摘要：隧道施工过程中，确保安全质量的前提下，加快施工进度，通过隧道开挖工法对比，提出黄土隧道微台阶法施工技术，有效的加快了施工进度，缩短施工工期，节约了成本，提高了效益，保证了安全，在工程实践过程中取得了良好的效果。
关键词：微台阶法；湿喷机械手；施工技术；监控量测；安全
1 微台阶法快速施工技术在施工中的运用
1.1施工运用
随着铁路隧道在全国范围内大规模建设，隧道施工过程中安全风险大，长大隧道组织不合理，容易影响工期，隧道工程施工建设正逐渐向着机械化、专业化、标准化、信息化方向发展。针对大断面黄土隧道施工，国内普遍采用侧壁导坑法、预留核心土台阶法和 CD 法等比较成熟的施工方法，但工序繁琐，辅助措施多，施工干扰大，进度慢，分部开挖加剧了围岩扰动，施工不当易造成大变形、坍塌、冒顶等施工风险。对大断面黄土隧道微台阶法快速施工技术进行研究，充分发挥湿喷机械手性能，实现上台阶、下台阶及仰拱多部位同步开挖，同时立架、喷浆，减少仰拱单独开挖对其他工序的干扰，在隧道有效的空间内，充分发挥施工机械性能，优化各工序作业顺序，实现快挖快封闭，缩短了围岩裸露时间，减小了围岩变形量，降低了隧道超挖，节约成本的同时极大地提高施工工效，加快黄土隧道施工进度。鉴于此，本文结合蒙华铁路郝家坪隧道工程实例，在传统黄土隧道施工技术的基础上，针对围岩地质变化，及时动态调整设计变更，优化开挖工法，经过实践总结，按照“一强化”、“二紧跟”、“三超前”、“四到位”的控制措施，确保了黄土隧道施工安全和工程质量，顺利通过了风险段落，在实际应用中取得了良好的效果。
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微台阶法施工技术
1.2工程概况
蒙华铁路郝家坪隧道位于陕西省延安市安塞县建华镇境内，施工起止里程DK303+330～DK304+519.59，全长1184.59m，全Ⅴ级围岩，单洞双线隧道，最小埋深12.45m，最大埋深116.64m。
本隧道位于陕北梁峁区，黄土滑坡、溜塌较发育，且具有受降雨量影响的特点，特殊岩土，第四系上更新统风积、冲积新黄土具湿陷性，湿陷系数一般为 0.015～0.137，湿陷等级一般为Ⅱ级（中等）～Ⅲ级（严重）自重自重湿陷性场地，局部为Ⅳ级（极严重）自重湿陷性场地。
2 工艺原理
微台阶工艺，经短台阶法演变而来，发挥“岩变我变，动态设计、加强支护、确保安全”思路，通过合理调整上中下台阶长度和高度，充分发挥湿喷机械手性能，实现上台阶、下台阶及仰拱同步开挖，同时立架、喷浆，减少仰拱单独开挖对其他工序的干扰，实现快挖快封闭，缩短了围岩暴露时间，减小了围岩变形，加快施工效率，确保了安全。
3 施工工艺
3.1 施工工艺流程
微台阶法施工工艺流程图见图1。
3.2 施工顺序
隧道微台阶法施工工艺流程：施工准备→测量→开挖→初喷→初期支护、超前支护→系统锚杆→下一循环。
郝家坪隧道全隧为V级围岩Vb型复合式衬砌，初支采用H230格栅钢架，间距0.6m，锁脚锚管Φ42×5mm，单个长4m，每榀钢架拱脚处施做4根；纵向连接筋为Φ22螺纹钢，采用Φ8钢筋网片@20×20cm；超前支护为Φ42×3.5mm 小导管，单根长度3.5m，环向间距40cm，纵向搭接长度不小于1m，每环31根；拱墙、仰拱初支采用C25喷射混凝土厚27cm，二衬及仰拱采用C35钢筋混凝土，填充采用C20混凝土。
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图1 微台阶法施工工艺流程图
3.2.1 施工准备
施工前做好隧道风水管线连接，经过场地平整后将开挖台架移动至掌子面。
3.2.2 测量放样
在地质预报施工完成，围岩级别确定的前提下，采用全站仪对开挖轮廓线进行放样。
3.2.3 开挖
利用上一循环初支及台阶工作面，人工配合挖机开挖上台阶，预留余量人工配合修整。开挖下台阶及仰拱，挖机扒渣，侧翻装载机配合自卸汽车出砟作业。对拱脚连接部位修整，确保钢架连接板的质量。上台阶由人工在开挖台架上进行修边作业，下台阶及仰拱同时修边，确保初支净空。
3.2.4 初期支护施工
开挖断面质量检查合格后，采用机械手对开挖面进行初喷，初喷完成后，利用挖机将开挖台架推入上台阶，测量定位后进行挂网，立架、安装连接筋，并按照设计要求打设超前小导管及锁脚锚管。验收合格后，湿喷机械手进入掌子面进行初支复喷至设计厚度。
3.2.5 系统锚杆施工
喷射砼结束后，初支面上采用红色自喷漆布设锚杆位置，采用风钻钻孔，人工配合完成锚杆安装。锚杆施工完成后，依次开始下一循环上下台阶的测量、开挖支护等后续工序作业，保证了掌子面连续施工。
3.3 施工重难点控制
3.3.1 台阶高度控制
结合隧道有限空间，选择合理的台阶高度，既要保证各台阶在开挖过程中稳定同时有一定的作业空间，还得考虑方便机械作业，是微台阶工的核心和基础。上台阶主要考虑挖掘机扒渣作业，立架挂网使用开挖台架施工，下台阶（带仰拱）考虑人工施钻、立拱架等，其台阶高度不宜过高，各台阶高度如图2所示。
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图2 各台阶高度
