軟弱圍巖隧道三臺階斜角同步開挖快速技術

【摘要】鐵路隧道設計斷面尺寸都很大，雙線隧道一般開挖斷面都在140平方米左右，在這種斷面情況下一般設計都是采用臺階法開挖較為普遍，臺階法開挖隧道經常不可避免出現拱腳懸空。三臺階施工的基礎上改變原來中、下臺階左右錯開分部開挖的傳統開挖方式，把各臺階斷面都開挖成斜角。采取即保證施工安全，又不讓各工作面閑置，更不讓各開挖面長時暴露，自由變形的施工方法，各臺階斷面與隧道中線成一定交角不垂直，保證了拱腳錯開開挖支護施工。

【關鍵詞】隧道；大斷面；三臺階；開挖技術

0 引言

目前鐵路隧道設計斷面尺寸都很大，雙線隧道一般開挖斷面都在140平方米左右，在這種斷面情況下一般設計都是采用臺階法開挖較為普遍，在采用的普通的三臺階法施工中，大多由于工序繁多，一個循環時間過長，施工進度緩慢。特別是在Ⅳ、Ⅴ級軟弱圍巖下施工，施工支護速度與變形有較大的關系，往往由于支護不及時、臺階過長、拱腳懸空等導致圍巖失穩產生較大變形，更有甚者產生安全事故。三臺階斜角同步開挖工法，就是在形成三臺階斜角同步開挖工作面后，能夠快速開挖、快速支護，避免左右拱架腳懸空、克服初支不及時、臺階過長這些通病，使隧道在軟弱圍巖

情況下快速掘進，給后續工序二襯快速提供工作面，以便進行襯砌施工，縮短軟弱圍巖自由變形時間，限制其變形空間。從而達到隧道快速施工的目的。因此，在南廣鐵路筆架隧道、六沾鐵路三聯隧道，通過認真分析Ⅳ、Ⅴ級軟弱圍巖和普通三臺階施工工法情況，通過對各臺階各道工序認真組織和臺階形式的改變，總結提出了一套新的施工方法，軟弱圍巖隧道三臺階斜角同步開挖施工工法，此工法在臺階法基礎上調整了臺階形式和各臺階各工序組織模式，有利于控制拱頂沉降及預防掉拱事故，保證施工時不會同地段初期支護左右兩側同時懸空，且臺階距離短，能及時封閉成環，相比臺階法其更具安全性；與其它三臺階七、六部開挖法相比，此工法減少了許多臨時支護，更經濟，且施工作業速度快，所以施工進度相比之下也有很大突破；因此有必要對該工法進行研究，為類似工程提供借鑒。

1 軟弱圍巖三臺階斜角施工技術特點

1.1采用三個臺階同時開挖同時起爆，施工各個工序安排組織嚴密，各道工序安排銜接要求高，才能達到快速施工的目的。

1.2各個臺階斷面與隧道中心不垂直，成一定交角，保證各個臺階同時一次性開挖后，同一榀拱架腳左右拱架腳不同時懸空，爆破震動撓動次數少。“少分部、安全、快速施工”在臺階施工過程中加強支護效果對控制隧道變形至關重要[8]。

1.3各個臺階不宜過長，長了不宜形成三個臺階同時開挖的工作環境。臺階長度短，初期支護閉合成環快、轉渣方便，仰拱和拱墻襯砌能及時跟進，較早形成穩定的支護體系。由于各個臺階各道工序組織嚴密，相互協調配合程度高，必須具有較強的管理措施，才能發揮工法的優勢。

2 施工工藝流程及安排要點

進行材料、資源、安全設施準備→上、中、下臺階鉆眼和裝藥→三個臺階同時起爆→上臺階扒渣同時下臺階出渣→上臺階錨桿鋼架安裝同時中臺階轉渣下臺階出渣→中臺階扒渣完成→中臺階錨桿鋼架安裝同時下臺階出渣→下臺階出渣完成→上、中臺階噴射混凝土同時下臺階錨桿鋼架安裝，待下臺階拱架安裝完成，使用上臺階噴射混凝土設備進行下臺階噴射混凝土→進入上中下臺階鉆眼。施工工藝流程圖如圖1所示。

