　中圈分类号：ＴＵ９４　１　文献标志码：Ａ　ＤＯｌ：１０．１４１４４／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｚｓｇ．２０１７．０７．０５６　Ｍｉｃｒｏ。。Ｓｔｅｐ　Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏ￣ｆｏｒ　Ｒａｉｌｗａｙ￣，－－ｅｌ　ＰＡＮ　Ｒｕｊｉａｎｇ　ＣＲＣＥＧ　Ｒｏａｄ＆Ｂｒｉｄｇｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００７０，Ｃｈｉｎａ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｙｉｔｏｎｇ　ｔｕｎｎｅｌ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｉｎ　Ｓｉｐｉｎｇ　ｃｉｔｙ，Ｊｉｌｉｎ　ｐｒｏｖｉｎｃｅ　ａｓ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｓｃｈｅｍｅ，　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ。ｓｏｃｉａＩ　ａｎｄ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ｂｅｎｅｆｉｔｓ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏ—ｓｔｅｐ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｒａｉｌｗａｙ　ｔｕｎｎｅＩ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ａｎａｌｙｚｅｄ．　Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏ—ｓｔｅｐ　ｍｅｔｈｏｄ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａＩ　ｓｔｅｐ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏ－ｓｔｅｐ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏ—ｓｔｅｐ　ｍｅｔｈｏｄ，ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｔｏ　ｏｔｈｅｒ　ｓｔｅｐ　ｍｅｔｈｏｄｓ，ｈａｓ　ｓｈｏｒｔｅｎｅｄ　ｔｈｅ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｄ　ａｒｃｈ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｕｎｎｅＩ　ｆａｃｅ。ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｃｏｎｄｕｃｉｖｅ　ｔＯ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａＩ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｒｅｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　ｕｐｐｅｒ　ｓｔｅｐ　ｍｕｃｋ　ｒｅｍｏｖａＩ　ｏｎ　Ｉｏｗｅｒ　ｓｔｅｐ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ＳＯ　ａｓ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｃｙｃｌｅ　ｐｅｒｉｏｄ　ｏｆ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｕｎｎｅｌ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ｍｉｃｒｏ－ｓｔｅｐ　ｍｅｔｈｏｄ；ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　ａｓｓｅｍｂｌｙ　ｔｙｐｅ　ｍｕｌｔｉ—－ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　山岭隧道施工方法以钻爆法为主，钻爆法施工包括开　挖和支护２大主要环节。常用的开挖方法有全断面法、台　阶法、双（单）侧壁导坑法、环形开挖留核心土法、ＣＤ法　（中隔壁法）、ＣＲＤ法（交叉中隔壁法）等【ｌ】。