中交第二公路工程局有限公司 710065
摘要：在保证施工安全的前提下，为达到单线铁路隧道施工进度和经济效益的最优化，肯尼亚内马铁路恩贡山隧道采用微台阶法开挖施工工艺，通过设计制作专用开挖台车解决上下台阶平行作业，过程中对围岩支护参数根据围岩变化情况进行动态调整，确保施工安全，提高施工效率，增加经济效益。
关键词：单线铁路隧道，微台阶法，开挖，平行作业
0引言
我国在20世纪70年代引入新奥法，得到迅速推广，取得了良好的技术经济效果。新奥法是一种适用于软弱破碎围岩地段修筑隧道的基本方法，其理论基础是围岩具有自承能力，强调隧道开挖要充分发挥围岩的自承能力[1]。根据围岩的自承能力不同，隧道开挖方法分为全断面法、台阶法和分部开挖法[2]。其中，台阶法根据台阶长度，可分为长台阶、短台阶、超短台阶（微台阶）法。对于Ⅳ、Ⅴ级软弱围岩，一般采用超短台阶法或者分部开挖法施工[3]。本文以肯尼亚内马铁路恩贡山隧道为依托，通过对微台阶法开挖施工技术进行研究总结，形成适用于肯尼亚地区单线铁路隧道的开挖技术。
1工程概况
肯尼亚内马铁路恩贡山隧道位于内罗毕恩贡镇西北部5公里，属东非大裂谷东翼山区边缘地带。起讫里程为DK34+826～DK39+324，全长4498m，洞身最大埋深约108m。恩贡山隧道为单线有砟铁路隧道，隧道轨面以上净空面积42.17m2。隧道围岩以强风化～弱风化的玄武岩和凝灰岩为主，围岩等级主要为Ⅳ、Ⅴ级围岩，掘进时Ⅳ、Ⅴ级围岩地段均采用微台阶法施工，Ⅳ及围岩掘进循环进尺控制在2.4m以内，Ⅴ级围岩循环进尺控制在0.8m以内。
2工程重难点
⑴施工空间狭小，工序干扰大。本隧道为单线隧道，净空断面小，施工组织难度大。如何实现隧道快速施工而达到良好的经济效益是关键所在。
⑵隧道地质构造复杂。隧址区处于地壳运动的活跃地带，沿裂谷走向发育着大量的正断层，本条隧道共有8条发育断层带，给施工安全带来重大隐患。
3施工工艺
台阶法施工工艺如图1所示。
4装运设备配备
隧道施工机械设备根据隧道长度、断面大小、辅助坑道设置、附属洞室设置、地质条件、施工方法、工期要求等因素进行配置。施工机械配置与施工方法相配套，注重经济合理，科学发挥机械的总体效率。
小断面单线铁路隧道对挖装运设备选型的要求较高，一号隧道最小断面为61.41m2，(是否加个断面图）爆破后初支间净宽可达6.9～7.2m，综合考虑设备的宽度和施工效能进行选型，选用宽2.86m的装载机与宽2.5m的自卸车组合，可为装载机提供较多的装渣活动空间，有效提高出渣效率，缩短工序时间。
（1）自卸汽车选型
经比较选择8m2自卸汽车（单桥）能满足要求，具体参数见表1所示。
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图1台阶法开挖施工工艺流程框图
表1自卸汽车参数一览表
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图1自卸汽车及混凝土罐车
同时，为将机械利用最大化，在配置自卸车数量时，根据断面方量、运距、装渣时间、自卸车运输速度等进行动态配置，自卸车形成循环。选取典型的IV级围岩围岩施工参数进行计算，隧道断面面积68m2，每循环进尺2.4m，考虑1.5倍的松铺系数，则每循环开挖方量为244.8m3。单桥车每车装运量按照8m3/车，每循环装运车次为31车。
50型装载机装一铲3m3按照1.5分钟计算一车需要3分钟，加上倒车时间3分钟总共加起来需要6分钟。运距按照最远2km计算，出渣车速洞内平均按照15km/h计算，则每车行驶在区间内所需的时间为[6+（2000m÷15km/h）×60]×2=28min。每循环出渣用时为244.8÷8×5÷60=3.06h，则所需出渣车辆数量为31×28÷60÷3.06≈5辆。
通过现场实测，在施工至最大运距时，每循环投入自卸汽车5辆，满足现场需求，且可以针对运距的长短，进行自卸车辆的增减。
（2）装载机选型配备
单线铁路隧道由于断面小，一般装渣可供选择的装载机为40型和50型，40型装载机灵活性好，但装渣量少，效率较低；（主要是动力）50型装载机灵活性相对较差，但装渣量大，效率较高，同时考虑装载机在装渣过程中的活动受限，因此需采用侧翻式装载机。
一号隧道隧道采用的自卸汽车车宽较小，弥补了50型装载机车宽的缺点，形成配套组合，同时对避车洞进行扩大，解决错车等问题，所以综合考虑单线隧道单个工作面配备一台40装载机和一台50型侧翻装载机即可满足要求；50型装载机主要承担出渣任务，40型装载机主要承担洞内物资运输任务。装运渣机械配套组合见图2所示。
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图2 50型侧翻装载机和自卸车配套组合
（3）挖机选型配套
