大斷面軟弱地層隧道三臺階四步交錯法開挖施工技術

孫海亮

(中鐵十九局集團第五工程有限公司，遼寧 大連 116100)

1 工程概況

赤峰至喀左鐵路工程的建平隧道全長11 340 m， 進口里程DK030+060,出口里程DK041+400，最大埋深230 m。隧道共設3個斜井。

隧道地層巖性DK030+060～DK037+300段為片麻巖，強風化，節理裂隙較發育，巖體較破碎；DK036+300～DK037+800段為凝灰巖，強風化，節理裂隙較發育，巖體較破碎，呈角礫碎石狀壓碎結構,具中等膨脹性。DK037+800～DK047+500段為安山巖，弱風化，節理裂隙很發育，巖體破碎，呈角礫碎石狀，松散結構，易發生圍巖失穩塌方和大變形。DK36+220～DK36+505段為片麻巖和凝灰巖分界處，突水突泥風險等級為極高風險。不良地質及特殊巖土包括圍巖失穩塌方、大變形、涌水、膨脹巖等?？辈閰^大地構造位于叨爾登—張家營斷裂帶西側，構造部位屬東西向構造帶和北東向構造帶交接地帶。Ⅳ級、Ⅴ級圍巖占隧道全長的66%，隧道區域內地下水類型可分為第四系空隙含水層、碎屑巖類裂隙水及基巖裂隙含水層。設計推薦采用傳統的“三臺階七步開挖法”或“三臺階臨時仰拱法”開挖方法施工。

施工過程中發現，使用“三臺階七步開挖法”施工時由于臺階長度過短，中臺階左右部分錯開的距離也較短，開挖后易造成多榀鋼架左右兩邊同時懸空的情況，施工安全隱患較大。其次是這種3個臺階分7步開挖的施工方法工序繁瑣，各工序之間不能很好的銜接,施工效率較低。另外臺階長度較短不利于機械化作業，初期支護封閉成環的時間較長，沉降及收斂變形量較大[1-2]。

使用“三臺階臨時仰拱法”施工時雖然能對初期支護變形進行較好的控制，卻要增設臨時仰拱支護，提高了施工成本，降低了施工效率；而且臨時仰拱上方因大型機械行走，往往會對其造成損傷，拆卸臨時仰拱時會增加對圍巖的擾動。經過反復試驗和比對，摸索出了“三臺階四步交錯法”的開挖方法，取得了顯著的成效，在此予以介紹。

2 開挖施工特點

“三臺階四步交錯法”施工工序將開挖斷面分為上、中、下3層臺階，開挖工序如圖1所示。其施工特點為：

圖1 三臺階四步交錯法施工工序

(1)“三臺階四步交錯法”開挖施工是在原三臺階的基礎上將施工順序進行了改進，將七步開挖改成為四步開挖，不同的臺階和部位相互交錯開挖，平行推進。將原來一些先后施工的工序改成同步施工(如將上臺階的支護和中下層臺階的出碴同步進行，將上臺階的噴錨和中下層臺階的支護同步進行),減少了循環中一些工序占用的時間，工序循環安排緊密，提高了工作效率，加快了施工進度。

(2)“三臺階四步交錯法”施工對開挖斷面進行合理布置，合理制定各臺階的高度和長度，適當增加了中臺階的長度和中、下臺階左右部分的錯開距離，既能保證安全步距要求和施工安全，又方便了大型機械作業。避免了鋼架兩側拱腳同時懸空和圍巖還未穩定就開始進行下一級臺階施工，將隧道開挖對圍巖的擾動控制在最小程度，提高了圍巖的穩定性。

(3)“三臺階四步交錯法”施工改進了作業方式，將3個臺階的不同部位同步掘進，保證了隧道施工安全步距，縮短了從掌子面開挖至初期支護封閉成環的時間，提高了施工安全系數。