3.3.2 初期支护
对开挖轮廓测量检查后进行混凝土初喷，喷浆采用机械手湿喷工艺，初喷完成后施做初期支护。隧道洞身处于黏质老黄土和沙质新黄土地层，初期支护成环前，监控量测变化值和变化速率较大，必须快速封闭。上、下台阶长度的选择综合考虑施工作业空间、机械扒砟效率，湿喷机械手停放位置及臂展（湿喷手臂长 13.5m），上台阶长度一般为3m，下台阶及仰拱6m，台阶总长度控制在 11m 左右（1倍洞径）。下台阶至仰拱栈桥端头，宜控制在 20～30m，以保证机械装渣、车辆调头、湿喷机械手作业操作空间需求。先开挖上台阶、再开挖下台阶及仰拱，开挖后及时施作初期支护封闭成环，采用机械手进行湿喷工艺。
3.3.3 监控量测
本隧道为黄土隧道，在黄土施工中沉降是最大的问题，沉降过大很难保障二次衬砌厚度，一味的增大初支预留变形量不是根本的解决办法，最终的目的还是采取一系列的措施减小初期支护沉降量，本隧道施工过程中对监控量测数据进行不断的统计及分析，隧道初期支护成环时间越短，拱顶下沉数据越小，短时间内不能成环的情况下，必须预留富裕的变形量，本隧道施工过程中，将三台阶临时仰拱法施工转换微台阶法施工，隧道预留变形量从35cm调整至15cm，同时能够保证隧道衬砌厚度，保证了实体质量。施工过程中拱顶下沉和水平收敛点位布置在同一断面上，监测断面间距为5m，初支应与围岩密贴，测点埋设在岩层内。测点在开挖后及时埋设并读取初始读数，测点埋设开挖后12h内完成，初始读数在测点埋设后8h内完成。
4 施工特点
黄土隧道微台阶法快速施工技术工艺的主要特点是：
一是通过合理调整上下台阶长度和高度，充分发挥湿喷机械手性能；
二是实现上下台阶、仰拱同步开挖，同时立架、喷浆；
三是减少仰拱单独开挖对其他工序的干扰；
四是实现快挖快封闭，减少围岩暴露时间，减小了围岩收敛；
五是减小了隧道开挖预留变形量，降低了二衬混凝土超耗量，节约了成本；
六是加快施工效率，确保安全。
5 施工优缺点对比
黄土隧道微台阶法快速施工技术加快了施工进度，缩短了围岩裸露时间，保证了施工安全质量，和三台阶临时仰拱法施工相比，减小了工序干扰，正真的解决了隧道施工黄土隧道施工变形量大，工序干扰大，施工进度慢等问题，极大提高了隧道工程施工技术标准化管理水平，该新技术通过在我项目部推行，取得很好的社会效益、经济效益及技术效益。
6 施工效益
6.1 工效效益
我项目部采用黄土隧道微台阶法快速施工技术，经过郝家坪隧道实践操作，对隧道台阶高度、台阶长度等工艺参数进行不断尝试和改进，总结形成了一套成熟的黄土隧道微台阶法施工技术，并且在施工过程中得以完全应用，有效的保证了隧道实体质量，加快了施工进度，极大地提高了隧道工程标准化管理技术水平，无论从技术上还是从现场工序管理方面获取了很好的效益。黄土隧道微台阶法快速施工技术与常规的三台阶临时仰拱法施工对比如表“表1黄土隧道施工效益分析对比表”：
表1 黄土隧道施工效益分析对比表
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6.2 经济效益
黄土隧道微台阶法快速施工技术，加快施工进度的同时，减小了隧道初期支护预留变形量，根据以往的黄土隧道施工经验，黄土隧道施工拱顶下沉可达35cm，周边收敛相对变化较小，采用微台阶法快速施工技术经过现场监控量测数据统计，预留变形量控制在15cm能够满足隧道净空，能够保证初期支护不侵入二衬，则混凝土成本节约费用约：1184m×0.20m×28m×500元/方=331.52万元，微台阶施工平均施工进度约110米，三台阶临时仰拱法施工每月进度约80m，每月提高进度约30m，从工期节约大概1184/80-1184/110=4月，单月管理费、电费、机械费、耗油费等每月按照80万核算，则从工期上节约成本约4×80=320万元，经济效益明显。
6.3 社会效益
通过对该新工艺推广应用，加快了隧道施工进度，保证了隧道施工安全及施工质量，确保铁路按期开通，运营安全。为本工程项目争先创优奠定了基础，为企业赢得了良好的社会效益。
7 结论
综上所述，郝家坪隧道通过采用微台阶法开挖技术，实现了安全快速掘进，可得出以下结论：
（1）相比原三台阶临时仰拱法，月进度由设计80m提高至110m，每月可提高施工进度30m，大大提高了项目施工进度，缩短了施工工期。
（2）充分了利用了湿喷手优势，缩短了工序循环时间，提高了施工进度，节约成本，同时减少了隧道开挖的安全隐患。
（3）高度重视监控量测工作，通过监控量测数据及时掌握初期支护结构的状态变化，为及时变更调整支护参数提供依据。
（4）微台阶施工缩短了台阶长度，从而大大加快了隧道初支封闭成环的速度，有效的控制了沉降和收敛。
（5）下台阶与仰拱同步施工较以往的台阶法施工减少了一次对围岩的扰动，大大降低了收敛的速率。
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论文作者:满孝锋
论文发表刊物:《基层建设》2019年第33期
论文发表时间:2020/4/20
标签：隧道论文; 台阶论文; 围岩论文; 黄土论文; 机械手论文; 施工技术论文; 作业论文; 《基层建设》2019年第33期论文;