单线铁路隧道三台阶法快速施工控制

摘要：不良地质地区单线铁路隧道矿山法施工需要面临围岩变形难以控制、安全风险高及作业空间狭小、施工工效低的问题，文章以杏子山隧道三台阶法快速施工为例，介绍了单线铁路隧道三台阶法快速施工的控制要点，并以“出碴-立架”“锚喷”两个工序单循环作业时间为统计样本进行施工效率对比，反映了采用快速化施工对整体工效的提升效果。

关键词：单线隧道；三台阶法；快速施工；控制要点

1工程背景

杏子山隧道是新建大临铁路重难点控制工程，该隧道全长8867m，设计为单洞单线普通铁路隧道，其中2号横洞施工段落均为Ⅴ级围岩，衬砌断面形式为四心圆马蹄型小跨度断面，有仰拱段开挖断面67.4m2，衬砌断面50.0m2，具体如图1所示。杏子山隧道作为单线铁路隧道，内轮廓轨面净空宽度仅有6.3m，轨面以上有效净空面积为42.1m2，该类型小断面隧道一般常采用两台阶、全断面法施工，但该隧道所处的云南省西部横断山系纵谷区地质运动频繁，本身就是地震高发地区，其围岩复杂多变，采用常规施工方法隧道初期支护变形难以控制，而采用三台阶法施工，将本就狭小的工作面一分为五，将使得隧道各作业面过于狭小，各工序作业空间受限、相互干扰严重，部分大功率、高效的设备不能使用，这将严重影响施工工效。

2单线隧道三台阶法快速化控制要点

单线隧道三台阶施工时，往往围岩较差，安全步距控制较为严格，加之三台阶占用的台阶长度较二台阶要长，洞内交通受限更为严重，容易导致循环作业时间加长。因此应尽可能增加工序搭接和平行作业，在围岩条件允许时进行各台阶同步起爆及出碴，充分发挥三台阶施工工法开挖断面稳定性好、封闭成环时间短、作业面多的特点，可有效提升工效，达到快速化施工的目的，突破单线软弱围岩隧道进度缓慢、工效低的施工瓶颈。

2.1合理进行爆破设计

杏子山隧道采用三个台阶进行爆破施工，将其合理划分成五个工作面进行作业，按台阶类型的不同，划分为硐室光面爆破和浅孔台阶爆破两类。对于上台阶开挖，需采用光面爆破方式进行钻爆设计；对于中、下台阶开挖，采用浅孔台阶爆破设计。

2.1.1上台阶硐室光面爆破炮孔设计由于上台阶底板处铺筑了碴堆，该处无法施作钻孔。对于较为软弱的围岩在爆破后可通过挖掘机铲斗破碎该部分围岩；对于一般软弱围岩该处可能会存在岩石破碎不足、挖掘机无法作业的情况。考虑该方法的通用性，在掏槽眼布设时，考虑在堆渣平台顶部向下钻设一排斜眼，起爆顺序安排在掏槽眼爆破之后。这样在掏槽抛掷之后，利用斜钻孔顶部的自由面起爆，一方面可使钻孔之上的岩石向掏槽区抛掷；另一方面可使钻孔之下的岩石破碎松动，确保出碴时挖掘机作业效率。除此之外，由于上台阶断面较小，辅助眼布设宜按竖向布设，逐层向外侧扩展。由于碴堆宽度一般大于掏槽区宽度，且侧边存在坡度无法钻孔，因此紧邻掏槽区的一列钻孔的最底部宜倾斜施作，以增强底部辅助眼的崩落效果。采用碴堆铺筑工作平台的炮孔布置如图2所示。决定爆破轮廓效果的核心条件是周边眼的间距以及最小抵抗线和装药参数等，初步按照规范拟定的爆破参数以及掌子面地质情况来确认爆破参数，实际施工上场后再根据试验对爆破参数进行微调，选择低爆速、低猛度的防水乳化炸药，采用间隔装药法，使装药量沿着炮眼均匀全长分布，并合理地控制药卷直径，以达到不耦合装药的目的。采用非电毫秒雷管毫秒微差起爆来控制隧道爆破振动速度来减少对周边围岩及建筑物影响，如图2所示，标注了各部位炮孔的起爆顺序布置，雷管可参照图中起爆顺序选择段位。爆破时相邻两次起爆约50ms时差或间隔一个段位控制延时较为合适，以确保前一级爆破的岩石有足够时间抛掷，亦可减少爆破时震动叠加，降低对围岩的扰动。

2.1.2中、下台阶浅孔台阶爆破炮孔设计三台阶开挖时中下台阶采用浅孔台阶爆破，其炮孔分布如图3示意。需要注意的是，中、下台阶同上台阶一样，在台阶底部用碴堆铺设了约300~400mm高的平台，在钻设最底层孔时，钻孔应往下倾斜。

2.1.3合理控制碴堆顶部钻孔角度及装药因碴堆覆盖掌子面底部，导致一部分钻孔无法施工，为确保碴堆覆盖部分岩体爆破效果，需在掏槽区域下方，从掌子面位于碴堆的顶部区域开孔，向下倾斜钻进，使得终孔位置处于掌子面与底板交线处为最佳。装药时该孔按掏槽眼控制药量，孔底约1/3炮孔长范围集中装药，炮孔中部约1/2炮孔长范围内装药密度减为底部装药密度的40%~50%，炮孔前部剩余范围不装药，采用炮泥封堵密实。