3 工藝控制要點及措施

3.1 超前地質預報

在軟弱圍巖隧道施工中，超前地質預報主要采用超前地質鉆探、地質雷達、TSP綜合預報的方法，利用地質鉆機對開挖前進行30～50m的鉆探，根據鉆機鉆進過程中鉆速和所取得的芯樣對開挖面前方較短距離內的地質情況進行判斷，為提高其預報的準確度，與TSP、地質雷達、地質素描校對使用。當發現地質有變化，立即進行取樣進行試驗和加強監測頻率等，每循環對開挖面地質情況進行調查記錄，填寫隧道地質調查表，繪制開挖斷面地質素描圖。與設計地質情況相符地段每10m繪制一套包括起止點里程開挖斷面、兩側邊墻及隧道底部地質素描圖；與設計地質情況有出入的地段每5m繪制一套包括起止點里程開挖面、兩側邊墻及隧道底部地質素描圖[3]。

3.2 超前支護

超前支護根據設計參數和規范相關要求進行，并根據圍巖掉塊和地質預報情況進行加強支護。

3.3 開挖、初期支護步驟及注意事項

（1）開挖組織：為了確實能夠遵循軟弱圍巖“短進尺、多循環、早封閉”的原則，施工組織是關鍵，三個臺階開挖后，通風找頂完成，初噴后，應安排下臺階出渣上臺階采用挖機進行扒渣；與此同時，洞外組織支護材料和人員，預備上臺階進行支護，待上臺階扒渣完成，下臺階出渣暫停，讓上臺階進料完成后下臺階再繼續出渣；上臺階在進行錨桿、拱架安裝的同時挖機把中臺階渣倒到下臺階。下臺階出渣要保證在上臺階安裝拱架完成時基本同時完成，確保及時進行噴射混凝土作業。三臺階斜角同步開挖法開挖主要工序安排銜接見表1。

表1 軟弱圍巖隧道三臺階斜角同步開挖法主要工序安排銜接表

序號關鍵工序平行作業工序安排銜接示意圖備注

1測量放線

2上臺階鉆眼、裝藥起爆

3中臺階鉆眼、裝藥起爆

4下臺階鉆眼、裝藥起爆

5通風清危初噴

4上臺階轉渣

5中臺階轉渣

6下臺階出渣

7上臺階錨桿、拱架安裝

8中臺階錨桿、接拱腳

9下臺階錨桿、接拱腳

10噴射混凝土

（2）開挖出渣方式：根據圍巖情況對于土質隧道采用挖掘機開挖，人工配合修邊；對于石質隧道采用鉆眼爆破，在進行爆破設計時，要按照控制爆破進行震動驗算。出渣挖機配合裝載機裝渣，自卸汽車運輸。挖掘機在中臺階平臺上對上、中臺階進行轉渣，并將洞渣轉至下臺階，并配合裝載機（裝載機在下臺階）進行裝渣、自卸汽車運輸；上、中臺階轉渣完后挖掘機在中臺階對下臺階左右兩側剩余渣（裝載機很難裝的渣）進行挖并裝車，同時裝載機在下臺階裝渣、自卸汽車運輸。

（3）開挖、初期支護步驟：

1）在拱部超前支護的保護下，對上臺階進行開挖，開挖到工法要求的三個臺階長度后，進行中臺階開挖、下臺階開挖，形成三臺階斜角同步開挖的工作面；三臺階斜角同步開挖透視圖見圖2所示，三臺階斜角同步開挖步驟圖3所示。

2）根據圍巖情況，土質隧道采用挖機開挖，人工修整的方式從上臺階到下臺階逐步進行開挖和支護，中、下臺階形成斜角；對于石質隧道采用鉆眼爆破的形式同時對三個臺階進行鉆眼爆破開挖，中、下臺階形成斜角。

3）進行上臺階的初噴、拱架架立、鋪設鋼筋網，初噴時出渣、轉渣稍作停頓；同時挖掘機把中臺階開挖的渣轉至下臺階，并配合裝載機進行下臺階出渣；

4）進行上臺階鎖腳錨管、超前小導管施工；同時進行中臺階左右側兩個側墻工作面初噴、拱架架立、掛鋼筋網，下臺階左右側初噴、架立拱架；此時隧道出渣已經完成，所有噴射混凝土的機具、設備、風水電等均已就位；

