滑石大跨度隧道三臺階臨時仰拱開挖快速施工技術

摘要：結合石家莊市南繞城高速公路太行特長隧道工程實踐，總結了三臺階臨時仰拱法在滑石軟弱地層下快速施工組織與技術應用，通過具體應用實現了很好的經濟效益、技術效益和社會效益，為類似圍巖地段的施工技術提供參考。

Abstract： Combined with the engineering practice of the Taihang Extra-long Tunnel in the South Ring Expressway in Shijiazhuang City， this paper summarizes the rapid construction organization and technical application of the three-step temporary inverted arch method under soft formation of talc， and realizes good economic， technical and social benefits through concrete application， which provides reference for construction technology similar to surrounding rock section.

關鍵詞：滑石;大跨度;三臺階臨時仰拱;快速施工

Key words： talc; long span;three-step temporary inverted arch;rapid construction

中圖分類號：U455? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）09-0134-04

0? 引言

大斷面軟巖隧道施工中，傳統的施工方法有雙側壁導坑法、CRD法、CD法，這些施工方法進度慢、工效低，存在一定的局限性。如：限制了大型施工機械的使用，基本靠人工開挖，工效低、速度慢，難以滿足工期要求;各部開挖工序銜接性差，相互干擾大，施工質量得不到充分保證。另外，較快速的施工方法有三臺階七步開挖法，但此法應用在滑石軟弱地層時存在以下局限性，如：成環時間較長，安全風險大;難以有效控制上臺階扁平結構的拱頂沉降，圍巖變形大。目前國內大斷面軟巖隧道施工過程中，往往會遇到工期緊、地質復雜、大型機械組織開展困難等問題，須根據實際地質情況選擇一種安全快速的施工方法。

1? 工程概況

石家莊市南繞城高速公路NRC-7標段位于石家莊市鹿泉區境內。施工任務主要為太行特長隧道出口端，為全線控制性工程，隧道設計為分離式雙向六車道，最大開挖斷面166m2，最大涌水量4247m3/天。標段范圍內左線隧道長2270m，其中滑石軟弱圍巖段長407m;右線隧道長2290m，其中滑石軟弱圍巖段長390m。

軟弱圍巖地段，其巖性主要為輝綠巖、滑石，巖質較軟，強度很差，指甲可刻畫，重力場下可發生大變形。

2? 施工方案選擇

滑石是已知最軟的礦物[1]，滑石軟弱地段采用雙側壁導坑法開挖效率低，我項目借鑒近幾年大斷面隧道施工的成功經驗，規避傳統施工方法的局限性，以加快隧道施工進度、保證隧道施工安全，提高施工質量為目的，提出了三臺階臨時仰拱開挖法，提高了施工效率，增強了施工安全性，根據該項目現場施工情況，多次調整控制工藝，經總結最后形成此方法。

3? 三臺階臨時仰拱開挖法工藝特點

①施工空間較大，可進行機械化施工，可多作業面平行施工，工效較高。②在臺階法開挖的基礎上，增加臨時仰拱和豎向支撐，有效阻止支護結構的水平收斂和拱頂沉降，有利于開挖工作面的穩定。③在地質條件發生變化時，便于及時、靈活地調整施工方法，施工工法轉換快捷。④各部開挖及支護自上而下，步步成環，及時封閉，提高安全系數。

4? 工藝原理

設臨時仰拱的三臺階開挖法就是將大斷面劃分成自上而下三個小單元進行開挖，縮小開挖斷面;上臺階設臨時仰拱鋼架及豎向支撐，中臺階根據圍巖穩定情況有選擇性的增設臨時仰拱鋼架;采用臨時仰拱就是使每個小單元及時封閉成環，形成環向受力，有效圍巖水平收斂變形[2]，采用豎向支撐就是為了規避大跨度軟弱圍巖易坍塌的風險，阻止拱頂沉降變形，保證施工安全。

5? 施工工藝流程及操作要點

5.1 施工工藝流程圖

施工工藝流程參見圖1。

5.2 施工步序方案圖

5.2.1 三臺階臨時仰拱開挖法施工方案圖

施工步驟見圖2，開挖透視見圖3，施工工序見圖4。

5.2.2 開挖支護順序說明

①第1步，上部導坑開挖及支護。1）開挖上部導坑。在拱部超前支護后進行，開挖循環進尺根據初期支護鋼架間距確定，最大不超過1.5m。2）施作上部導坑周邊的初期支護，即鋼架、鋼筋網片、鎖腳錨管、系統錨桿、噴射混凝土。鋼架鎖腳錨管設置于臺階鋼架拱（墻）腳以上30cm高度處，緊貼鋼架兩側邊沿按下傾角23°打入，錨管尾部采用“L”形鋼筋與鋼架牢固焊接。鋼架拱腳采用混凝土墊塊支墊，以保證拱腳基礎牢固，打設徑向錨桿后復噴混凝土到設計厚度。3）安裝底部臨時仰拱鋼架（I16工字鋼）及豎向支撐鋼架（I22工字鋼）。底部臨時仰拱鋼架與正洞鋼架牢固焊接。豎向支撐鋼架上端與主洞鋼架頂部連接，下端與底部臨時鋼架連接，三者共同構成支撐體系。底部臨時仰拱鋼架噴射20cm厚C25早強混凝土封閉。

