三臺階八步開挖法在云屯堡隧道施工中的應用

張傳安

（中鐵十六局集團第二工程有限公司 天津 300162）

1 引言

隨著我國高速鐵路的快速發展，長大隧道越來越多、越修越長，其主要目的是給通行者節省時間，少走彎路。但長大隧道由于地質及水文復雜的特點，穿越富水及各種斷層帶時有發生，因而轉換開挖施工工藝，是施工中最有效的應對措施。

根據超前地質預報資料預測，云屯堡隧道D5K231+781.6～D5K231+791.6段為左側硬右側軟且富水圍巖，臺階法+臨時仰拱施工難度極大。而采用三臺階八步開挖法施工順利地通過了軟硬不均巖層，也就是說，三臺階八步開挖法正是“軟硬兼施”的制勝良策［1］。

2 工程概況

云屯堡隧道起訖里程為DK213+350～D3K236+390，全長22.923 km，是成都-蘭州鐵路全線控制性工程。隧道最大埋深750 m，正常涌水量3.33×104m3／d，最大涌水量 4.99×104m3／d。為客貨共線電氣化鐵路隧道，采用雙塊無砟軌道。

2017年8月31日，云屯堡隧道在 D5K231+781.6圍巖出現軟硬不均的情況，即拱部右側極軟且滲水量大，左側為硬巖。

2．1 設計情況

設計襯砌形式調整為Ⅴ級加強復合式襯砌，臺階法加臨時仰拱施工。全環設置 20b型鋼鋼架加強支護，縱向0.6 m／榀；拱部設置φ42注漿小導管超前支護，每環38根，小導管單根長度4.5 m；鋼筋網片為φ8鋼筋，網格間距為20×20 cm；拱部采用φ22的中空組合錨桿，拱墻采用φ22的砂漿錨桿，間距為1.2×1.0 m（環×縱）；拱墻噴C30H1混凝土厚度為27 cm，仰拱為25 cm；襯砌厚度為拱墻50 cm，仰拱55 cm，均采用 C35H1混凝土施工［2］。

2．2 地質情況

設計資料顯示：①軟質巖可能大變形預測發生段，該段 D5K231+780～D5K231+880為可能變形；②泉點分布于D5K231+780右49 m。

2．3 確定方案

根據現場施工實際情況，掌子面圍巖一邊軟一邊硬，以隧道中心為分界線，在拱部120°范圍內，于拱部（右側60°+左側20°＝80°）范圍為軟巖且滲透水量大；拱部（左側 60°-20°＝40°）范圍為硬巖。經多方論證，確定方案如下：

（1）拱部軟巖且富水部分取消φ42超前小導管，增設φ108超前大管棚，長15 m，環向間距40 cm。

（2）在A單元開挖前，增設2榀 20b型鋼套拱。

（3）改變施工方法：原設計臺階法加臨時仰拱施工改變為三臺階八步開挖法施工。

3 主要施工方案

3．1 施工工藝

施工工藝流程見圖1。

圖1 三臺階八步開挖法施工工藝流程

3．2 施工方案

根據超前水平鉆探及掌子面開挖圍巖揭示，D5K231+781.6～D5K231+791.6圍巖左側硬而右側軟且富水。以不改變設計初期支護為前提，合理分布三個臺階的開挖高度，并考慮機械作業空間，按鋼架單元進行劃分：即 A單元為上臺階，h＝3.445 m；B單元為中臺階，h＝3.215 m；C單元為下臺階，h＝3.12 m。

縱向臺階距離控制［3-4］：上臺階距離控制在6 m范圍內，右側先掘進，左側滯后右側錯位1.8 m，即3榀鋼架距離；中臺階距離控制在10 m范圍內，右側先掘進，左側滯后右側錯位2.4 m，即4榀鋼架距離；下臺階距離控制在10 m范圍內，右側先掘進，左側滯后右側錯位2.4 m，即4榀鋼架距離。余下9 m為挖掘機、裝載機、出渣車等機械的集散區域。仰拱端頭至掌子面距離控制在35 m。