5）進行上臺階噴射混凝土施工；同時中臺階左右側進行鎖腳錨管、錨桿鉆安；下臺階左右側掛鋼筋網、鉆安錨桿及鎖腳錨管；進行中下臺階左右拱腳四個工作面噴射混凝土施工。

圖2 三臺階斜角同步開挖法開挖透視圖

圖3 三臺階斜角同步開挖法開挖工序圖

3.4仰拱施工

（1）隧底開挖

隧底開挖采用全幅分段施工，上面鋪設仰拱棧橋，仰拱棧橋長16～18m，單幅寬1.2m，每幅由工鋼和防滑鋼板焊成，棧橋放在隧道中部。隧底每循環開挖長度控制在2～3榀拱架間距。如仰拱施工滯后，初支仰拱距上臺階開挖面的距離超過35m時，應停止上臺階工作面的開挖或跳槽進行隧底開挖。

（2）仰拱初期支護

隧底開挖后，及時清除虛渣、雜物、泥漿、積水，然后安裝鋼架和縱向連接筋，噴混凝土至設計厚度，使初期支護及時閉合成環。

（3）仰拱混凝土澆筑

仰拱應超前拱墻襯砌，其超前距離宜保持2～3倍襯砌循環作業長度，二襯仰拱距上臺階開挖面的距離應≤50m。仰拱每循環澆筑長度與拱墻每循環襯砌長度相同，具體尺寸取決于模板臺車長度，施工時應保證仰拱與拱墻施工縫在同一斷面[5]。仰拱成型采用浮放模板支架。仰拱混凝土應分段全幅澆筑，一次成型，不留縱向施工縫，仰拱施工縫和變形縫應施作止水帶。仰拱表面應平順、不積水。

（4）仰拱填充混凝土澆筑

仰拱填充混凝土應在仰拱混凝土終凝后澆筑，澆筑前應清除仰拱表面的雜物和積水，連續澆筑，一次成型，不留縱向施工縫。仰拱填充表面坡度應符合設計要求，應平順、排水通暢、不積水。到達要求強度后移走棧橋，對填充面應回填0.5～1.0m保護層，再進行通車。

3.5拱墻二襯施工

Ⅳ、Ⅴ級圍巖隧道應根據圍巖和支護量測的變形速率來確定二次襯砌的施作時間，還要根據變形速率來確定二次襯砌的脫模時間。

拱墻二次襯砌采用全斷面整體鋼模襯砌臺車、拱墻一次灌筑混凝土，施工前按設計要求施作防水層、二襯鋼筋。拱墻二襯距上臺階開挖面的距離應≤90m。

3.6監控量測

根據隧道地質情況、施工方法、斷面情況制定監控量測實施方案，制定監控量測控制基準值，成立監控量測工作小組，及時掌握先進儀器設備使用和后期處理軟件的應用。但使用全站儀進行地表沉降、拱頂下沉、凈空變化等須使用高精密全站儀，測距精度不低于0.5mm，以保證量測精度。

1）收斂量測：將量測記錄及時輸入計算機系統，繪制洞內各測點的位移-時間的關系曲線，并進行數據處理及回歸分析，分析開挖上、中、下臺階時，支護全環閉合后，變形趨于平緩。收斂值大部分均應控制在控限標準的75%就趨于穩定，且后施工的隧道與先施工的隧道變形相差不大，說明施工方法支和護參數是安全可行的。

2）拱頂沉降和地表下沉量測：隧道地表下沉與控限標準比較不應超過80%，拱頂沉降主要是在施工中下臺階初支仰拱時會出現明顯速度增大現象，應重點控制，應達到初支仰拱施作完，明顯趨于平穩。

