铁路黄土隧道微台阶法快速施工技术研究

范森

摘要： 通过对微台阶工法在铁路黄土隧道施工中的应用，总结微台阶工法的特点及优缺点，研究微台阶工法在第四系全新统冲洪积粉质黏土、上更新统风积新黄土、中更新统风积老黄土地质铁路隧道施工中的适用性，充分发挥隧道内作业空间，合理配置资源，优化各工序作业顺序，快速进行初支封闭，保证了黄土隧道施工安全和质量，加快了黄土隧道施工进度。

Abstract： Through the application of micro-step method in railway loess tunnel construction， this paper summarizes its characteristics and the advantages and disadvantages， researches the applicability of micro-step method in railway tunnel construction with Holocene alluvial silty clay， upper Pleistocene eolian loess and middle Pleistocene eolian loess， gives full play to the working space in the tunnel， allocates resources rationally， optimizes the process operation order， and quickly closes the initial support， so as to ensure the safety and quality of loess tunnel construction， and speed up the construction progress of loess tunnel.

关键词： 黄土隧道；微台阶；快速封闭；软弱围岩；监控量测

Key words： loess tunnel；micro-step；rapid closure；soft surrounding rock；monitoring measurement

中圖分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）13-0114-03

0 引言

随着国家铁路“十三”规划的逐步实施，中西部铁路建设项目猛增，相应黄土隧道逐惭增多，在部分铁路建设项目中黄土隧道甚至占了主导地位，决定着一个铁路项目的成败。如何快速施工黄土隧道保证施工安全、质量，避免出现沉降变形、塌方、突泥突水、冒顶等灾害对中西部铁路建设项目有着深远的意义。本文通过杨坪黄土隧道采用微台阶工法施工，大大缩短初支封闭距离，约束围岩变形和沉降，降低安全风险，保证施工安全。各台阶同步作业，充分发挥作业空间，提高作业效率，加快了施工进度。

1 工程概述

杨坪隧道为新建铁路麟游矿区至宝鸡二电厂专用线的重点工程之一，其隧道进口位于凤翔县姚家沟境内，出口位于麟游县招贤镇境内。隧道里程范围DK56+239～DK61+284，全长5045m。隧道穿越低中山区，黄土冲沟发育，地形起伏大，高程1170m～1440m，洞身最大埋深212m。其中进口端位于涧渠河东岸山梁坡脚处，开辟有阶梯状耕地，沿线路方向斜坡坡度约30°；隧道洞身冲沟发育，覆盖层较厚，沟谷地带多有基岩裸露；出口端位于杜水河西岸一小冲沟坎壁处，沟心基岩裸露，两侧植被发育，沿线路方向斜坡坡度约35°。隧道设计为单洞单线曲墙式复合式衬砌。全隧道除进口段769.16m和出口段668.34m位于半径为R-800m的曲线上外，其余均位于直线上，洞内纵坡设为11‰、14.3‰、15‰和14.2‰的单面上坡。岩性主要为Ⅳ级1770m、Ⅳ土级780m、Ⅴ级1145m、Ⅴ土级1350m。黄土段占隧道全长42.2%。进口段DK56+245～DK56+880属于黄土段浅埋偏压，平均埋深约35m～45m，出口段DK59+520～DK59+980穿越冲沟富含水易突石头突泥坍塌，标段总工期30个月，隧道工程完工工期26个月，工期紧、任务重。

1.1 技术标准

铁路等级：地铁Ⅰ级，线下国铁Ⅱ级；

正线数目：单线；

最大纵坡：15‰；

最小曲线半径：800m；

牵引种类：内燃，预留电化条件；

机车类型：DF8B；

到发线有效长度：850m，双机880m；

牵引质量：4000t；

闭塞方式：自动站间闭塞。

1.2 工程地质

正线隧址区地层主要为第四系全新统冲洪积粉质黏土、上更新风积新黄土、中更新统风积老黄土、白垩系下统砾岩、泥岩夹砂岩。隧道范围内的底层主要由新黄土（洞口端）、老黄土、泥岩夹砂岩及砾岩组成。

1.3 水文地质特征

隧道区属鄂尔多斯地台西南缘于关中凹陷的结合部位，断裂、褶皱不发育，岩层近水平产出，相对比较稳定，地质构造简单，地下水主要为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水。第四系孔隙潜水主要赋存于黄土层、黄土层与泥岩夹砂岩接触面及黄土层与砾岩接触面；基岩裂隙水主要赋存于岩体节理、裂隙带中，富水性差异较大，在岩体较完整地段富水性较小，在岩石破碎地段富水性较大。

1.4 气象特征

隧址区属于温带半湿润～湿润季风气候区。年平均气温9.1℃，极端最高气温37.8℃，极端最低气温-25.2℃。年平均降水量620.4mm，年最大降水量986.1mm。年平均蒸发量1401.6mm。最大积雪厚度26cm，最大冻土深度53cm。

2 施工方案

2.1 施工风险分析

杨坪隧道进口段穿越低中山区，洞身黄土冲沟发育，地形起伏大，浅埋偏压。存在以下风险：①第四系全新统冲洪积粉质黏土、上更新风积新黄土弱富水开挖易掉块坍塌；②初期支护拱顶易沉降，拱腰易收敛变形。喷射混凝土易开裂剥落。