②第2步，中臺階開挖及支護。1）在滯后上臺階3～5m距離后，先拆除1～2榀臨時鋼架，再左右側錯開開挖中臺階，錯開距離不小于5m，開挖進尺為1～2榀鋼拱架間距，開挖高度為3.5m。2）導坑周邊部分初噴厚4cm混凝土。3）鋪設鋼筋網片，架立型鋼鋼架，安裝鎖腳錨桿，打設徑向錨桿后復噴混凝土到設計厚度。4）圍巖穩定性差時架立臨時仰拱鋼架（I16臨時鋼架），封閉臨時仰拱。

③第3步，下臺階開挖及支護。1）在滯后于中臺階10～15m距離后，先拆除1～2榀中臺階臨時鋼架（若有），再左右側錯開開挖下臺階，錯開距離不小于5m，每循環開挖進尺為1～2榀鋼拱架間距。2）施作臺階周邊的初期支護。

④第4步，施作仰拱封閉成環。1）開挖底部其余仰拱部位，每次循環開挖進尺不大于3m。2）及時施作仰拱部位初期支護并封閉成環。封閉位置距離掌子面不得大于40m。3）分層澆筑仰拱襯砌混凝土及仰拱填充混凝土。

5.3 操作要點

5.3.1 開挖臺階長度控制[3]? 上臺階長度不能太長也不能太短，太長會造成爆破開挖后扒碴困難和車載式濕噴機噴射混凝土臂長不夠，太短會造成開挖臺架放置不穩定，存在安全隱患。中臺階的長度要短，這樣有利于隧道施工安全步距的控制。

5.3.2 下臺階高度確定? 以中臺階的拱腳位置與仰拱填充頂面平齊或略高于仰拱填充頂面來確定下臺階的高度。每次出碴完成后，留存部分洞碴從仰拱位置到中臺階修一條臨時便道，噴射混凝土作業時，將車載式濕噴機停放在臨時便道上，能夠將上、中、下臺階三個部位兼顧到。

5.3.3 工序作業安排? 爆破開挖后首先將上臺階的洞碴翻至中下臺階，同時整修出下臺階至上臺階的臨時便道，利用此便道將開挖臺架、上臺階初期支護所需鋼拱架、導管、錨桿、鋼筋網等材料運至上臺階，進行上臺階初期支護施工，同時中、下臺階進行出碴作業。出碴完成后，上臺階初期支護施工也基本完成，施工人員開始中下臺階初期支護施工。如此形成工序間的平行作業，縮短循環作業時間，加快施工進度。

5.3.4 安全控制要點? ①及時施作上臺階臨時支護和豎向支撐，盡早建立支撐體系，穩定圍巖。②仰拱緊跟下臺階施工，盡早封閉成環。③構建控量測信息平臺，及時上傳數據，反饋信息，指導施工，保證安全。④必須保證鎖腳導管施工質量和注漿效果。⑤加強超前地質預報[4]，采用地質素描、加深炮孔、TSP、紅外探水等多種預報手段，綜合預測前方圍巖狀況，根據預報結果及時調整支護參數，保證安全。

6? 控制措施

6.1 質量控制措施? ①滑石軟巖段圍巖強度較低，遇水軟化，必須做好注漿工作，有水地段采用雙液漿，同時做好引排水工作。②主洞鋼架、臨時仰拱與豎向支撐之間的連接部位必須按照設計要求施作，保證三者構成牢固的支撐體系，有效阻止圍巖變形，保證施工安全。③嚴格控制循環進尺和臺階長度，不得隨意進行調整或更改。④必須保證拱腳鎖腳錨管的施工質量，鎖腳錨管與拱架間必須焊接牢固，必要時增加鎖腳數量。⑤嚴格按照設計要求施作超前支護，控制好外插角，嚴格按照注漿工藝標準進行注漿加固，保證始終在超前支護的保護下向前掘進。⑥超挖部分必須采用同級別混凝土回填密實[5]，局部超挖較大噴射混凝土不易飽滿的位置應留注漿孔，后期必須注漿飽滿。⑦完善洞內臨時排水系統，嚴禁積水浸泡拱腳，當水流較大或不能自然流出時應設置集水井，配備足數的抽水設備將積水抽至洞外，防止基底受浸泡而降低承載力。