4 勞動力組織與工作內容

單作業面單循環施工作業人員配備見表2，以下人員配置是施工現場工作面所需作業人員及必要的現場管理人員的配置[6]。

表2 單作業面單循環施工作業人員配備表

作業內容所需人數備 注

上臺階

開挖初支23打鉆、裝藥，施作超前小導管、系統錨桿、鋼筋網片、拱架、鎖腳錨管、噴射混凝土等。

中臺階

開挖初支9打鉆、裝藥，施作系統錨桿、鋼筋網片、接拱腳、鎖腳錨管等。

下臺階

開挖初支8打鉆、裝藥，施作鋼筋網片、接拱腳、鎖腳錨管等。

挖掘機司機1把上臺階、中臺階開挖的渣轉至下臺階，并協助裝載機出渣。

裝載機司機1裝渣。

自卸汽車司機4根據運距所需車輛而定。

合計46

說明：該表只包含開挖、初支工序生產人員。

5 實施效果評價

在新建南廣鐵路筆架山隧道出口于2009年5月1開工，6月1日進入正洞開挖施工，于11年7月10日順利完成隧道出口IDK341+199.9～IDK342+775共1575.1m的隧道開挖施工，采用三臺階七步法施工309米，采用三臺階斜角開挖法施工了456m，采用上下臺階施工352.1m，采用全斷面施工了458m。三臺階斜角開挖施工情況見圖4 所示。

在施工中對三臺階七步開挖法改進為三臺階斜角開挖法后嚴格按照三臺階斜角開挖工法進行施工，嚴格按照制訂的監控量測方案進行量測，根據量測信息及時調整預留變形量和支護參數，進行動態施工，順利地穿過了奧陶系中統縮尾群千枚巖夾變質砂巖和（F4）破碎帶及其影響帶，在施工中未發生塌方和施工質量、安全事故，平均每天進尺Ⅳ級圍巖4m/d，Ⅴ級圍巖2m/d。

通過新建南廣鐵路筆架山隧道出口工區軟弱圍巖段采用的三臺階斜角開挖施工工程證明了有效性和實用性。

6 結論與體會

采用三臺階斜角能有效地控制隧道變形，使工程施工處于安全、可控狀態，在保證安全的前提下加快進度節省人工、機械費，從而節約了資金。三個臺階同步開挖，而且同一榀拱架拱腳不同時懸空，保證了安全的前提下，單洞單口開挖支護平均進度指標可達80～120m/月。而且能夠確保有充足時間進行超前地質預報工作。該方法克服了斷面大的軟弱圍巖隧道自穩能力差、初期支護變形大、施工開挖支護時間長等施工難題，實現了安全、經濟、快速修建大跨軟弱圍巖隧道，對今后Ⅳ、Ⅴ級圍巖隧道和類似工程設計施工具有指導作用。此施工方法豐富了隧道開挖施工方法，雖然三個臺階同步開挖，由于是中、下臺階斷面與隧道中線斜交形成斜角，導致同一榀拱架拱腳不同時懸空，縮短了圍巖暴露時間，提高了隧道施工安全性，提高了隧道開挖支護施工技術水平。此施工方法與同類圍巖的三臺階七步法、三臺階六步法相比，減少了施工工序投入，并且方便機械化施工，可多作業面平行施工，提高了機械設備的綜合利用率、進度快、工效高，其工期和經濟效益明顯。

參考文獻：

[1] 齊景岳，劉正雄，張儒林，卿光全《隧道爆破現代技術》1995 北京 中國鐵道出版社

[2] 中華人民共和國國家標準《爆破安全規程》2003 北京 國家質量監督檢驗檢疫總局發布

[3] 中華人民共和國行業標準《鐵路隧道施工規范》2003 北京 中國鐵道出版社

[4] 中華人民共和國行業標準《鐵路隧道工程施工安全技術規程》2009 北京 中國鐵道出版社

[5] 洪開榮等著《山區高速公路隧道施工關鍵技術》2011 人民交通出版社

[6] 中鐵隧道集團有限公司企業標準《鐵路工程項目標準化施工管理手冊》2010 洛陽 中鐵隧道集團有限公司發布

[7] 經規標準[2007]119號 鐵路大斷面隧道三臺階七步開挖法施工作業指南[s]. 北京 中國鐵道出版社，2009.

[8] 李文江等.軟巖隧道施工方法數值分析[J].隧道建設，2010，30（2）：137-141.

作者簡介： 楊濤，男，1976年出生湖南省邵陽市，1999年畢業于長沙鐵道學院國際貿易專業，本科，工程師，現從事工程管理工作。