单线铁路隧道施工配备挖机时，需综合考虑施工效率和断面的适应性，小型挖机180（18吨以下）灵活性较好，但施工效率低，臂展较短，大型挖机灵活性较差，但施工效率高，臂展较大。隧道内挖机施工主要用于找顶和仰拱开挖，220型（22吨）挖机可实现找顶与上导断面清理同时进行，缩短工序时间。本隧道开挖断面高为9.6m，断面高度较大，围岩强度高时小型挖机无法满足挖仰拱和找顶的要求。在开挖仰拱时，挖机掉头次数较多，小型挖机效率较高，因此综合考：本隧道配备220（22吨）型挖掘机（图3）主要承担隧道找顶和清渣工作和150（吨）型挖掘机（图4）主要承担仰拱开挖工作。
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图3220型挖机清底 图4150型挖机挖仰拱
通过现场实测：针对不同工序进行合理配备机械，有效提高施工效率。
（4）喷射混凝土设备
喷射混凝土优先采用湿喷台车施工，相对喷浆机性能更优越，喷射混凝土质量更好，同时喷射效率高，可有效缩短工序耗时。喷浆机喷浆速率较慢，受人为因素影响较大，人工成本高。
项目之前采用湿喷台车施工，但在施工过程中容易出现湿喷台车配件损坏的现象，项目处于海外环境下，湿喷台车的专用配件采购周期长，较为困难，而湿喷机调配准备时间短，配件易采购。因此，本隧道通过加工拖板车将多台喷浆机形成喷浆机组。
通过现场实际对比分析，由于单线隧道断面小，喷浆方量较少，喷浆机组较湿喷台车效率高，喷浆台车更适用于大断面隧道。
（5）仰拱栈桥设备
在隧道钻爆法施工中，施作仰供对隧道掘进的影响较大。大多数钻爆法施工的隧道采用简易临时栈桥的方法进行仰拱施工，但是由于其结构形式简易，需要在两端采用机械设备采用进行移动，灵活性较差，安全性能差，不但仰拱施工质量难以控制，而且开挖、衬砌不能同步进行，导致施工效率低。
相比于简易栈桥仰拱施工，自行式仰拱栈桥采用带行走系统的栈桥跨越仰拱施工区段，各种车辆设备和人员在栈桥上正常通行，栈桥下部可进行仰拱钢筋绑扎、仰拱及填充浇筑作业等，解决了掌子面开挖支护施工与仰拱施工同时进行的问题，从而实现隧道施工快速安全推进，大大提高了施工生产效率。
内马一号隧道采用10m长的自行式仰拱栈桥施工，自行式仰拱栈桥集配套边摸（考虑钢边止水带夹具）、端头模板（考虑中埋式止水带夹具）、行走电机为一体，大大缩短了模板安装、定位和转移的工作量及时间，提高了施工效率。一次性完成10m仰拱浇筑减少了单线隧道洞内工序转换，减少了施工缝，有效地解决了仰拱施工与掌子面施工之间的干扰，加快了施工进度，保证了施工安全，节省了人员和设备的投入，取得了良好的经济效益。自行式栈桥如图5所示。
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图5集弧形模板、端头模板一体化的自行式栈桥
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图6整体性钢模板衬砌台车
（6）二次衬砌设备
洞内仰拱边墙施工完成后，两侧边墙宽度仅有5.1m，二衬台车的宽度直接影响洞内机械的通行，综合考虑挖、装、运、混凝土罐车等施工机械配置，采用门架式整体性钢模板台车，同时考虑标准断面和一般锚段两种断面形式的适用性。门架下部宽度3.45m，上部2.6m，高度4.35m，满足洞内二衬到掌子面机械的通行条件，提高了二次衬砌前方装运车辆的出渣效率，同时在一般锚段施工时，通过拆除螺栓，加装调节模板，缩短了模板改装时间。整体性二衬台车如图6所示。
5开挖台车改装
本隧道设计了一套可伸缩的悬臂式开挖台车。台车设计为3层，台架顶层前端加焊φ108钢管，内置φ75钢管，采用销子连接，调节钢管的长度来实现台车前臂的伸缩，从而缩短台车改装的时间，提高施工效率；台架主要采用I20工字钢作为主骨架，两侧平台采用I18工字钢，台架底部采用双工字钢作为滑道，增加接触面积，减少围岩软弱带台车下陷情况，便于装载机推送；台架站人平台满铺钢筋网。开挖台架如图7所示。
（2）爆破控制
根据现场实际，邀请爆破专家对隧道控制爆破进行专项设计，从炮眼布置、炮眼深度、装药段数、转药量、起爆顺序等方面进行控制，形成施工专项方案，在施工过程中严格落实，并根据围岩情况进行动态调整，控制超欠挖，确保施工安全。
6工法浅析
微台阶法上下台阶掌子面间距一般控制在3m左右。对于Ⅳ级围岩采用“2-4-6”模式进行循环前进，即掌子面上台阶向前掘进2榀拱架（2.4m），下台阶左侧、右侧同时推进2榀钢架，下台阶左、右施工时错开两榀拱架间距保证安全，爆破时上、下台阶同时爆破，（爆破时注意左、右错开部分围岩不能爆破），达到上下台阶同时爆破、出渣、钢架安装、喷射混凝土完成单次循环作业，从而避免上下台阶交叉作业造成的相互影响，达到提高功效的目的。
7结束语
采用微台阶法开挖以后，根据围岩支护型式，设计循环进尺Ⅳ、Ⅴ级围岩为2.4m；现场合理安排施工工序，每天可以达两个循环以上，爆破效果良好，施工进度做到了“短进尺、弱爆破、快循环”，并确保了施工安全及施工质量，有效的保证了预定工期。
图7前端悬臂式开挖台架