三臺(tái)階七步開(kāi)挖法在大斷面淺埋偏壓地質(zhì)條件下的應(yīng)用

摘要：本文針對(duì)貴州從江縣獨(dú)洞鄉(xiāng)廈蓉高速公路第AT8合同段老寨隧道地質(zhì)結(jié)構(gòu)，借鑒近些年斷面隧道施工的成功經(jīng)驗(yàn)，規(guī)避傳統(tǒng)施工方法的局限性，在確保施工安全和工程質(zhì)量的前提下為了加快施工進(jìn)度，提出了三臺(tái)階七步開(kāi)挖法施工的工藝流程、施工步驟、控制要點(diǎn)、勞動(dòng)組織、機(jī)具設(shè)備等，突出大斷面軟巖隧道開(kāi)挖施工的技術(shù)特點(diǎn)。分析施工重點(diǎn)，提出監(jiān)控量測(cè)、超前支護(hù)、及時(shí)封閉仰拱、及時(shí)封閉二次襯砌永久支護(hù)、加設(shè)鎖腳錨桿、預(yù)防塌方等安全保證措施，以及質(zhì)量保證措施。

關(guān)鍵詞：三臺(tái)階七步開(kāi)挖法 大斷面 淺埋 施工工藝

0 引言

三臺(tái)階法又稱弧形導(dǎo)坑留核心土法。上部留核心土可以支擋開(kāi)挖工作面，利于及時(shí)施做拱部初期支護(hù)增強(qiáng)開(kāi)挖工作面穩(wěn)定。核心土及下部開(kāi)挖在拱部初期支護(hù)下進(jìn)行，施工安全性較好。三臺(tái)階開(kāi)挖法能及早的使支護(hù)結(jié)構(gòu)形成閉合斷面，更利于控制隧道的內(nèi)空變位速度和變位量，更利于控制地表下沉量。實(shí)際施工中，臺(tái)階長(zhǎng)度可根據(jù)需要適當(dāng)調(diào)整。

下面以老寨隧道為工程實(shí)例，詳細(xì)介紹三臺(tái)階開(kāi)挖法在軟巖隧道中的應(yīng)用。

1 工程概況

老寨隧道為分離式隧道，左幅隧道起訖樁號(hào)為ZK38+425～ZK38＋870，L＝445m，最大埋深約83m；右幅隧道起訖樁號(hào)為YK38+440～YK37+815，L=375m，最大埋深約75m。隧道區(qū)地處貴州高原東南部山區(qū)向廣西丘陵過(guò)渡的斜坡地帶，隧道位于從江縣獨(dú)洞鄉(xiāng)北西1.10km處，因處于黔東南山區(qū)，交通條件較差。

區(qū)域內(nèi)地下水為基巖裂隙水，地下水主要靠大氣降水沿巖層層面及風(fēng)化節(jié)理面垂直下滲補(bǔ)給。雨季，大氣降水一部分順坡面向東運(yùn)移向地勢(shì)低洼處的沖溝兩側(cè)以散狀徑流排泄，一部分向西運(yùn)移向地勢(shì)低洼處的沖溝兩側(cè)以散狀形式徑流排泄。隧道區(qū)基巖風(fēng)化節(jié)理裂隙發(fā)育，且存在東、西沖溝內(nèi)兩側(cè)地下散水排泄，雨季可能出現(xiàn)突發(fā)性涌水。地表未見(jiàn)泉點(diǎn)出露。隧道區(qū)內(nèi)巖性組合較簡(jiǎn)單，場(chǎng)地穩(wěn)定性較好，隧道出口左幅存在一定偏壓，經(jīng)處理后適宜隧道建設(shè)。

2 施工方案與方法確定

如果施工斷面大，則一定要根據(jù)施工原則選擇合理的施工方案，即重地質(zhì)、管超前、短開(kāi)挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、早成環(huán)，我們主要采用三臺(tái)階七步開(kāi)挖法進(jìn)行老寨隧道的開(kāi)挖。