2.2 开挖工法的确定

杨坪隧道断面设计为7m×9m（宽×高），目前软弱围岩隧道常规开挖工法为三台阶七步法、CD法、双侧壁导坑法等，而此三种工法具有表1中所述特点，均存在工序多，施工干扰大，达不到初支快速封闭成环施工要求，因此根据围岩特性，需要选择或改进开挖工法。

2.3 微台阶法

2.3.1 台阶划分

杨坪隧道进口、出口黄土段采用上、中、下三个台阶同步作业，上台阶长度3～5m，高度2.8m；中台阶长度4～6m左右，高度3.2m；下台阶长度5～7m，高度3m，仰拱高度0.8m（下台阶与仰拱初支同步施工）；三个台阶同步作业，中下台阶左右侧对称开挖，缩短了掌子面至仰拱初支封闭的距离，可保证三台阶法施工掌子面至仰拱封闭距离2倍洞径，两台阶法施工掌子面至仰拱封闭距离1倍洞径。保证施工安全，提高工作效率，加快施工进度。

2.3.2 微台阶开挖

①施工中应遵循“短开挖、少扰动、强支护、紧封闭、实回填、严治水、勤量测”的施工原则，紧凑施工工序，精心组织施工。②加强隧道超前地质预报，做好掌子面地质素描及地质调查。③上台阶采用人工开挖，中、下台阶及仰拱采用人工配合机械进行开挖，严格控制超欠挖。

2.3.3 增强支护措施

①上台阶拱部采用超前小导管、超前密排小导管等辅助措施施工，确保掌子面前方稳定。②上台阶支护钢架紧贴掌子面安装。各台阶钢架拱脚打设2～4根？准42mm（或？准76mm）锁脚锚管，并灌注水泥砂浆。拱脚采用轻型垫块支垫牢固。钢架连接处采用厚度为10mm，宽度为10cm钢板作为纵向连接筋。上台阶及中台阶根据现场情况设置临时仰拱。仰拱初支钢架与下台阶同步施工。③初支喷射混凝土采用湿喷机械，保障喷射混凝土的平整度、密实度、强度。

2.3.4 微台阶工法操作要点

①合理确定各台阶高度、宽度，既要保证各台阶在开挖过程中的稳定，也要有一定的作业空间，还得考虑方便机械作业。这是微台阶工法的核心和基础。②遵循软弱围岩施工的“三超前、四到位、一强化”原则。即超前预报、超前加固、超前支护，工法选择到位、支护措施到位、快速封闭到位、衬砌跟进到位，强化量测。③高度重视上台阶施工，保证上台阶开挖、支护过程中掌子面稳定。根据围岩情况确定核心土是否预留和预留范围。④突出强调一个“快”字，各台阶施工做到“快挖、快支、快封闭”，同时喷射混凝土保证早期强度达到要求，以形成受力体系。⑤始终保持安全步距，掌子面至初支封闭距离不大于2倍洞径。⑥根据实际揭示围岩情况、监控量测变形情况、超前地质预报情况，合理确定开挖进尺，树立以加快循环时间保证进度的理念，改变以加大进尺保证进度的错误观念。⑦严格执行“上下紧跟、左右紧垫”的安全措施，即上台阶拱架顶紧掌子面不留空隙，仰拱初支紧跟下台阶封闭成环，各台阶拱架左右拱脚垫实不能落在虚土上。⑧加强锁脚施工质量的控制，严格控制锁脚打设的角度、长度、注浆及与拱架的连接。⑨快速处理施工过程出现的意外情况，如塌方、变形等。

3 实例分析

杨坪隧道黄土段通过微台阶施工工法，目前各作业面均施工正常。该工法达到如下效果：

①通过监控量测，隧道拱顶沉降及周边收敛在可控范围，保证了黄土段安全施工，避免了新黄土的安全风险。

②加快了施工进度，目前Ⅴ黄土级围岩月进度可达到60m。

正线隧道Ⅴ级围岩开挖支护进度计算如表3。

③由于各台阶、各工序平行作业，减少了人员、设备的窝工，提高了人员、设备的利用率。

4 微台阶工法优、缺点分析

4.1 微台阶工法优点

①各臺阶同步作业，充分利用作业空间，提高工作效率，加快了施工进度。

②各台阶左右同步进行，不再错开2～3榀拱架距离，缩短了台阶长度，能保证安全步距。

③采用短台阶，快支护，快封闭，提高了软弱围岩的安全性。

④各工序同步平行作业，充分发挥了人员、设备的利用率。

⑤采用分部开挖方法，超挖得到了控制，缩短了初支整环闭合的时间，减少了围岩的变形，保证了工程质量安全，降低了施工成本。

4.2 微台阶工法的缺点

①上台阶不能使用大型机械，需要人工完成工作较多。②在有限空间内，人员、机械同步作业，安全管理难度加大。③要发挥微台阶优势，必须保证各台阶均能正常推进，只要有一处出现问题，就会影响整体施工进展。

5 结束语

杨坪隧道粉质黏土、新黄土围岩段通过微台阶施工，提高工作效率，控制了围岩的变形，增强了软弱围岩施工的安全保障，进而可以推广至公路、市政隧道，也可以在软弱围岩的隧道施工中使用。但也存在一定的缺点，还需在以后的应用中进一步加以研究、解决、完善。

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