由于掌子面出現左硬右軟，本著先軟后硬開挖原則，施工方法及斷面見圖2～圖3。

圖2 三臺階八步開挖法工序縱斷面（單位：mm）

（1）挖上臺階（A單元）

A單元由3節 20b型鋼鋼架組成，3節鋼架從左向右編號為：1#、2#、3#（見圖 3）。

圖3 橫斷面開挖示意

第一步：開挖2#、3#節鋼架部位，即開挖斷面圖中1部，拱部（右側60°+左側20°＝80°）范圍。由于圍巖軟弱，采用人工或挖掘機配合開挖，縱向開挖進尺1榀／循環，0.6 m／榀。開挖后立即初噴4 cm厚C30混凝土（H1），及時架立鋼架、安裝縱向連接鋼筋、鋪設鋼筋網、鉆設中空組合錨桿、鎖腳錨管、管棚等，噴射C30混凝土（H1）至設計厚度。開挖高度控制點，核心土頂面至拱頂中心開挖高度為1.8 m；從A單元拱腳至拱頂中心開挖高度為3.445 m［5］。

第二步：開挖1#節鋼架部位，即開挖斷面圖中2部，拱部（左側60°-20°＝40°）范圍。采用弱爆破開挖，縱向開挖進尺1榀／循環，0.6 m／榀。縱向保持錯開第一步1.8 m的距離，及時架立鋼架、安裝縱向連接鋼筋、鋪設鋼筋網、鉆設中空組合錨桿、鎖腳錨管、超前小導管，噴射C30混凝土（H1）至設計厚度。

（2）挖中臺階（B單元）

當上臺階施工長度達5～6 m，開始開挖中臺階，即開挖斷面圖中3和4部。

第三步［6-7］：中臺階右側開挖，即開挖斷面圖中3部。采用人工或挖掘機開挖，開挖進尺應根據初期支護鋼架間距確定，縱向開挖進尺2榀／循環，0.6 m／榀，先掘進3榀。開挖后立即初噴4 cm厚C30混凝土（H1），及時順接上臺階右側A單元鋼架、安裝縱向連接鋼筋、鋪設鋼筋網、鉆設砂漿錨桿和鎖腳錨管等，噴射C30混凝土（H1）至設計厚度。開挖高度為3.215 m。

第四步：中臺階左側開挖，即開挖斷面圖中4部。采用弱爆破開挖，縱向開挖應錯開第三步2～3 m。開挖后立即初噴4 cm厚C30混凝土（H1），順接上臺階左側A單元鋼架，施作方法同第三步并及時初期支護。

（3）開挖下臺階（C單元）

當中臺階施作長度10 m左右，開始開挖下臺階，即開挖斷面圖中5和6部［8］。

第五步：下臺階右側開挖，即開挖斷面圖中5部。采用人工或挖掘機開挖，縱向開挖進尺2榀／循環，0.6 m／榀，開挖高度為3.12 m，開挖寬度為5～7 m。開挖后立即初噴4 cm混凝土，順接中臺階右側B單元鋼架、鋪設鋼筋網、鉆設砂漿錨桿及鎖腳錨管等，噴射 C30混凝土（H1）至設計厚度［9-10］。

第六步：下臺階左側開挖，即開挖斷面圖中6部。采用弱爆破開挖，縱向開挖應錯開第五步2～3 m，立即初噴4 cm厚C30混凝土（H1），順接左側B單元鋼架，施作方法同第五步并及時初期支護。

（4）核心土施工

第七步：上、中、下臺階分別開挖預留的核心土，寬度為4.2～6.3 m，開挖進尺與各臺階循環進尺相一致［11］。

（5）仰拱施工

第八步：仰拱開挖。Ⅴ級圍巖地段地質情況較為復雜，因此仰拱要及時跟進，確保初期支護的穩定，仰拱距上臺階的距離要控制在30～35 m左右。

仰拱施工時，為不影響掌子面施工，利用兩條棧橋作為人員、車輛通道。當施工車輛通過時，作業人員應暫時避讓，注意安全。

仰拱開挖，開挖3～5榀拱架／循環，0.6 m／榀。開挖之后及時順接兩側墻鋼架并噴射C30H1混凝土封閉成環，然后再向前開挖。開挖4個循環之后，施作一板仰拱及仰拱填充混凝土，仰拱鋼筋和混凝土施工長度為12 m。