台阶法由于　在控制掌子面稳定方面具有显著效果，因而被广泛应用于　软弱围岩隧道施工中。　台阶法开挖虽然有利于开挖面的稳定，但上、下部作　业有干扰。长台阶施工时，隧道初期支护受台阶影响，不　能尽快封闭成环，二次衬砌跟进也不能保证及时，不利于　围岩稳定。上、下台阶开挖步距越长，相互干扰越小，对　巢万里等【２　（２０１０）结合梅关隧道工程实例，分析了　隧道微台阶法施工时，初期支护、二次衬砌和隧道围岩的　应变、应力及位移变化规律；刘刚［３　（２０１２）分析了微台阶　施工的技术特点、工艺原理、施工工艺流程及操作要点；　马辉等　（２０１２）在贵广铁路平寨隧道施工中，采用精细爆　破技术和多功能台架开挖方法，将台阶长度控制到一半洞　径，实现了微台阶开挖；秦伟　】（２０１５）依托德上高速怀玉　山隧道工程实例，介绍了采用微台阶开挖施工工法及技术　措施；陈仁超【６　（２０１６）基于贵广铁路平寨隧道施工，研　究了铁路隧道软弱围岩在满足安全步距的情况下，采用长　３～５　ｍ微台阶开挖快速施工技术。本文依托伊通隧道工程　于施工而言越便利，但过长的台阶不利于围岩稳定；上、　下台阶开挖步距越短，相互干扰越大，对于施工而言越不　实例，从工法原理、技术特点等角度，探究微台阶法的施　工方案、工序、技术要点等问题。　便利，却有利于围岩稳定。微台阶法将上、下台阶步距缩　小到可以同步开挖，可有效减少上、下台阶施工的相互干　扰；同时，上、下台阶步距的显著减小，使得支护和衬砌　能够及时紧跟，可以尽快封闭成环，有利于围岩稳定。　１　工法原理　微台阶法是由台阶法和全断面开挖法相互衍化而来　的，是实现了全断面开挖的台阶法。微台阶法的基本原理　是：缩短常规台阶法的台阶长度，短至可以利用一个特殊　设计的台架来实现全断面开挖，即上、下台阶同时开挖。　微台阶法施工时，由于上、下台阶可同时钻眼、装药、　起爆、出碴，因而各工序之间衔接紧密，缩短了隧道开　■擅■Ｔ．■３９卷．■７■－　７＿　｜ｌ　ｌ潘汝江：　铁路隧道微台阶开挖技术　工循环时间更短。　３）微台阶法由于台阶的缩短，保证了仰拱与掌子面的　挖流水作业时间；上、下台阶同时开挖后，可紧跟掌子面　进行架设钢拱架、喷射混凝土等施工，形成初期支护，进　而尽早施工仰拱，使得初期支护尽早封闭成环；由于近似　于全断面推进，故二次衬砌有了实施的空间，也可紧跟初　安全步距，同时减少了多次爆破对围岩的扰动，因此，可　以有效提高施工的安全性。　期支护实施，将隧道开挖步距控制在安全范围内。由于隧　道开挖步距过长时容易引起围岩失稳，因此原铁道部对隧　３　工程实例分析　３．１　工程概况　伊通隧道位于吉林省四平市伊通县境内，起讫里程　道开挖步距作出了严格的限定，常规台阶法为了减少上、　下台阶施工的相互干扰，往往难以控制隧道开挖步距以满　足要求。微台阶法巧妙地解决了隧道开挖步距控制与上、　下台阶施工相互干扰之间的矛盾，同时满足了施工安全与　施工进度要求。微台阶法上、下两台阶步距微小，小至　３～５　ＦＦＩ；上、下断面同时打眼、爆破，再利用挖掘机或其　他扒碴设备，将上断面爆破的碴体扒到下断面，然后上、　下断面同时进行出碴。　２　技术特点　２．１　常规台阶法存在的问题　开挖过程中发生坍塌是隧道工程施工中常见的工程事　故，往往造成人员伤亡和重大经济损失。如何避免和减少　隧道工程施工出现坍塌事故，一直广受业内人士关注。工　程实践经验及科研成果表明，隧道发生坍塌的根本原因是　围岩失稳，而围岩失稳的主要原因是隧道开挖后支护不及　时，主要体现在初期支护不能紧跟掌子面尽早封闭成环，　或二次衬砌不能紧跟初期支护，不能尽早控制围岩失稳。　全断面开挖时，初期支护和二次衬砌尚可紧跟掌子面，保　持围岩稳定；而在采用台阶法施工时，由于下台阶的空间　限制，初期支护不能尽早封闭成环，故二次衬砌也不能紧　跟施工。在采用长台阶法施工时，这种情况尤为显著，常　常导致围岩失稳、隧道坍塌。为了保障铁路隧道施工安　全，ＴＢ　１０３０４－－２００９《铁路隧道工程施工安全技术规程》　和原铁道部《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［２０１０１１２０号）　对仰拱与掌子面的距离作出了明确的限值。在满足上述文　件关于隧道开挖时仰拱与掌子面的距离限值的条件下，　上、下台阶步距小，施工相互干扰大，施工速度慢，难以　满足施工进度要求。　２．２微台阶工法特点　１）微台阶法通过减小台阶长度和特制的台架，实现了　上、下台阶的同时钻孔、装药、爆破、出碴，减少了爆破　对隧道围岩的扰动次数，减小了围岩扰动，提高了围岩稳　定性。　２）微台阶法上、下台阶同时出碴，避免了常规台阶　法中上台阶出碴对下台阶正常施工的影响。在下台阶出碴　时，上台阶可施作初期支护；下台阶施作初期支护时，上　台阶可钻孔装药。因此，微台阶法与常规台阶法相比，施　ＤＫ３２＋８２８￣ＤＫ３３＋３４３，全长５１５　ｍ。