(4)“三臺階四步交錯法”施工方法簡便、靈活，在不增加臨時支護的前提下，通過調整施工工序，能保證超前小導管、鎖腳錨管的施工質量，減小了圍巖裸露時間，提高支護效率，能在開挖后的第一時間進行初期支護施工，減小了初期支護拱頂下沉量和拱腳收斂量。

(5)“三臺階四步交錯法”施工可以視實際情況取消核心土，通過制作開挖臺架，極大程度的縮短了開挖爆破作業時間。

3 施工關鍵技術

3.1 施工工藝流程

“三臺階四步交錯法”施工工藝流程見圖2。

圖2 施工工藝流程

3.2 施工準備

3.2.1 合理確定3個臺階的開挖高度

上臺階的開挖高度應為隧道開挖跨度的0.3倍左右，中、下臺階各自的開挖高度應為隧道總開挖高度(不包括仰拱高度)減去上臺階開挖高度的一半。結合本工程的具體情況，最終確定上臺階高度3.99 m，中臺階3.20 m，下臺階3.36 m。

3.2.2 合理確定各臺階的開挖長度

影響隧道臺階法開挖的穩定性有多種因素，諸如上、中、下斷面和仰拱段的各自長度、臺階高度、支護參數、掘進進尺等等。雖然橫斷面上斷面閉合圍巖會趨于穩定，但是從縱斷面角度上看，隧道閉合意味在各個階段(上、中、下層斷面的支護和仰拱支護)都要完成才能形成閉合的狀態，如圖3所示。故不能只看開挖橫斷面是否穩定，還要從整體上看隧道開挖后的縱斷面是否穩定，也就是要認真研究隧道開挖的縱斷面結構形式。

圖3 開挖縱斷面(單位：cm)

根據大量沉降觀測數據顯示，上臺階開挖完成后穩定期約為4～5 d，中、下臺階開挖完成后穩定期約為8～10 d。根據日進尺量確定各層臺階的合理長度為上臺階6 m、中臺階11 m、下臺階18 m。

3.3 第一步、第二步開挖施工

3.3.1 鉆孔、爆破作業

隧道掘進時，上、中、下3層臺階同時開挖，中、下臺階交錯開挖。即上臺階開挖1榀鋼架(掘進0.8 m)，中臺階右側開挖2榀鋼架(掘進2×0.8 m)，下臺階左側開挖2榀鋼架(掘進2×0.8 m)；接著是下一循環上臺階開挖1榀鋼架，中臺階左側2榀鋼架，下臺階右側2榀鋼架。

施工過程中可搭設簡易開挖臺架，配備適量的風槍進行鉆爆作業。根據掌子面圍巖狀況，調整鉆爆參數。

3.3.2 上臺階扒碴

鉆爆結束后挖掘機先將上臺階殘碴扒至中、下層臺階，殘碴形成緩坡，便于用裝載機將預制鋼拱架、鋼筋網片等原材料運送至上層臺階。挖掘機對上臺階工作面清理完畢后，進行下一道工序施工。

3.3.3 上臺階支護安裝

扒碴工作結束后在上臺階進行初期支護的安裝作業，挖掘機在中臺階出碴，裝載機在下臺階出碴，3個臺階同步進行各自的作業。

上臺階立架結束后，接入風管水管，進行系統錨桿、鎖腳錨管和超前小導管施工。待中、下層臺階出碴完成后立架工人開始先后進行中、下層臺階的立架作業。

3.3.4 上層臺階噴錨

上層臺階超前小導管、系統錨桿、鎖腳錨管等支護施工完成后，用噴錨機械手對上層臺階進行噴錨作業。此時中層臺階立架作業已經完成，上層臺階的支護工人開始進行中層臺階系統錨桿及鎖腳錨桿施工，中層的立架工人開始進行下臺階立架作業。