2.2合理选择作业平台类型

由于单线铁路隧道断面狭小，在划分为五个工作面后，台阶的长度、宽度都将受限，进行爆破钻孔爆破作业时，作业平台类型及搭设高度等都将影响施工工效。

2.2.1使用洞碴铺筑各台阶施工作业平台作业平台目前有采用洞碴就地铺筑平台和可拆装平台两类。人工钻孔时最大钻孔高度为1.9m，三个台阶高度均超过此标准，须借助开挖平台抬升作业面才能完成作业。因此从整体工效考虑，三台阶施工时宜采用洞碴铺筑方式搭设台阶施工平台更为灵活高效。两类平台优缺点如表1所示。

2.2.2合理设置台阶高度在使用洞碴铺筑平台进行钻爆作业的前提下，应合理规划台阶高度，原因在于洞碴铺筑高度有限。因洞碴铺筑部分无法施作底板眼及辅助眼，若洞碴铺筑高度过高，将导致底板部分爆破效果不佳。若围岩性能较好，后期出碴过程中甚至会出现大块尚未爆破破碎岩体，严重时需要补炮解决，降低工效。

2.3重视洞碴出运工序衔接

三台阶洞碴出运是单线隧道快速化施工的决定因素之一。出碴过程中的要点为如下。（1）挖掘机首先清理出上、中台阶工作面，在上、中台阶工作面即将清理完成时，洞外装载机运输拱架进入隧道，停留于避车洞等候；（2）上、中台阶清理出来后，挖掘机修整下台阶至上台阶坡道，装载有拱架的洞外装载机驶上坡道，将拱架卸于上台阶后退出工作面，下台阶继续出碴作业；（3）下台阶出碴与上、中台阶立架作业同时进行，下台阶出碴完成后上、中台阶立架完成，可继续进行下台阶立架作业。由此可见，上、中台阶出碴完成后立即进行其立架作业，下台阶出碴与上、中立架作业并行作业是快速化施工的关键。

3施工工效对比

杏子山隧道于2018年5月开始全面推行快速化施工。本案例将3月9日~4月19日共计46个循环施工效率情况，包括“出碴-立架”工序单位循环作业时间、“喷锚”工序单位循环作业时间作为快速化施工前常规施工的对比样本，将与4月19日~9月22日采用快速化施工后施工共计205个循环施工效率情况进行对比，计算平均单位循环作业时间，以反映出采用快速化施工后，对施工进度的提升效果。考虑到现场实际进尺（榀数）并非固定，以下对比时均折算为在单位循环进尺（单榀拱架进尺）的单循环耗用时间。

3.1“出碴—立架”工序时间对比

快速化施工推行前，出碴和立架工序为先后进行，并无工序搭接；快速化施工推行后，实现了出碴和立架作业并行开展，有效增加了工序搭接，缩短了作业时长。如图4所示，实施快速化施工前，两道工序的单位循环平均耗时约4.77h；实施快速化施工后，两道工序的单位循环平均耗时约2.04~2.32h（图中红色虚线），平均节约时间53%，工效提升显著。

3.2喷锚作业时间对比

快速化施工采用了自行式湿喷机，在作业班前准备阶段可节省以往采用装载机吊运湿喷机就位的时间；在班后退场阶段可节省以往采用装载机吊运湿喷机撤场时间，最终在喷锚工序作业环节可节省工序时间。如图5所示。实施快速化施工前，两道工序的单位循环平均耗时约4.4h；实施快速化施工后，两道工序的单位循环平均耗时约2.94~3.69h，平均节约时间17%，工效提升显著。

4结语

不良地质地区单线铁路隧道矿山法施工需要面临围岩变形难以控制、安全风险高及作业空间狭小、施工工效低的问题，而采用快速化施工、紧抓工序衔接，可实现安全与工效的平衡。（1）单线铁路隧道三台阶法施工应尽可能增加工序搭接和平行作业，在围岩条件允许时进行各台阶同步起爆及出碴，充分发挥三台阶施工工法开挖断面稳定性好、封闭成环时间短、作业面多的特点，可有效提升工效，达到快速化施工的目的，突破单线软弱围岩隧道进度缓慢、工效低的施工瓶颈。（2）单线隧道三台阶法快速化控制要点：一是合理进行爆破设计，合理控制碴堆顶部钻孔角度及装药，提高爆破效率。对于上台阶开挖，需采用光面爆破方式进行钻爆设计；对于中、下台阶开挖，采用浅孔台阶爆破设计。二是合理选择作业平台类型，因其工作面狭小的特点，使用洞碴铺筑各台阶施工作业平台，合理设置台阶高度可明显提高工效。三是重视洞碴出运工序衔接，上、中台阶出碴完成后立即进行其立架作业，下台阶出碴与上、中立架作业并行作业是快速化施工的关键。（3）单线隧道三台阶法快速化，实现了出碴和立架作业并行开展，有效增加了工序搭接，缩短了作业时长。采用自行式湿喷机，在作业班前准备阶段可节省以往采用装载机吊运湿喷机就位的时间；在班后退场阶段可节省以往采用装载机吊运湿喷机撤场时间，最终在喷锚工序作业环节可节省工序时间，相比于通常的施工方法整体工效提升效果显著。

参考文献

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[2]徐俊义.大断面隧道三台阶七步开挖法爆破设计研究[J].中国设备工程，2018（18）：148-149.

[3]谢文清，陈耀.铁路单线特长隧道快速施工组织探究[J].隧道建设（中英文），2017，37（z2）：198-204.

作者：曾韬 单位：湘潭铁路工程学校