软弱围岩隧道双曲臂凿岩台车三台阶施工工法研究与实践
三台阶工法是软弱围岩隧道施工主流工法之一，因工序转换频繁、作业空间受限等原因难以实现大型机械化。全（大）断面法、微台阶法因能最大化发挥大型机械效率、减少工序衔接时间而被推广应用。软弱破碎围岩条件下，全断面法面临掌子面自稳时间短、沉降控制难等挑战，往往要采取超前预加固措施，此时机械化开挖、立架等技术的适应性较差。近年来，国内围绕软弱围岩机械化施工开展了诸多探索。郑万（郑州～万州）高铁湖北段隧道通过增强掌子面稳定措施实现了大断面机械化开挖。渝昆（重庆～昆明）高铁来福隧道将双臂凿岩台车大臂增长至１.８ｍ，以满足大断面隧道台阶法施工要求。大房子隧道Ⅳ级围岩台阶法施工时，通过增大台阶高度与长度来为开挖台车创造作业空间。现有研究多集中于设备局部改造或工法被动适应，缺乏针对软弱围岩“机械－工法”协同优化的系统性研究。
本文依托西成铁路软弱围岩隧道工程，探索一种结合大型机械化配套的三台阶施工工法。通过优化台阶参数、采用双曲臂凿岩台车等弥补台阶法效率低的短板，保留台阶法控制围岩变形、保障掌子面稳定的工艺精髓，并在甘加隧道进行应用实践。
１ 工程概况
西成铁路甘加隧道１＃斜井进入正洞后向成都方向段（ＤＫ３５６＋６００～ＤＫ３５４＋７８９）全长１８１１ｍ，为典型的软岩大变形隧道段落，采用大型机械化（简称大机）施工。截至本研究统计时，该作业面累计进尺４６５ｍ，掌子面里程为ＤＫ３５６＋１３５，处于Ⅳ级围岩Ⅰ级变形段，见图１。该段隧道施工面临地质条件复杂、围岩自稳能力差、施工安全风险高等技术难题。
掌子面开挖揭示的地层岩性为三叠系下统江里沟组板岩，呈青灰色，属于泥质、砂质结构，板状构造发育。经现场点荷载试验及室内试验测定，岩石饱和单轴抗压强度（Ｒｃ）约５～１５ＭＰａ，属软岩范畴。岩体节理裂隙发育，体积节理数（Ｊｖ）约１２～１５条／ｍ³，岩体完整性系数（Ｋｖ）小于０.３５，属破碎状岩体。岩层单层厚度及占比分别为：３～１０ｃｍ，约占７５％；１～３ｃｍ，约占２５％。层间结合差，锤击易碎，无回弹，岩质较软。
掌子面整体湿润但无明显渗水，地下水以基岩裂隙水为主，水量贫乏。围岩稳定性较差，现场观测表明，在施工扰动下拱顶易出现掉块现象，临空面自稳时间不足３０ｍｉｎ，对开挖后施作初期支护的及时性提出了较高要求。
２ 原微台阶法施工难点
２．１ 工法及参数
原设计方案采用微台阶法作业，上台阶高度为７.２ｍ，台阶长度为３.０ｍ。为杜绝对称开挖，防止拱部坍塌，下台阶左右错开１个循环进尺（２～３榀拱架），单循环进尺为２ｍ（２榀）。目前，该工法平均循环用时控制在２０ｈ以内。微台阶法工序见图２。
２．２ 主要问题
现场实践表明，微台阶法在软弱围岩条件下暴露出以下问题。
１）立架施工效率低。为满足拱锚一体机安装上台阶拱架场地条件，要修筑临时坡道。待拱锚一体化台车完成上台阶拱架安装、锁脚锚杆施作、超前支护作业后，再进行下台阶立架和锁脚施工。由于临时坡道（图３）无法满足拱锚一体机施作下台阶锚杆及锁脚锚杆的作业要求，拆除临时坡道后方可进行下台阶作业。这种临时坡道修筑－拆除反复工序，导致总立架用时长达１１.５ｈ，工序衔接不畅，工效低下。
２）支护作业安全风险高。为缩短作业时间，现场采用上台阶机械立架＋下台阶人工立架的平行作业方式。该方式虽较流水作业可节约２.０ｈ，但存在两大安全隐患：①上下台阶立体交叉作业，上台阶机械作业对下台阶人员构成物体打击风险；②拱顶易发生掉块，直接威胁下台阶作业人员安全。
３）掌子面稳定性差。上台阶高度较大（７.２ｍ），爆破后掌子面及拱顶围岩易出现掉块、局部坍塌，增加了超挖面积，也增大了施作初期支护的难度。