6.2 安全控制措施

本工程嚴格執行安全技術規范[6]及相關安全法律法規的規定。①合理安排各工序間施工組織，控制仰拱及二襯施工速度，及時封閉成環，滿足施工安全步距要求。②開挖后及時進行初噴作業，減少圍巖暴露時間，避免出現圍巖失穩。③加強監控量測，設專人全程監控，及時反饋監測數據，有異常時立即采取加固措施，確保施工安全。④中下臺階左右側必須錯開開挖，嚴禁同時懸空拱架現象，錯開距離不小于5m。⑤設專職人員做好超前地質預報工作，及時根據預報結果調整施工方法和支護參數，嚴禁因不良地質發生事故。⑥設專職安全員，負責指揮掌子面區域的機械和車輛，避免傷人。⑦爆破作業時，人員必須撤離至安全區域，嚴格執行相關爆破安全規定。

6.3 環保控制措施? 本工程嚴格執行國家及地方的相關環保政策和規定。①施工區域內裸露土方全部采用防塵網覆蓋，減少揚塵。②安排灑水車對施工區域便道及場地進行不定期灑水，保證路面濕潤不起塵。③加強隧道內通風效果，安排專人負責維護洞內文明施工，作業環境滿足職業健康要求。④采用低噪聲機械，施工過程中經常對設備進行維修保養，避免由于設備性能差而使噪聲增強現象的發生。⑤所有施工廢水必須經過三級沉淀池沉淀，達標后排放。⑥碴土運輸至規劃棄碴場，嚴禁隨意傾倒碴土，嚴禁破壞自然植被或道路農田。

7? 效益分析

7.1 經濟效益? 軟巖大跨度隧道施工采用“三臺階臨時仰拱法”，在經濟方面表現突出，與傳統CRD法比較，主要有以下幾個方面的優點：一是通過對斷面合理劃分，工序銜接緊湊，各臺階能夠形成流水作業，提高生產效率;二是拓展了作業空間，充分發揮大型設備生產效率，提高施工速度。

以石家莊市南繞城高速公路NRC-7標太行特長隧道為例：與傳統的大斷面隧道CRD法施工相比，采用“三臺階臨時仰拱法”，施工進度由35～40m/月提升至72～80m/月，節約工期3.5個月，節約各項管理成本250萬。

該方法在軟巖大跨度隧道施工便于機械化作業，進度快，工效高，利于成本控制。

7.2 技術效益? 采用該施工方法，各導坑開挖和支護時間短，成環快，規避了不安全因素，通過對量測數據和現場實際情況分析，采用該方法施工初支累計沉降量均在15mm以內，準確指導預留沉降量的調整，既減少了材料超耗，又保證了結構斷面尺寸。另外，該方法簡單，易于工人熟練操作，工序質量易于控制。

7.3 社會效益? 石家莊市南繞城高速公路NRC-7標太行特長隧道采用“三臺階臨時仰拱開挖法”的施工技術，率先完成隧道施工任務，受到了各級領導和參建單位的一致好評，豐富了滑石軟巖隧道的開挖手段，解決了“大跨度滑石軟巖隧道安全風險高、施工進度慢、施工難度大“的難題，實現了快速機械化流水作業。同時改善了軟巖隧道的施工安全條件，推動了軟巖隧道開挖施工技術的發展，具有巨大的潛在社會效益。

8? 結束語

隧道工程開挖方法有很多[7]，針對特殊地質條件的隧道工程開挖方法仍然需要不斷的去研究、創新和總結，保證隧道開挖安全、快速、高效，以解決更多由于復雜地質條件引起的施工難題。

參考文獻：

[1]王新城.隧道在高-極高地應力輝綠巖、滑石地層條件下施工技術[J].建筑工程技術與設計.

[2]夏善明.三臺階臨時仰拱法在軟弱圍巖隧道中的應用[J].工程技術.

[3]盧軍燕，楊陽.滬昆高鐵白力塢隧道三臺階臨時仰拱法開挖技術[J].黃河水利職業技術學院學報，1008-486X（2014）01-0031-03.

[4]中華人民共和國行業標準.公路隧道施工技術規范[M].人民交通出版社，2009年10月1日實施.

[5]中華人民共和國行業標準.公路工程質量檢驗評定標準 第一冊 土建工程[M].人民交通出版社，2018年5月1日實施.

[6]中華人民共和國行業標準.公路隧道施工安全技術規范[M].人民交通出版社，2015年5月1日實施.

[7]劉世坤.例談隧道三臺階臨時仰拱法開挖技術[J].價值工程，1006-4311（2014）03-0123-02.

作者簡介：胡永強（1986-），男，河北邢臺人，2009年畢業于石家莊鐵道學院無機非金屬材料工程專業，本科，工程師，現從事施工技術與管理工作。