Ⅳ、Ⅴ级围岩隧道微台阶开挖施工工法

1．前言

新奥法隧道施工方法自上世纪六十年代末被引入到我国，七、八十年代得到迅速发展，九十年代开始被广泛应用，是当前使用最广泛的隧道施工方法。新奥法施工一般有全断面法、台阶法、分部开挖法。全断面法开挖主要适用于Ⅰ～Ⅲ级硬质围岩；台阶法主要适用于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级中等硬度围岩；分部开挖法主要适用于Ⅴ、Ⅵ级以下软弱围岩地质条件。台阶法施工又分为长台阶、短台阶法，对于自稳较好的Ⅲ、Ⅳ级围岩常采用长台阶法，上台阶长度超过50m；短台阶法适用偏软的Ⅳ、Ⅴ级围岩，上台阶长度为5～50m；围岩稳定性较差时，台阶长度应控制在一倍洞径。

近年来，国内外隧道施工过程中发生多起坍塌事故，造成较大的人员伤亡和财产损失。调查统计表明，发生这些事故的主要原因是隧道开挖台阶长度过长、初期支护未及时封闭成环和二次衬砌未及时跟进导致围岩失稳造成。为了控制和降低铁路隧道施工安全事故，铁道部对仰拱与掌子面的距离要求越来越严格，《铁路隧道工程施工安全技术规程》（TB10304-2009）规定：III级围岩中仰拱与掌子面的距离不得超过90m，IV级围岩不得超过50m，V级及以上围岩不得超过40m.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[2010]120号）文件对隧道开挖掌子面与仰拱、二衬之间的距离做出强制性规定:隧道开挖后初期支护应及时施作并封闭成环，IV、V、VI级围岩仰拱封闭位置距离掌子面不得大于35m，IV级围岩二次衬砌与掌子面距离不大于90m；V、VI级围岩二衬与掌子面距离不大于70m。

无论围岩的稳定性如何，采用长台阶法施工，都难以满足上述工序安全距离的强制性规定；采用长度大于20m的短台阶法施工时，受变台阶处交通和仰拱施工作业空间要求的限制，工序安全距离仍然会超标；采用长度小于20m的短台阶法施工时，虽然能满足工序安全距离的要求，但因为上台阶作业空间窄小，工序间相互干扰严重，机械设备的工作效率大大受阻，施工进度缓慢。

本文所介绍的Ⅳ、Ⅴ级围岩隧道微台阶开挖施工工法，有效地解决了上述问题，即保障了隧道施工安全，也提高了施工进度。

2．工法特点

2.1只需要在原有的全断面或半断面开挖台架上增设拼装式悬臂平台供微台阶钻眼、喷砼作业使用，不需增加其它设备；

2.2上下台阶同时钻眼、放炮、出碴；

3.3上下导坑部分工序可平行作业，节约时间。上导微台阶初喷后，可集中作业人员打锚杆、安钢架；上导拱架安装后，作业人员撤至下导打锚杆、安钢架，上导可同时进行喷砼作业；

3.4开挖作业占用空间减少，工序间相互干扰降低，仰拱、二衬等后继工序距掌子面的距离可控制在30～35m，满足强制性规定要求；

3.5较之短台阶开挖法，微台阶法施工进度明显加快。在满足工序安全步距的前提下，若采用短台阶法施工，Ⅳ级围岩月进度最快能达70m；采用微台阶法施工，月进度可保证80～90m，围岩变化不大、工序衔接正常情况下，月进度最快可达90m。

3．适用范围

主要适用于设计建议台阶法施工的围岩段。

4．工艺原理

隧道微台阶开挖工法由全断面和短台阶开挖工法衍变而来，利用一个开挖台架完成上下导坑钻眼、装药，同时起爆、同时出碴，以此缩短工序间的衔接时间差，同时给后续工序仰拱施工提供更大的空间，缩小了掌子面与仰拱之间的距离，保证了隧道工序安全步距满足铁道部相关强制性规定要求，保障了隧道施工安全和进度。