３ 基于机械化配套的三台阶工法参数优化及应用成果
３．１ 基于掌子面稳定性的台阶高度分析
现有研究表明，台阶高度对掌子面变形影响最为突出，压力拱理论指出塌落拱高度与临空跨度成正比，减小跨度可降低拱高，加速成拱。文献基于极限平衡理论，建立了考虑超前支护的掌子面稳定系数（Ｋ）计算式。本文考虑无超前支护工况，可得简化计算式为
式中：Ｆｃ为滑移面黏聚力合力，Ｆｃ＝ＢＤ／ｓｉｎθ０，Ｂ为隧道跨度，Ｄ为上台阶高度，θ０为破坏角，由围岩内摩擦角（φ）确定，θ０＝０.２５π＋０.５φ；Ｆｑ为滑移体上方围岩压力合力，Ｆｑ＝ｑＢ（Ｄｃｏｔθ０＋Ｌｅ），ｑ为竖向围岩压力，Ｌｅ为未支护段长度；Ｆｗ为滑移体自重，Ｆｗ＝０.５γＤ²Ｂｃｏｔθ０，γ为围岩重度；β１、β２、β３为仅与θ０、φ有关的系数。
由式（１）可知：Ｋ随Ｄ增大而减小的主要原因是Ｆｗ与Ｄ²成正比，即滑移体自重随台阶高度呈平方级增长，合理降低Ｄ是提升掌子面稳定性的有效途径。
为实现台阶高度的定量优化，以ＴＢ１０００３—２０１６《铁路隧道设计规范》规定的设计稳定系数［Ｋ］＝１.１５为控制目标，把该围岩参数、隧道尺寸等代入式（１）计算。计算表明，微台阶法Ｄ＝７.２ｍ时，Ｋ＝１.１４２，略低于规范要求；三台阶法上台阶高度Ｄ分别取６.５、６.０、５.５、５.０ｍ时，对应Ｋ值分别为１.１５６、１.１７０、１.１８０、１.１８７，均满足规范要求。上台阶高度取值过小会压缩作业空间，影响大机工作效率。经综合比较，确定Ｄ＝５.５ｍ。该上台阶高度在保证掌子面稳定的前提下还有利于施工组织，因此将其作为工法优化后的上台阶高度。
３．２ 基于设备匹配性的台阶长度优化
双曲臂凿岩台车专门针对台阶法设计的Ｚ形曲臂结构，较常规三臂台车有明显的适应性优势。曲臂可弯折绕过台阶，一次定位覆盖上、中、下台阶，无施工盲区；可作业至水平面以下，直接施作仰拱钻孔；车身尺寸小（９.５５０ｍ×２.４６５ｍ×３.６００ｍ），狭窄空间通过性强，尤其适用于斜井进正洞狭窄作业面施工、单车道平导灵活转场等场景。相比之下，常规三臂台车（直臂结构）应用于台阶法存在臂架干涉、拱脚盲区等问题，即使采用加长钻臂改造（如渝昆高铁来福隧道），仍存在残余盲区和掌子面死角，且无法有效施作仰拱。
“以机定法”是提升隧道施工工效的关键，为充分发挥双曲臂台车“一次定位、多台阶覆盖”的设计功能，中台阶要提供足够的停机作业长度。经现场实测，台车完成全断面钻孔约需８～１０ｍ作业空间。若中台阶长度不足，台车需２～３次移机才能覆盖全断面，削弱机械化优势。因此，中台阶长度确定为８～１２ｍ。
优化后的三台阶法参数如下：上台阶高度降至５.５ｍ，长度为３～５ｍ，以提高自稳能力；中台阶高度为２.５ｍ，长度为８～１２ｍ，作为大机设备的作业平台；下台阶高度为２.０ｍ。循环进尺方面，上台阶为２～３榀，中、下台阶每循环为３榀，以快速完成锚喷支护，降低施工风险。施工步骤见图４。
３．３ 工艺流程及机械化配套
采用上台阶开挖→中台阶跟进开挖→下台阶落底的流水作业模式。双曲臂凿岩台车（图５）布置于中台阶平台进行钻孔作业，拱锚一体机紧随其后进行支护施工，实现开挖到支护快速衔接。
掌子面配备双曲臂电脑凿岩台车２台、拱锚一体机１台，备用三臂凿岩台车、超前地质钻机、锚杆钻机各１台。洞口设大机专用库房７间，用于设备停放与维修保养。
３．４ 实施效果综合评价
３．４．１ 施工安全性有效提升
上台阶高度由７.２ｍ降至５.５ｍ，掌子面自稳能力提高，减少了立架过程中拱顶、掌子面掉块风险，保证了立架作业人员的安全。