隧道进口为长１５　ｍ　明洞，中间为长４９０　ｍ的ｖ级加强及Ｖ级围岩特强复合式衬　砌，隧道出口为长１０　ｍ明洞，Ｖ级围岩段岩石以块状构造、　粗粒结构的花岗岩为主，岩体破碎，风化程度属于全风化　或强风化。伊通隧道于ＤＫ３２＋９６３处下穿抚长高速，隧道　拱顶至高速公路路面距离为９．４　ｍ，高速公路为双向四车　道，位于路堑段。伊通隧道下穿高速公路段的设计的工法　为弧形导坑预留核心土法，该工法适用于软勇马围岩地段，　开挖方式采用弱爆破或人工开挖，根据超前地质预报结合　进口段掌子面实际情况，下穿段需采用爆破开挖。　３．２施工方案　３．２．１施工工法选择　本工程隧道断面较小，在采用弧形导坑预留核心土法　的分部开挖时，一方面，其工序复杂，各工序之间相互干　扰，不利于机械和人员操作，施工速度缓慢；另一方面，　分部开挖的多次爆破对围岩扰动较大，对隧道安全不利。　综合考虑，决定将弧形导坑预留核心土法改为微台阶法。　３．２．２支护措施　隧道下穿抚长高速段为Ｖ级特强衬砌，Ｖ级围岩特强　衬砌采用了包括初期支护和二次衬砌组成的复合式衬砌，　同时采用了超前支护。初期支护采用“喷射混凝土＋钢　拱架”：喷射混凝土厚２９　ｃｍ，仰拱厚５５　ｃｍ；二次衬砌厚　５０　ｃｍ；钢拱架采用２２　工字钢，钢架间距为０．５　ｍ。超前支　护方式采用“大管棚＋小导管”：大管棚直径１５９　ｎｌｍ，环　向间距０．４　ｍ，要求搭接长度不小于３　ｍ；小导管长２５　ｍ，直　径４２ｍｍ。　３．２．３微台阶技术参数　本工程采用微台阶法开挖技术参数见图１。本工程将　隧道断面分为了上、下２个部分，上半部分高３．５　ｍ，下半　部分高６．２　ｍ；采用长３　１ＴＩ的微台阶法开挖。选择长３／１１的台　阶，可以采用长臂挖机同时进行出碴作业；而该台阶的长　度，也可以保证上台阶钻孔、装药的操作空间。　３．２．４悬臂拼装式多功能台架的设计加工　微台阶工法的特点之一就是上、下台阶同时开挖，进　而提高了施工效率，而实现上、下台阶同时开挖的关键，　就是悬臂拼装式多功能台架的设计。　悬臂拼装式多功能台架由常规的半断面开挖台架改装　潘汝江：　铁路隧道微台阶开挖技术　而成（图２）。为了保证台架的适用性，台架设计成可灵活　拼装、拆卸的结构。　（ａ）正立面　（ａ）开挖台架正立面　（ｂ）开挖台架侧立面　图２悬臂拼装式多功能台架结构示意（单位：ｃｍ）　３．３施工工序　图３为微台阶法开挖及支护作业工艺流程，图４为微台　阶法开挖爆破前后的工况。　图３微台阶法开挖及支护作业工艺流程　３．４效益分析　本工程将分部开挖改成微台阶法施工后，取得了明显　的社会和经济效益。　在社会效益方面，采用微台阶施工，有效提高了施工　安全性，满足了安全监管部门对隧道施工仰拱距离掌子面　的安全距离的要求。同时，隧道施工流程的改进、施工速　度的提高，为隧道安全文明施工提供了基础。　在经济效益方面，由于微台阶法各工序之间衔接紧　密，故有效避免了窝工现象，施工机械和人员利用率高，　４　Ｉｌ　ＩＦＦ…。　ｌ已作仰拱仰拱开挖　｜４　，台阶　Ｆ　———————　初期支护　图４微台阶法工况示意（单位：ｍ）　施工速度快。本隧道工程综合单价为５万元／延米，采用微　台阶法施工后，有效节约了施工人工和机械成本，同时每　月产值增加１００万元。　４　结语　１）伊通隧道为单线隧道，断面狭小，若采用弧形导坑　预留核心土法施工，则各工序间干扰较大，人员、机械操　作不便，进度缓慢，且多次爆破对周边围岩扰动较大，对　隧道安全不利。将弧形导坑预留核心土法改为微台阶法，　施工效果良好。　２）在满足原铁道部强制性规定的情况下，施工时上、　下台阶步距小，施工相互干扰大，施工速度慢。因此，常　规台阶法在满足上述强制性规定条件下，难以满足施工进　度要求。　３）微台阶法施工时，由于上、下台阶可同时钻眼、装　药、起爆、出碴，各工序之间衔接紧密，故缩短了隧道开　挖流水作业时间。上、下台阶同时开挖后，可紧跟掌子面　实施初期支护，并能尽早封闭成环，二次衬砌也可紧跟初　期支护实施，从而将隧道开挖步距控制在安全范围内。　☆☆参考文献☆☆　《中国公路学报》编辑部中国隧道工程学术研究综述・２０１５【Ｊ】．　中国公路学报，２０１５，２８（５）：１—６５．　巢万里，周利金，向俊宇．浅埋大跨度隧道微台阶法进洞力学响应与　工程运用【Ｊ］．公路工程，２０１０，３５（２）：８４—８８．　刘刚．浅谈软弱围岩隧道微台阶开挖施工技术　城市道桥与防　洪，２０１　２（７）：２８９—２９１，３０８．　马辉，李杰，左巧峰，等．基于精细爆破的隧道微台阶开挖工法与工　程应用［Ｊ】．铁道工程学报，２０１　２，１（１）：５７—６１，８２．　秦伟．隧道微台阶开挖施工方法的探讨　．价值工程，２０１　５（１　２）：　１５５－１５７．　陈仁超．铁路隧道软弱围岩在安全步距下快速施工技术研究【Ｊ】．高　速铁路技术，２０１　６．７（１）：８４—９０　建筑施工・ｍ３９＂￣・第７捆｜０８１