三臺(tái)階七步開(kāi)挖法進(jìn)行隧道開(kāi)挖，主要包括上、中、下臺(tái)階及仰拱四項(xiàng)分部工程，前后左右7個(gè)不同的開(kāi)挖面相互錯(cuò)開(kāi)同時(shí)開(kāi)挖，構(gòu)成整體的支護(hù)，以節(jié)省作業(yè)循環(huán)時(shí)間，盡快向縱深挖掘。拱部進(jìn)行環(huán)形開(kāi)挖將中部的核心土留出來(lái)，使掌子面保持穩(wěn)定狀態(tài)。另外，中、下部的開(kāi)挖同樣也采用環(huán)形開(kāi)挖的方法，預(yù)留中部土體，以穩(wěn)定掌子面。下面簡(jiǎn)要分析三臺(tái)階七步開(kāi)挖法的特點(diǎn)：

2.1 施工空間大，多個(gè)作業(yè)面中大型施工機(jī)械可平行施工，工作效率高。可采用挖掘機(jī)對(duì)于有的軟巖地段的下半部斷面進(jìn)行開(kāi)挖，無(wú)需爆破，盡量不對(duì)圍巖造成太大的擾動(dòng)。

2.2 有的隧道工程處于地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜的地段，施工時(shí)要適時(shí)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整施工方案，盡量不拖延施工進(jìn)度。

2.3 適應(yīng)多種斷面形式和不同跨度，初期支護(hù)工序操作便捷。

2.4 混凝土仰拱超前施作，便于初期支護(hù)及時(shí)閉合不承載。

2.5 為取得預(yù)期的施工效果，應(yīng)全斷面一次施作防水層和灌筑混凝土襯砌。

2.6 對(duì)設(shè)備沒(méi)有特殊的要求，操作性強(qiáng)，節(jié)省建設(shè)資金，可廣泛應(yīng)用到開(kāi)挖施工中。

2.7 當(dāng)圍巖變形較大或突變時(shí)，可盡快調(diào)整閉合時(shí)間。

對(duì)施工方案進(jìn)行分析比選之后，最后決定通過(guò)三臺(tái)階七步開(kāi)挖法進(jìn)行老寨隧道的開(kāi)挖施工。

3 施工工藝

3.1 工藝要求

3.1.1 本隧道穿越Ⅵ、Ⅴ、Ⅳ級(jí)圍巖，工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道系統(tǒng)錨桿選用D25中空注漿錨桿，錨桿必須設(shè)置墊板，施工時(shí)錨桿墊板必須與圍巖密貼。

3.1.2 鋼支撐尺寸圓順，架立準(zhǔn)確，且密貼圍巖，其橫向和高程允許偏差±50mm，垂直度允許偏差±2°。

3.1.3 噴射混凝土采用濕噴工藝。

3.1.4 二次襯砌施作時(shí)必須先澆筑仰拱，然后進(jìn)行拱、墻部二次襯砌澆筑。

3.1.5 二次襯砌澆筑應(yīng)采用模板臺(tái)車(chē)泵送混凝土整體澆筑，以保證二次襯砌的密實(shí)。

3.1.6 小導(dǎo)管注漿壓力為0.5～1MPa，管棚注漿壓力為1～2MPa，壓力穩(wěn)定時(shí)間為1～5分鐘，漿液配合比及注漿量可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況酌情調(diào)整。

3.1.7 防排水嚴(yán)格執(zhí)行《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》（GB50108-2001），防水板接頭要嚴(yán)格密封并充氣，采用標(biāo)準(zhǔn)荷載檢測(cè)，各類(lèi)施工縫、沉降縫防水構(gòu)造安裝準(zhǔn)確、到位。

3.1.8 施工過(guò)程中加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，及時(shí)分析處理數(shù)據(jù)，調(diào)整支護(hù)參數(shù)。