３．４．２ 隧道变形控制效果更优
在微台阶法、三台阶法施工段落分别设置监测断面一（里程ＤＫ３５６＋２００）和监测断面二（里程ＤＫ３５６＋１６０）。截至本研究统计时，变形监测结果见图６。可知：三台阶法累计变形远小于微台阶法，更早趋于稳定。
微台阶法、三台阶法施工段落监测数据见表１。可知：三阶法施工后，隧道最大拱顶沉降由１５８.８ｍｍ降至７５.９ｍｍ，降幅５２％；上台阶最大水平收敛由２６６.２ｍｍ降至９９.９ｍｍ，降幅６２％，控制在１００ｍｍ内；下台阶收敛最大值由９１.１ｍｍ降至７５.６ｍｍ。可见，三台阶法控制围岩变形更具优势。
３．４．３ 施工效率提升
微台阶和三台阶工序用时对比见表２。可知：在同样进尺２榀拱架的条件下，优化后单循环总用时由２０.０ｈ缩至１７.８ｈ，每循环用时节省２.２ｈ，效率提升１１％。其中，三台阶法在立架＋挂网工序上节约时间最多，为０.７ｈ。
３．４．４ 人员配置与组织管理优势
采用“三自”管理模式，由项目部直管作业层。常规钻爆开挖与立架作业共需２７人，其中开挖１３人，立架１４人。采用优化后的三台阶法，共需大机司机６人（凿岩台车４人，拱锚一体机２人），配合人员１１人（进行钻孔、装药、立架），总计１７人。可见，优化后的三台阶法施工较常规钻爆法减少了１０人。
３．５ 讨论
３．５．１ 施工效率提升的构成分析与优化潜力
工法优化后，节约的单循环总用时主要来自于立架＋挂网（节省０.７ｈ）和装药放炮（节省０.５ｈ）两个工序。立架时间节约源于避免了临时坡道“修－拆”循环施工；装药放炮时间节约主要源于提高了钻孔施工质量、优化了装药流程、采用了聚氯乙烯（ＰｏｌｙｖｉｎｙｌＣｈｌｏｒｉｄｅ，ＰＶＣ）管防塌孔等措施。三台阶法施工时，下台阶施工不占用掌子面时间，进一步加快了施工进度。在围岩条件变好的前提下，若能将每循环进尺调整为３ｍ（３榀），还可进一步提高大机作业工效，充分发挥其优势。
３．５．２ 本文工法与全断面机械化施工的适用性
本文的研究表明，在软弱围岩（Ｒｃ＜１５ＭＰａ、自稳时间小于３０ｍｉｎ）条件下，三台阶法并非落后工法，通过分步开挖可降低失稳风险，通过合理台阶参数可为大机施工提供作业空间。
基于本工程实践，提出软弱围岩机械化施工的工法分级建议为：Ⅰ级、Ⅱ级围岩采用全断面法＋常规三臂台车；Ⅲ级围岩采用微台阶法＋改进型或常规三臂台车；Ⅳ级、Ⅴ级围岩（软弱破碎）采用三台阶法＋双曲臂台车。在不良地质条件下，分步开挖与机械化装备的深度融合，是值得推广的技术路线。
４ 结论
１）揭示了双曲臂凿岩台车与三台阶工法的匹配机制，实现了台阶长度的“以机定法”：基于双曲臂台车长度将中台阶优化为８～１２ｍ，实现一次定位完成全断面钻孔，消除了微台阶法移机效能损失；曲臂结构克服了直臂台车钻眼盲区问题。
２）基于掌子面稳定性分析，确定了软弱围岩三台阶机械化施工台阶高度：上台阶高度由７.２ｍ降至５.５ｍ。经现场反馈，降低上台阶高度后，拱顶最大沉降由１５８.８ｍｍ降至７５.９ｍｍ，降幅５２％；上台阶最大收敛由２６６.２ｍｍ降至９９.９ｍｍ，降幅６２％，变形控制效果明显。
３）形成了软弱围岩全工序机械化配套施工方案，实现了效率与安全双提升：单循环用时由２０.０ｈ缩至１７.８ｈ，效率提升了１１％；作业人员由２７人减至１７人，减少了３７％，并消除了掌子面掉块风险。
４）明确了软弱围岩双曲臂台车三台阶施工工法适用性边界：适用于Ｒｃ＜１５ＭＰａ、自稳时间小于３０ｍｉｎ的Ⅳ级、Ⅴ级围岩。建议Ⅲ级围岩采用微台阶法搭配改进型或常规三臂台车，Ⅰ级、Ⅱ级硬岩采用全断面法搭配常规三臂台车。