单线隧道微台阶两步初支成环施工工法

单线铁路隧道微台阶两步初支成环施工工法
中铁乂乂乂项目经理部
1前言
随着我国铁路工程技术的高速发展以及铁路线路标准的提高，铁路线路选线中不可避免的选择隧道方式穿越复杂地形，使隧道在线路中的占比越来越大，长大隧道越来越多，地质情况也更加复杂多变。

“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”是新奥法软岩隧道施工的十八字方针，“管超前、严注浆、短开挖、强支护、勤量测”通过加强现场管理较易实现，但“快封闭”受机械装备、工艺工法、工序互相干扰的影响，短（微）台阶在现场落实难度大，导致“快封闭”成为“空谈”，支护因未及时封闭，强支护也无法体现，导致支护体系处于安全不可控状态。

本工法根据xxx单线隧道W级、V级围岩台阶法探索形成，两步开挖达到少扰动，两步初支成环达到早封闭，从而全面落实软岩隧道新奥法十八字方针，最大程度的保护围岩，提高结构可靠度，提升了安全可控度，同时加快施工进度。

本微台阶工法配合湿喷机械手及隧道初支变形监控量测信息化动态管理，能最大限度的控制隧道施工安全风险，为软岩隧道钻爆法施工提供了一个新的选项，对今后的隧道施工管理有很好的借鉴意义。

2工法特点
2.0.1 上、下台阶（仰拱）同时爆破开挖，开挖扰动次数少。

2.0.2 两步初支成环，成环距离掌子面短，支护实现快封闭，提高了结构安全可靠度。

2.0.3 上、下台阶同时施工，工作面空间较大，便于施工组织管理。

2.0.4 该工法初支采用格栅钢架及机械手湿喷工艺，能更大程度的发挥喷锚支护钢中带柔的特性，也能体现新奥法积极调动围岩自承能力的力学要求。

2.0.5 结合监控量测信息化动态管理，能最大限度掌握围岩变形的动态发展趋势，隧道初支变形风险安全可控。

3适用范围
本工法适用于单线铁路隧道的W、V级围岩台阶法施工。

4工艺原理
隧道微台阶两步初支成环开挖工法由短台阶开挖衍变而来，上、下断面、仰拱同步作业，以缩短工序间的衔接时间。

钢格栅安装上下台阶顺序作业，边墙与仰拱同步作业，最终快速成环，整个结构快速封闭。

工法参数：上下台阶3-5米，上台阶高度4-5米，循环进尺1-1.5米，仰拱距掌子面1-2倍洞径，满足新奥法的“快封闭”原则，保障了隧道施工安全和进度。

5施工工艺流程
5.1微台阶法施工工艺流程图，如图（5.1）
5.2台架设计加工
根据工况特点，台架可采用分离式小台架和悬臂式整体台架，本工法主要介绍分离式小台架法。

5.2.1上台阶分离式小台架设计加工
分离式小台架思路：单线隧道断面尺寸小，作业空间有限，采用两个分离式小台架便于台架退出掌子面后，停放在作业面后方不影响机械通行。

优点：对下台阶影响较小，单独完成上台阶作业；缺点：小台架进、退作业面时需采用挖掘机分次运送两个台架，准备时间稍长。

台架设计根据围岩级别及围岩的稳定性，围岩较差易掉块超挖较大时，上台阶断面应适当降低高度，可以减小上台阶开挖时围岩周边暴露面积，从而有利于控制超挖，也有利于掌子面的稳定。

小台架轻便、加工简单，顺线路方向分为两个（左右各一个）就位后两个组合成一个作业平台。

如图（5.2）
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图5.2.1采用组合式小台架微台阶施工示意图
装药、爆破通风排烟、排险布置炮眼
上台阶翻渣上台阶台架就位
■锁脚锚管、超前支护」--
下台阶安装钢架上台阶打部分炮眼
L 1仰拱安装钢架
开挖质量检查
地质素描湿喷混凝土台架退出、机械手就位
下一循环
防排水、仰拱、拱墙二次衬砌施工
图5.2.2组合式小台架图
5.2.2悬臂式整体台架设计加工
采用悬臂式整体台架思路：台架按全断面尺寸设计，台架下可通行机械不影响通行，整体移动方便。

优点：进出作业面可采用装载机移动，一次性到位，机械可从台架下通行；缺点：台架就位前需将下台阶仰拱回填平整，仰拱钻眼需台架退出清渣后实施，对仰拱施工有一定的影响。

采用悬臂式整体台架应根据围岩情况确定台阶长度（即悬臂长度），台阶过短掌子面容易失稳，上台阶钢拱架拱脚容易悬空，台阶过长悬臂端过长容易失稳（或需配重）会造成台架稳定性差或过于笨重现场操作不便。

悬臂式整体台架设计加工，主要考虑台架下能通行机械：装载机、挖掘机、混凝土运输车、自卸汽车、湿喷机械手等。

平台高度根据隧道净空高度，两侧操作平台以方便两侧钻炮眼为宜。

整体式台架要求刚度较大，能满足装载机移动不至台架变形。

如图（5.3）
图5.3 悬臂式整体台架微台阶施工示意图
5.2.3爆破设计
爆破设计应根据工程地质条件、开挖断面、掘进循环进尺、钻眼机具和爆破器材等结合爆破振动
要求进行钻爆设计。