上層臺階噴錨完成后，中層臺階同時也完成了系統錨桿及鎖腳錨管的施工，噴錨機械手接著對中層臺階進行噴錨作業，此時下層臺階開始進行系統錨桿及鎖腳錨管施工。中層臺階噴錨完成后，下層臺階系統錨桿及鎖腳錨管的施工也同時完成，開始對下層臺階進行噴錨施工作業。

超前支護：在拱部和邊墻部位打設長2.5 m、?42 mm×3.5 mm無縫鋼管制作的注漿小導管，間距0.4 m，外插角1～5°，搭接長度1.7 m，壓注1∶1水泥漿，注漿壓力1.0～1.8 MPa。

初期支護：Ⅰ20a型鋼分段制作全環鋼架，間距0.8 m，L=1.3 m、?25 mm螺紋鋼筋做縱向連接鋼筋，間距1 m，交叉布置。分段制作的拱、墻鋼架必須準確對接，焊接牢固，要及時焊接縱向連接鋼筋，使初支盡早成環。拱、墻部位鋼筋網用?8 mm鋼筋，間距20 cm×20 cm。系統錨桿：拱部用長4 m、?22 mm組合中空錨桿，邊墻采用長4 m、?22 mm砂漿錨桿，間距均為1.2 m×1.0 m(環×縱)，壓注1∶1水泥漿，注漿壓力1.0～1.8 MPa。全環噴射厚度為28 cm的C25混凝土。在每個鋼架接頭處打設2根長6.0 m、?50 mm×5 mm的注漿鎖腳錨管，鎖腳錨管必須及時打設，立即壓注1∶1水泥漿，注漿壓力1.0～1.8 MPa，并要立即與鋼架焊接牢固，必要時可加焊鋼筋頭或扁鋼。

隧道初期支護噴射混凝土作業應使用大型機械手進行濕噴作業。濕噴作業具有回彈量小、粉塵小、作業時間短等優點。噴射混凝土作業時間要與支護作業時間相匹配，上、中、下層臺階同步施工，以縮短循環時間，加快初期支護施工進度。

3.3.5 循環進行第二步開挖作業

上一循環完成后以相同的步驟進行第二步開挖作業，即開挖上層臺階+中層臺階左側+下層臺階右側施工。

3.4 核心土開挖

根據臺階長度，核心土開挖每隔2循環(上臺階進尺約1.6 m，中、下臺階進尺約3.2 m)開挖一次。鉆爆、出碴作業與第一、第二步的鉆爆、出碴作業同步進行。

3.5 隧底開挖及支護

當上臺階開挖進尺達到3 m時，進行一次隧底開挖，隧底一次開挖長度控制在3 m左右。采用人工配合機械開挖，人工清底，并及時施作仰拱初支,盡早將初期支護閉合成環。根據《高速鐵路隧道工程施工技術規程》中相關規定，隧道開挖后初期支護封閉位置距離掌子面不得大于35 m，所以隧底開挖工序必須及時、連續。隧底開挖及支護施工利用仰拱棧橋進行，與隧道上、中、下臺階施工互不干擾。

3.6 仰拱和二次襯砌施工

隧底開挖和支護完成后，及時進行仰拱及二次襯砌的施工。根據《高速鐵路隧道工程施工質量驗收標準》和《關于進一步明確軟弱圍巖及不良地質鐵路隧道設計施工有關技術規定的通知》中的相關要求，Ⅴ級圍巖二襯距離掌子面不得大于70 m，Ⅳ級圍巖二襯距離掌子面不得大于90 m。

4 結束語

在赤峰至喀左鐵路工程的建平隧道施工過程中，采用“三臺階四步交錯法”開挖施工技術，順利地完成了大斷面軟弱地層隧道施工，消除了塌方隱患，提高了施工工效，縮短了工期，施工質量和施工安全得到了保證，在Ⅴ級圍巖段中取得了月進尺71.6 m的好成績，收到了良好的社會效益和經濟效益?！叭_階四步交錯法”開挖施工工法適合在公路、鐵路、高速鐵路大斷面軟弱地層隧道施工中應用。