5．施工工艺流程及操作要点

5.1微台阶法开挖及支护作业工艺流程如图5.1。

5.2操作要点

5.2.1上下台阶长度、高度确定：上台阶长度为3～5米，高度为4.0米，下台阶高度为6.2m，微台阶法开挖立面、纵断面图见图5.2.1。

5.2.2施工台架加工

微台阶施工台架可用原有的半断面或全断面施工台架改装而成，需要在台架掘进前进方向增加悬臂操作平台，参见图5.2.2-1图5.2.2-2。

图5.1微台阶法开挖及支护作业工艺流程

图5.2.1微台阶法开挖立面、纵断面图

图5.2.2-1微台阶法工况示意图

图5.2.2-2微台阶施工台架结构示意图

5.2.3爆破设计

图5.2.3-1IV级围岩微台阶施工爆破设计图

图5.2.3-2V级围岩微台阶施工爆破设计图

5.2.4施工顺序说明

（1）IV级围岩每循环开挖进尺2m，V级围岩每循环开挖进尺0.8m；

（2）平行作业工序为：上台阶初喷、打锚杆、立架、挂网工序与出碴工序同时进行，上台阶喷砼与下台阶初喷、打锚杆、立架、挂网同时进行；

6．设备与材料

6.1隧道微台阶法开挖、支护主要设备参见下表：

6.2主要材料

隧道微台阶法施工主要根据围岩类别设置挂网喷砼、格栅钢架或型钢钢架等，按设计情况提前准备到位即可，本文不列计。

7．质量控制

7.1钻孔：钻眼时严格按爆破设计布孔，由于上台阶拱脚处易出现欠挖或超挖，该处周边眼加密布置，控制在35～40cm之间，掏槽眼采用楔形掏槽；

7.2装药：为控制超欠挖，应按光面爆破控制装药量，周边眼采用间隔装药方式；

7.3起爆顺序：掏槽眼→辅助眼→周边眼→底板眼，底板眼可较常规装药量大，目的是起到抛碴作用；

7.4喷射砼：为确保喷射砼的强度质量，采用湿喷砼，湿喷砼的坍落度控制在12～16cm，同时还可降低粉尘和回弹量。

8．安全控制

8.1采用微台阶法施工时，上下台阶平行推行，为防止下台阶开挖后上一循环上台阶已施作的初期支护产生掉拱现象，锁脚锚杆及系统锚杆必须严格按设计施工。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，这是确保本方案能够顺利实施的关键，在施工中必须严格控制下台阶的开挖进尺；

8.2各工序施工质量必须满足设计及规范的有关要求，喷射砼背后严禁存在空洞现象；

8.3、因掌子面存在个别工序间的交叉作业，人员、机械在一个作业面施工，人员进出必须按规定的线路进行；

8.4、开挖台架移动过程中，台架周边10米范围严禁站人。台架行走路面尽量平顺，以防台架在移动过程中倾覆。

8.5电工、电焊工、爆破工必须经有关部门培训，取得相应资格证书方能进行作业；

8.6台架作业平台周边应焊接安全防护网；

8.7作业台架照明采用36V安全电压；

8.8作业人员不得穿化纤工作服进入作业面，应着棉质服装外套反光背心；

8.9爆破15min后,检查人员方能进入掌子面检查；经检查确认安全后机械进场，由专人指挥找顶，清除松动石块；

8.10喷射砼所有作业人员必须配戴口罩，喷射手还应配戴脸部防护罩，进行喷射作业时，距离喷射点5m范围内不得站人，防止回弹小石子伤人。

9．环保措施

9.1施工引起的“废烟、废气、废水”的排放及废物的堆放达到规定标准；

9.2隧道内施工用水及地下水由排水沟排出洞外，经过三级沉淀达标后方能排入指定地表水体；

9.3爆破后立即进行通风、洒水，尽快减少粉尘污染及对人体的危害；

9.4喷射砼采用湿喷工艺，提高喷射砼强度质量、减少回弹，减少喷射砼粉尘对人体造成的伤害。

10．效益分析

10.1经济效益

通过采用微台阶法开挖，缩小各工序衔接时间差，加快施工进度，减少了人员、设备窝工。若隧道综合单价以5万元／延米计，采用微台阶法后每月可增加产值约100万元，同时节约了单位产值的劳动力和机械成本

10.2社会效益

采用微台阶法开挖隧道，可给后续工序创造更多的作业空间，仰拱距掌子面的安全距离完全可控，安全管理、文明施工等都得到极大的提高。

11．应用实例

该工法已在贵广铁路试验取得成功，目前已推广使用。