施工中应根据爆破效果不断调整爆破参数。

5.2.3.1放样布眼
钻眼前测量人员用全站仪准确定出隧道中心线和拱顶面高程，用红油漆画出开挖轮廓线，并标出炮眼位置，其误差不得超过5cm；每次测量放线的同时，要对上次爆破断面进行检查，及时调整爆破参数，以达到最佳爆破效果。

开挖轮廓线应考虑二衬净空施工误差加大和围岩预留变形量，W级围岩预留8〜10cm, V级围岩预留10〜15cm。

围岩预留变形量应及时根据监控量测所得信息进行调整。

5.2.3.2钻眼要求
周边眼开眼位置在设计断面轮廓线上的间距误差不得大于5cm；周边眼外斜率要基本一致，确保轮廓圆顺,内圈眼至周边眼的排距误差不得过大；钻眼装药率调整,当开挖面凹凸较大时,应按实际情况调整炮眼深度并相应调整装药量,力求所有炮眼（除掏槽眼外）眼底在同一垂直面上。

钻眼分为上台阶、下台阶（包括仰拱）,上台阶钻炮眼按常规台阶法施作。

严格控制周边眼的间距及各个炮眼间的外倾角；根据围岩情况,尽可能采取光面爆破,减少对围岩的扰动从而减少超挖。

周边光爆眼间距控制在45cm以内，光爆层（抵抗线）较硬岩适当加大。

5.2.3.3炮眼布置要求
先布置掏槽眼，其方向在岩层层理明显时应尽量垂直于层理，掏槽眼应比其他眼加深20cm。

掏槽眼眼口间距和眼底间距的允许误差为±5cm；辅助眼眼口间距允许误差为±10cm；周边眼眼口位置允许误差为±5cm,眼底不得超出开挖断面轮廓线15cm。

当开挖面凹凸较大时,应按实际情况调整炮眼深度及装药量,使周边眼和辅助眼眼底在同一垂直面上。

周边眼严格按设计开挖轮廓线布置,周边眼的眼口在断面设计轮廓线上,眼底超出轮廓线小于10cm。

5.2.3.4台架退出、爆破
当上台阶装药完成后,退出小台架,进行下台阶及仰拱装药,装药完成同时起爆。

如图（5.4）
图5.4上、下台阶钻眼
5.2.4出渣
爆破后先将上台阶的渣用挖掘机挖至下台阶，用挖机将小台架及拱架分别运至上台阶，上台阶开始安装拱架同时下台阶开始出渣。

下台阶出渣至仰拱位置，以便于边墙安装钢架时人员操作方便，仰拱部分渣待边墙钢架安装后再挖装运弃。

5.2.5安装拱架
上台阶安装拱架时应将拱架中心点画出并与拱部围岩上测量中线标高定位准确，拱架两拱脚位置测量定位，整个拱圈准确定位并固定，上台阶钢格栅准确安装是该工序的核心控制点，为下台阶及仰拱快速安装打好基础。

打好锁脚锚管（杆），待拱部钢架钢筋网安装好后即可进行超前小导管钻孔、安装，如下台阶钢架还未安装完可进行炮眼钻孔工作直至下台阶钢架安装完成。

喷射混凝土时将已打好的炮眼进行临时封堵保护。

边墙钢架与上台阶钢架联接，边墙脚锁脚暂不施作，边墙钢架安装完成挖运仰拱部分渣，立仰拱钢架。

仰拱钢架与边墙钢架联接，边墙钢架打锁脚锚管（杆）固定，控制好边墙钢架位置。

如图(5.5)
如图5.5下台阶格栅钢架安装
5.2.6喷射混凝土
钢架安装完成后退出作业台架，湿喷机械手就位，根据机械手的作业半径范围确定上、下台阶的
喷射作业顺序。

当上、下台阶不能一次喷完需移机时，先进行下台阶喷射作业，初喷仰拱进行局部回填渣移机再进行上台阶的喷射作业；当一次可全部喷射作业时，先将上台阶拱部喷射一层，后进行下台阶的第一层喷射混凝土，上、下台阶来回循环达到分层喷射施工，减少混凝土掉块现象。

速凝剂根据边墙和拱部采取不同掺量，边墙掺量为2%，拱部5%左右。

喷射混凝土配合比见表(5.1)
喷射混凝土前将上台阶拱架脚端部采用松渣覆盖15〜20cm,整平后并覆盖软胶皮进行拱脚联接角钢的保护，以便下台阶施工时，边墙钢架与拱脚钢架联接。