3．3 輔助措施

（1）大管棚施工

拱部（右側60°+左側20°）范圍施作 φ108大管棚并注漿，每根長15 m，環向間距40 cm，外插角1°～3°，共29根，起止水和防溜塌作用。

（2）型鋼套拱施工

當φ108大管棚施工完成，在A單元開挖前，增設2榀 20b型鋼套拱。其布設位置：掌子面D5K231+781.6處設1榀；D5K231+781.0處設1榀，起平穩過渡效果。

4 技術要求

（1）管棚：φ108，壁厚6 mm，15 m／根，＠40 cm，外插角1°～3°，僅使用于拱部右側并采用水泥+水玻璃（雙漿液）注漿至飽滿。

（2）前小導管：φ42，壁厚 3.5 mm，4.5 m／根，＠40 cm，外插角10°～15°，僅使用于拱部左側且注漿飽滿。

（3）臺階開挖：1榀／循環，0.6 m／榀；中、下臺階開挖：2榀／循環，0.6 m／榀。

（4）鋼鋼架：20b鋼架，＠0.6 m，分 A、B、C單元及仰拱加工制作。

（5）縱向連接筋：φ22鋼筋，＠1.0×0.6 m（環×縱）。

（6）鋼筋網：φ8鋼筋＠20×20 cm，在構件加工棚集中制作。

（7）錨桿：拱部φ22中空組合錨桿；邊墻φ22砂漿錨桿，＠1.2×1.0 m（環×縱）。

（8）鎖腳錨管：φ42，壁厚 3.5 mm，4.0 m／根。如圖3所示位置布設。

（9）混凝土：噴射C30H1混凝土，拱墻及仰拱襯砌為C35H1混凝土，仰拱填充C20混凝土，混凝土在拌和站集中生產，混凝土罐車運送至所需作業面［12］。

5 效益對比

（1）安全方面

采用臺階法加臨時仰拱施工，需要安裝和拆除臨時仰拱，在安裝及拆除過程中累加時間長，存在較大安全隱患；而采用三臺階八步法施工，只需左、右側借開一定距離，空間小，對安全有保障。

（2）質量方面

采用臺階法加臨時仰拱施工，由于空間大，安裝及拆除臨時仰拱增加了干擾次數，使用工時多，對圍巖自穩不利，轉化為初支變形；使用三臺階八步法施工，開挖1榀支護1榀，用工少、干擾小，施工質量較好。

（3）經濟方面

對比臺階法加臨時仰拱施工，三臺階八步法施工，不存在臨時仰拱施作，經測算每延米節省約6 370元。

（4）進度方面

10 m的開挖及支護工作量，采用臺階法加臨時仰拱施工，可施作0.9 m／d，需要11.1 d完成；而采用三臺階八步法施工，可施作1.2 m／d，需要8.3 d完成，進度明顯加快。

6 結束語

通過對云屯堡隧道D5K231+781.6～D5K231+791.6段軟硬不均且富水的圍巖采用三臺階八步開挖法施工，得出以下結論：

（1）拱部右側軟巖且富水的巖性，取消φ42超前小導管，采用φ108大管棚施作，拱部圍巖穩定，沒有滑塌；減少超前小導管施作環節，節省時間、提高功效，止水性能好，整體承載能力大大提高。

（2）在軟硬巖開挖前，增設2榀套拱，使初期支護得到補強，控制側向位移，開挖過程平穩過渡。

（3）三臺階八步開挖法與臺階法加臨時仰拱相比較，施工作業面多、空間小，對圍巖穩定有利，不需臨時仰拱材料的投入、節省工時、沒有安裝和拆除的重疊干擾，施工質量易控制、穩定，對安全有保障。

（4）通過云屯堡隧道施工實例驗證，三臺階八步開挖法是解決長大隧道圍巖級別高且一邊軟一邊硬的較好工法，對今后的隧道類似圍巖施工具有推廣應用價值。