3.1.9 左幅隧道榕江段應(yīng)按照相關(guān)設(shè)計(jì)圖對(duì)邊仰坡及擋墻、護(hù)拱等施作后方可進(jìn)洞。

3.2 工藝原理

通過(guò)三臺(tái)階七步開(kāi)挖法進(jìn)行隧道開(kāi)挖施工，主要采用弧形導(dǎo)坑開(kāi)挖預(yù)留核心土的施工方案，它包括上、中、下三個(gè)臺(tái)階七個(gè)開(kāi)挖面；同時(shí)，采用沿隧道縱向錯(cuò)開(kāi)和平行推進(jìn)的方法進(jìn)行各個(gè)分部工程的開(kāi)挖和支護(hù)施工。

3.3 工藝流程

3.4 三臺(tái)階七步開(kāi)挖法施工步驟

3.4.1 上部弧形導(dǎo)坑開(kāi)挖：進(jìn)行拱部超前支護(hù)后，采用環(huán)向開(kāi)挖的方法開(kāi)挖上部弧形導(dǎo)坑，并預(yù)留3～5m的核心土，核心土的寬度最好是隧道開(kāi)挖寬度的1/3～1/2。按初期支護(hù)鋼架之間的距離確定開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺的長(zhǎng)度，并將其控制在1.5m以內(nèi)，開(kāi)挖后盡快初噴3～5cm混凝土。上臺(tái)階開(kāi)挖后盡快開(kāi)始噴、錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護(hù)的施工，同時(shí)架設(shè)鋼架，鋼架拱腳往上30cm的地方要打設(shè)鎖腳錨桿，注意使其與鋼架兩側(cè)貼緊，根據(jù)厚度要求進(jìn)行混凝土的覆噴。

3.4.2 左、右側(cè)中臺(tái)階開(kāi)挖：開(kāi)挖進(jìn)尺必須按照初期支護(hù)鋼架之間的距離而定，一般要控制在1.5m以內(nèi)，高度不得超過(guò)3～3.5m，左側(cè)臺(tái)階與右側(cè)臺(tái)階應(yīng)錯(cuò)開(kāi)2～3m的距離，開(kāi)挖后要初噴3～5cm混凝土，還要盡快開(kāi)展噴、錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護(hù)施工，接長(zhǎng)鋼架，在鋼架墻腳向上30cm的地方，按30°的下傾角緊貼鋼架兩側(cè)打設(shè)鎖腳錨桿，鋼架和鎖腳錨桿的焊接要牢固可靠，最后根據(jù)施工要求復(fù)噴混凝土。

3.4.3 左、右側(cè)下臺(tái)階開(kāi)挖：按初期支護(hù)鋼架之間的距離來(lái)確定開(kāi)挖進(jìn)尺的長(zhǎng)度，且不得超過(guò)1.5m的既定范圍，開(kāi)挖時(shí)保持3～3.5m的高度，左側(cè)臺(tái)階與右側(cè)臺(tái)階錯(cuò)開(kāi)2m～3m，開(kāi)挖后盡早初噴3～5cm混凝土，并在最短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)始噴、錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護(hù)施工，接長(zhǎng)鋼架，在鋼架墻腳向上30cm的地方，緊貼鋼架兩側(cè)邊沿按下傾角30°打設(shè)鎖腳錨桿，要牢固焊接鎖腳錨桿和鋼架，再按厚度要求完成混凝土的復(fù)噴。

3.4.4 上、中、下臺(tái)階預(yù)留核心土：上、中、下臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)要預(yù)留核心土，且各個(gè)臺(tái)階開(kāi)挖進(jìn)尺長(zhǎng)度要和循環(huán)進(jìn)尺長(zhǎng)度相同。

3.4.5 隧底開(kāi)挖：每循環(huán)開(kāi)挖長(zhǎng)度最好是2～3m，開(kāi)挖后盡快進(jìn)行仰拱初期支護(hù)的施工，兩個(gè)隧底開(kāi)挖和支護(hù)循環(huán)結(jié)束以后，就開(kāi)始仰拱的開(kāi)挖，并將仰拱分段長(zhǎng)度控制在4～6m。