如图5.8.
图5.8格栅钢架脚联接角钢保护处理
喷射作业完成后退出湿喷机械手台架就位进行钻眼作业，进入下一循环。

6材料与设备
一个作业面用小台架主要材料见表6.1。

表6.2 主要机具设备
7质量控制
7.1质量标准
符合现行铁路隧道施工验收标准。

7.2质量保证措施
7.2.1控制隧道开挖，杜绝欠挖，控制超挖，超挖过大容易形成初支背后空洞。

下台阶开挖时应注意控制开挖面的垂直度，防止上台阶钢架拱脚悬空根数过多，形成安全隐患。

7.2.2严格控制格栅钢架的加工尺寸，特别是联接角钢的角度，确保各节段间格栅钢架联接后，两联接板密贴。

7.2.3上台阶拱架安装时拱脚应支垫实，现场采用轻质硬木板支垫，拱脚严格按设计打设锁脚钢管，并用“L”形钢筋与钢架焊接牢固。

7.2.4格栅钢架间严格按设计焊接纵向连接钢筋，钢筋网片严格按设计要求进行搭接。

7.2.5上、下台阶拱架联接时若两联接角钢面不密贴时应，应采用钢板进行垫塞并加焊牢固。

7.2.6机械手喷射混凝土严格按照分段、分层、分序施作，以减少回弹量；应采用无碱速凝剂，根据喷射工艺要求，由下至上逐步增加掺加量。

7.2.7仰拱安装格栅钢前应将基底松渣清除干净，有水地段应在施工段前端设置积水坑，喷射混凝土时应将积水抽排干净，防止混凝土终凝前积水浸泡影响混凝土强度。

7.2.8开挖过程中应根据围岩级别及稳定情况，动态调整循环进尺。

8安全措施
8.0.1钻眼人员到达工作面时，先检查工作面是否处于安全状态。

严禁在残眼中钻眼，钻孔台
车进洞经过的道路和临时台架，认真检查安全界限，并有专人指挥，就位后不得倾斜。

8.0.2施工中严格按设计及时进行监控量测点的埋设，确保按要求开挖后12小时内进行初始值测量。

监控量测频率严格按管理办法执行，下台阶开挖后应加强监控量测频次，以后按变形速率确定量测频次。

8.0.3观察掌子面的围岩稳定情况，围岩较差时每循环对掌子面进行喷射混凝土封闭，若不能自稳时应采取打设锚杆等超前加固措施。

8.0.4浅埋地段应进行地表沉降观测，频率按管理办法执行，地表观测数据应与洞内量测数据进行对比分析。

8.0.5手机端收到预警信息后应及时组织人员到现场进行察看，并制定相应急处理方案。

8.0.6 根据量测点埋设间距情况，确认在预警断面前后是否增设监控量测点，确保全覆盖监控变形发展。

8.0.7 每个隧道口应储备一定数量的型钢、钢管、钢筋等材料，并同时备有氧气乙炔、型钢弯曲机、电焊机等机械设备。

8.0.8开挖作业面使用36V安全电压供电。

9 环保措施
9.0.1隧道洞口严格按要求设置三级沉淀池，并定期进行清理。

9.0.2对洞内空气定期进行检测，确保洞内空气质量满足作业环境满足要求。

9.0.3隧道弃渣弃在指定弃渣场，严禁乱倒乱弃。

9.0.4施工中要对地下水、泉点、水井进行定点观测，以免施工造成水位下降。

9.0.5 对施工现场和运输便道等易产生粉尘的地段定时进行洒水降尘，勤洗施工机械车辆，使产生的粉尘危害减至最小程度。

10安全、效益分析
10.1.1 安全分析
采用本工法施工经现场实践证明，隧道变形可及时掌握，初支成环及时，围岩应力扩散至松驰范围有限，能及时封闭围岩，从而控制围岩变形发展。

围岩变形发展期对其进行不间断的观测，能掌握初支变形发展趋势，从而了解隧道的安全状况。

监控量测预警信息通过不同管理层级人员的手机，时时收到短信通知并进行应急处置。

该工法完全满足“国九条”安全步距要求，更能动态的保证安全，更有利于现场施工组织安排。

10.2.2 效益分析
本工法V级围岩月进度能达到60m以上，W围岩月进度能达到80m以上。

根常规台阶法比较有
较大优势，经济效益明显。

11应用实例
xxx段，大围山隧道为单洞单线隧道，起于湖南省浏阳市张坊镇，止于江西省铜鼓县排埠镇，隧道进口里程DK1660+177,隧道出口里程0最668+349,隧道全长8172m，其中W级围岩1757米，V级围
岩1450米，W级围岩采用台阶法，V级围岩采用台阶法及台阶临时仰拱法，隧道最大埋濯66.5m。

永庆一号隧道全长1028m，永庆二号隧道全长1310m。

其中W级围岩260米，V级围岩290米，设计均为台阶法施工。

两步微台阶法在这三座隧道的施工中均得到很好应用。

配合格栅钢架支护、机械手湿喷工艺及监控量测动态管理，基本达到新奥法理论的理想状态，最大程度的使支护结构合理，施工安全得到最大限度的保证。

本工法在施工中得到验证，能提高隧道初期支护质量、保证隧道施工安全、同时也能加快施工进度。

本工法在今后的隧道施工中将得到更加广泛应用。