淺談黃土隧道洞身開挖施工技術

李 磊

中鐵四局集團第七工程分公司，安徽合肥 230000

陜西省陜北是是中國的黃土高原，在黃土臺塬施工隧道，其施工進度和安全性一直是施工企業面臨的難題。只要不是富含水的土壤，通過有效的開挖方式保持圍巖的穩定性，就能夠解決這個難題。對于黃土為強風化泥巖或粘土巖的Ⅴ級圍巖，通過采用保留中央核心土的“三臺階七步法”開挖技術，在陜西延安一帶的高速公路隧道施工中，得到了較好運用，既提高了工效又保證了施工安全。

1 隧道開挖方法

1.1 總體施工方案

對于粘土巖采用三階段機械化作業，第一是洞身掘進，主要采用小型挖掘機開挖，人工采用風鎬配合局部和細部的開挖、采用裝載機、自卸汽車出碴運輸；第二是圍巖支護，淺埋或偏壓洞口先采用管棚進行超前支護，采用鉆機及注漿機進行超前小導管、中空徑向錨桿進行施工和注漿；架立鋼拱架和鋼格柵使用濕噴機噴射混凝土封閉圍巖。第三是襯砌施工，采用襯砌臺車模板，混凝土采用機械集中攪拌、攪拌車運輸，混凝土輸送泵完成全斷面襯砌一次成型。通風采用大功率通風機、大口徑軟管、壓入式長大隧道供風技術。

1.2 三臺階七步開挖法

按照圖1所示，下面將直觀、詳細地描述三臺階七步法開挖方式。

圖1 三臺階七步開挖法施工立體效果圖

（1） 上臺階的開挖 （第1步）：如圖1所示，1數字表示的環形斷面位置，為首先開挖的部位。開挖前必須檢查上一循環的拱部超前支護是否完成，完成檢驗無誤后方可開挖；沿環形開挖，環形中間預留核心土，其寬度為開挖總寬度的一半左右，掘進的深度要控制在3～5m的范圍。每次掘進的深度按照鋼拱架的設計架間距確定，開挖一個循環后，應及時安裝鋼拱架和鎖腳錨桿，完成上臺階開挖的控制深度后，對上臺階的周邊進行初期支護，立即噴射5cm厚的混凝土進行封閉。

（2） 中臺階的開挖 （第2、3步）：如圖1所示，2、3數字表示為左右中臺階，中臺階的開挖要在上臺階做完初期支護后進行，每次掘進的深度按照鋼拱架的設計間距確定，左右臺階必須交錯開挖，前后要錯開2～3m，開挖的高度應控制在3.2m左右。每完成一個循環進尺后，要立即接長上臺階的鋼拱架，并且在中臺階安裝好鎖腳錨桿。完成中臺階開挖的控制深度后，對中臺階的周邊進行初期支護，立即噴射5cm厚的混凝土進行封閉。

（3） 下臺階的開挖 （第4、5步）：如圖1所示，4、5數字表示為左右下臺階，下臺階的開挖要在中臺階做完初期支護后進行，每次掘進的深度按照鋼拱架的設計間距確定，左右臺階必須交錯開挖，前后要錯開2～3m，開挖的高度應控制在3.2m左右。每完成一個循環進尺后，要立即接長中臺階的鋼拱架，并且在下臺階安裝好鎖腳錨桿。完成下臺階開挖的控制深度后，對下臺階的周邊進行初期支護，立即噴射5cm厚的混凝土進行封閉。

（4） 核心土的開挖 （第6步）：如圖1所示，6-1、6-2、6-3數字表示三個臺階的中心預留土，在下臺階完成初期支護后，按照6-1、6-2、6-3的順序，采用小型挖掘機進行挖土，然后由裝載機和自卸汽車運出碴土。

（5） 仰拱部的開挖 （第7步）：如圖1所示，7數字表示仰拱部位的開挖。仰拱開挖要距離下臺階約20m左右，每次開挖的長度約為2.5m左右，開挖后及時施作仰拱初期支護，完成兩次初期支護后要及時施工仰拱，并且封閉成環。仰拱的每次長度應當控制6m以內。