3.5 三臺(tái)階七步開(kāi)挖法施工注意事項(xiàng)

3.5.1 采用三臺(tái)階七步開(kāi)挖法施工的隧道，應(yīng)將超前地質(zhì)預(yù)報(bào)納入施工工序，及早封閉成環(huán)以保證施工安全。

3.5.2 施工中，為避免圍巖松弛，提高隧道開(kāi)挖施工的安全系數(shù)，應(yīng)提前了解當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)狀況，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范做好超前支護(hù)。斷層、破碎帶等某些施工地段地層自穩(wěn)性不好，需要根據(jù)施工要求加強(qiáng)超前支護(hù)。

3.5.3 采用三臺(tái)階七步開(kāi)挖法進(jìn)行隧道開(kāi)挖施工必須注意以下幾點(diǎn)：①以機(jī)械開(kāi)挖為主，需要時(shí)強(qiáng)輔以弱爆破；②弧形導(dǎo)坑的開(kāi)挖必須順著開(kāi)挖輪廓線環(huán)向進(jìn)行，同時(shí)預(yù)留核心土，開(kāi)挖后還要及時(shí)進(jìn)行支護(hù)施工。③采取平行開(kāi)挖的方法進(jìn)行其余分步的開(kāi)挖，初期支護(hù)也要平行施作，以確保其緊密銜接，然后封閉成環(huán)。④結(jié)束下臺(tái)階的開(kāi)挖后及時(shí)進(jìn)行仰拱開(kāi)挖，使其盡快封閉成環(huán)，構(gòu)成整體支護(hù)。⑤實(shí)時(shí)監(jiān)控開(kāi)挖過(guò)程，對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行合理的調(diào)整，并預(yù)留變形量，提高施工的安全系數(shù)。⑥為避免拱墻腳基礎(chǔ)被地下水浸泡，洞內(nèi)必須設(shè)有臨時(shí)防排水系統(tǒng)。

4 施工安全、質(zhì)量控制措施

4.1 洞頂、洞口防排水系統(tǒng)要在隧道進(jìn)洞前就設(shè)置妥當(dāng)。鋪砌洞口和洞頂?shù)呐潘疁希⒂蒙皾{抹面，以免下滲的施工用水及地表水對(duì)結(jié)構(gòu)安全造成破壞。

4.2 運(yùn)用三臺(tái)階七步開(kāi)挖法開(kāi)展隧道施工活動(dòng)，為防止長(zhǎng)時(shí)間暴露而影響圍巖穩(wěn)定性，上下工序必須緊密銜接。

4.3 臺(tái)階不宜過(guò)長(zhǎng)，開(kāi)挖時(shí)要預(yù)留3～5m的核心土，其寬度最好占隧道開(kāi)挖寬度的1/3～1/2。

4.4 運(yùn)用三臺(tái)階七步開(kāi)挖法進(jìn)行隧道開(kāi)挖，必須按設(shè)計(jì)要求確定開(kāi)挖長(zhǎng)度，一般控制在1.5m以內(nèi)，循環(huán)進(jìn)尺長(zhǎng)度要按實(shí)際圍巖地質(zhì)狀況而定；開(kāi)挖后初噴3～5cm混凝土，避免圍巖長(zhǎng)時(shí)間暴露。

4.5 超前支護(hù)必須符合施工要求，其外插角的控制是重點(diǎn)，按注漿工藝加固地層，做好超前支護(hù)后再進(jìn)行隧道開(kāi)挖。

4.6 中、下臺(tái)階左、右側(cè)錯(cuò)開(kāi)2～3m再開(kāi)挖，不允許對(duì)開(kāi)。

4.7 人工開(kāi)挖隧道四周預(yù)留的30cm的地方，然后用機(jī)械進(jìn)行其余部位的開(kāi)挖；開(kāi)挖時(shí)通過(guò)弱爆破的方法進(jìn)行局部爆破，為避免對(duì)圍巖造成大的擾動(dòng)，注意不要超挖。

4.8 根據(jù)施工要求制作鋼架。在堅(jiān)實(shí)基面上架設(shè)鋼架，注意不要用虛碴回填拱（墻）腳或使其懸空，牢固焊接鎖腳錨桿（管）和鋼架。

4.9 超挖的部分一定要回填密實(shí)，初期支護(hù)背后不允許有空洞。為確保圍巖和初期支護(hù)密貼，也可采用注漿回填。

4.10 開(kāi)挖時(shí)可通過(guò)擴(kuò)大拱（墻）腳初期支護(hù)基礎(chǔ)，安裝拱（墻）腳槽鋼墊板和鋼架拱（墻）腳部位縱向連接筋、加強(qiáng)拱（墻）腳承載力、增設(shè)拱（墻）腳鎖腳錨桿（管）等施工方法對(duì)變形進(jìn)行有效的控制。

4.11 根據(jù)施工要求嚴(yán)格進(jìn)行監(jiān)測(cè)工作，并參照監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)支護(hù)參數(shù)做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，合理安排二次襯砌的施作時(shí)間，推行信息化施工管理。

4.12 隧道施工應(yīng)加強(qiáng)洞內(nèi)通風(fēng)，作業(yè)環(huán)境應(yīng)符合職業(yè)健康及安全標(biāo)準(zhǔn)。

4.13 進(jìn)一步完善洞內(nèi)臨時(shí)防排水系統(tǒng)，注意防止拱（墻）腳被積水浸泡或隧道開(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng)積水漫流而影響基底承載力。反坡施工時(shí)，應(yīng)設(shè)置集水坑將水集中抽排。如果地層含水較多，最好在上臺(tái)階開(kāi)挖工作面周?chē)鲈O(shè)一條橫向水溝，使水沿兩側(cè)的排水溝或由隧道中部排出；還可以結(jié)合井點(diǎn)降水等方法，使地下水位下降到隧道仰拱以下，以確保正常開(kāi)展施工活動(dòng)。

5 監(jiān)控量測(cè)

隧道按照《噴錨構(gòu)筑法技術(shù)規(guī)范》的要求以量測(cè)資料為基礎(chǔ)及時(shí)修正初期支護(hù)參數(shù)，實(shí)施動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、施工。圍巖量測(cè)采用BJSD-2型激光隧道限界檢測(cè)斷面儀和NA28水準(zhǔn)儀等進(jìn)行周邊水平收斂和拱頂下沉量測(cè)。將洞內(nèi)外觀察、凈空水平收斂量測(cè)和拱頂下沉量測(cè)列為必測(cè)項(xiàng)目，必要時(shí)在隧底增設(shè)隧底上鼓量測(cè)及地表沉降量測(cè)項(xiàng)目。量測(cè)斷面間距5～10m。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)大斷面淺埋偏壓隧道施工特點(diǎn)進(jìn)行分析之后，根據(jù)理論計(jì)算，施工單位決定利用三臺(tái)階七步開(kāi)挖法開(kāi)挖老寨隧道。這種施工方法后幫助施工單位攻克了多項(xiàng)技術(shù)難題，施工中有助于對(duì)各道工序進(jìn)行有效的控制，提高了作業(yè)安全系數(shù)、保證工期的前提下，也取得了預(yù)期的施工效果；施工月平均進(jìn)尺85m，真正做到了大斷面隧道快速掘進(jìn)。這項(xiàng)工程也能為其他地質(zhì)復(fù)雜的大斷面軟巖隧道開(kāi)挖提供有借鑒價(jià)值的資料。

參考文獻(xiàn):

[1]趙勇.高速鐵路隧道[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2006.

[2]《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》.(JTJ042-94).