（6） 仰拱襯砌施工：仰拱初期支護完成后，進行定期檢測，待初期支護穩定后，澆筑仰拱襯砌和拱墻混凝土，然后在進行拱底填充施工。

2 施工控制要點

2.1 超前支護注漿小導管

采用壁厚5mmΦ50熱軋無縫鋼管加工，單根長度5m；環向間距50cm，搭接長度不小于1m；小導管應從鋼拱架內穿過，與開挖線保持15°向外夾角進行鉆孔，然后把小導管插入拱部圍巖內，注漿后立即封堵小導管與孔洞的孔隙，小導管露出的部分必須與鋼架焊接。

2.2 中空注漿錨桿

施工工藝：鉆孔→清孔→插桿體→注漿→上墊板、螺帽并緊固。

按照設計的深度要求，采用人工進行鉆孔，鉆好孔后要清理孔內殘存的渣土，最好用空壓機吹干凈，錨桿插入后用高壓泵灌注水泥漿。

2.3 型鋼拱架、格柵鋼架

鋼拱架應當在加工廠按設計圖進行制作，制作后應當試拼，合格后方可使用，拼裝鋼架時，每段的連接螺栓必須擰緊，連接板間不得虛空。

為防止拱架下沉，拱腳底部設托板，控制拱架下沉量。拱架與鎖腳錨桿必須焊接牢固，每榀鋼架間用鋼筋焊接形成一個整體。

2.4 砂漿錨桿、鋼筋網

施工工序：鉆孔→清孔→注漿→插桿體→上墊板、螺帽并緊固。

砂漿錨桿采用螺紋鋼制作，網片在洞外加工成型。錨桿與網片通過錨桿墊片連接固定，網片之間要滿足設計要求的搭接長度。

鋼筋網噴射砼時，采用砼濕噴機先在圍巖面噴射一層砼后再進行鋼筋網的鋪設，并在錨桿安設后進行。

2.5 機噴混凝土

噴射砼要緊跟開挖面施工，采用機械濕噴。噴前，應將壁面的浮塵與雜物清理干凈。噴射時應分段、分片有序進行，噴嘴與壁面應當保持垂直，距離保持在0.8m左右為宜。

3 施工注意事項

（1） 盡量減少圍巖暴露時間，避免土壤失水脫落。

（2） 初期支護應及時封閉成環，二襯距開挖掌子面最大不超過70m。

（3） 超前支護是安全施工的重要保證，必須嚴格做到。

（4） 隧道周邊宜采用人工輔助開挖，擾動小，防超挖。如果發現超挖現象，初支與圍巖間空隙應當注漿充填。

（5） 做好洞內排水，嚴禁拱腳積水。

（6） 定期進行監控量測，發現超常，立即處理。

4 適用范圍和技術特點

4.1 適用范圍

三臺階七步開挖法，適用于100～180m2開挖斷面，且Ⅳ、Ⅴ級圍巖要具備一定自穩條件，圍巖呈流塑狀態的不能采用此法施工。本法適用于強風化粘土巖、強風化泥質粉砂巖等。如果隧道洞口出現淺埋或偏壓，必須做一環30m長，Φ108鋼管超前大管棚支護，方可采用此法施工。

4.2 技術特點

采用此法施工，能夠形成多個施工作業面，方便小型機具直接開挖，提高月進尺。如果圍巖情況發生變化，能夠及時改變施工方法；分段的初期支護操作比較方便，采用兩邊相錯開挖，預留中間核心土墩，對于隧道工作面的穩定起到了很大作用，很大程度上提高了作業面施工人員的安全。

5 結語

三臺階七步開挖法通過在黃土地區Ⅴ級粘土巖的施工實踐，對工程質量、施工進度和施工安全性，都起到了很大的幫助，取得良好的經濟效果。該方法比傳統軟弱圍巖施工的側壁導坑法、CD法、CRD法減少了拆除臨時支護，避免了拱頂受力轉換而形成的不安全因素，有著很好的參考價值和普遍的推廣意義。