高速鐵路大斷面隧道三臺階快速施工工法研究

黃 河 付庭茂 鄭燁晨 謝海旺

（中鐵七局集團第三工程有限公司，陜西 西安710000）

高速鐵路隧道穿越地層復雜多變，根據地質條件由好（穩定）到差（不穩定）變化，常用的開挖方法有全斷面法、臺階法（兩臺階和三臺階）、CD 法、CRD 法、雙側壁導坑工法等[1～2]。若從施工速度和工程造價考慮，施工工法則按上述順序選擇；若從施工安全方面考慮，選擇順序正好相反。CD 法、CRD 法和雙側壁導坑法將大斷面分割成小塊，施工工序轉換復雜，作業空間較小，不便于大型施工機械工作，施工效率較低，且需進行臨時支護拆換，存在一定安全隱患，上述方法僅在控制軟弱圍巖變形的特殊情況下選取[3]。臺階法能夠提供較為寬敞的作業空間，便于施工機械發揮，近年來在隧道施工中得到廣泛應用。陳潔金等[4]基于現場測試和數值模擬方法，對三臺階七步法和三臺階臨時仰拱法對于軟弱圍巖隧道的適用性進行了對比。戴聰[5]等采用三維地質力學模型，研究了三臺階法、上下臺階法、上下臺階預留核心土法對高地應力場軟巖隧道圍巖穩定性的影響規律。

本文以中（衛）蘭（州）客專某隧道為工程依托，根據現場圍巖情況及施工技術條件，基于“及時支護、快速封閉成環”理念，提出一種改進的三臺階工法，即三臺階三步快速開挖工法，對該工法的施工工藝流程及技術要點進行介紹，并結合現場工程實踐情況，對施工工效進行評價。研究結果可為大斷面高速鐵路隧道工程快速施工提供參考。

1 工程概況

中（衛）蘭（州）客為銀（川）蘭（州）高速鐵路的重要組成部分，線路自中衛市越白銀市平川區、靖遠縣、白銀區進蘭州新區，后由樹屏站接入蘭州西客站。項目全長218.49 公里，總投資295.78 億元。

依托隧道工程位于甘肅省白銀市強灣鄉和蘭州市皋蘭縣石洞鎮境內，隧道全長4578m。隧道為雙線鐵路隧道，馬蹄形斷面，設計時速為250km/h，開挖斷面面積約150m2，最大埋深約206m，洞內縱坡為8‰/4205m 和-6‰/373m 人字坡。隧道洞口段穿越第四系全新統坡積（Q4dl）細角礫土、上更新統風積層（Q3eol）砂質黃土。隧道洞身段穿越前寒武系皋蘭群片巖，呈鱗片狀變晶結構，片理構造，節理較發育，巖性發育不均，呈強風化～弱風化狀態巖體呈碎石狀壓碎結構，易塌方掉塊。隧道按噴錨構筑法技術要求設計，圍巖分級為Ⅲ～Ⅴ級。隧道進口及出口采用帽檐斜切式洞門+明洞襯砌，暗洞采用復合式襯砌，初期支護采用C25 噴射混凝土+鋼筋網+錨桿+鋼架，二次襯砌采用C35 鋼筋混凝土。

2 三臺階快速開挖工法

根據前期地勘資料及現場開挖揭示情況，地層巖性、巖層構造及風化程度差異性較大。片巖多呈厚層狀及塊狀結構，局部夾雜薄層裂隙結構（IV 級、V 級），地下水不發育，巖體較為干燥，具有一定的自穩能力。因此隧道施工優先選用三臺階法，但傳統三臺階法仰拱最后進行爆破開挖，對圍巖產生額外動力擾動，初期支護不能及時封閉成環，增加一道通風除塵出渣工序，施工效率較低。為此，結合本工程地質條件，提出改進的三臺階快速開挖工法，對該方法的施工流程及主要技術要點進行介紹。

2.1 施工流程

該工法基于“快挖快支、及時封閉”理念，在隧道開挖過程中將隧道斷面分為上臺階、中臺階、下臺階，三個開挖作業面同步進行施工。中、下臺階采用左右側對稱開挖，以利于減少臺階長度，下臺階與仰拱一次開挖成型，減少分部多次開挖對圍巖擾動，縮短初期支護全環封閉時間。該工法施工工序如圖1 所示。

圖1 三臺階快速開挖法施工工序

該工法施工流程如下：（1）圍巖信息判釋：利用掌子面素描、加深炮孔、紅外探水、TSP 等進行超前地質預報，結合上循環開挖地質情況、監控量測數據確定或調整支護參數；（2）測量放線：每一循環測放出開挖輪廓線、開挖斷面中線、高程，保證開挖高程、隧道輪廓線符合設計要求；（3）開挖出渣：同步開挖上臺階、中臺階、下臺階，進行出渣作業，隧底渣土在隧道一側堆存備用；（4）上臺階、中臺階、下臺階及仰拱進行鋼架、鋼筋網、連接筋等部件安裝。上臺階鋼架安裝完成后在需要施作超前小導管位置結合鋼架施作拱部超前小導管，各臺階施工的底腳部位設置鎖腳錨管；（5）濕噴機噴射混凝土作業，按照“仰拱→下臺階→中臺階→上臺階”的順序進行噴射混凝土作業。噴射混凝土施工作業完成后用臨時堆存的渣土將仰拱初支回填，以保證前方掌子面連續作業。（6）監控量測：按設計、規范要求，進行圍巖監測，及時反饋數據指導現場施工。

2.2 技術要點

（1）洞身爆破開挖技術是保證初支施工質量的重要前提，現場采用光面爆破技術，根據掌子面地層情況合理調整爆破參數，控制超欠挖量。

（2）施工過程中執行鋼架緊跟掌子面、初期支護及時封閉成環緊跟下臺階的“兩緊跟”措施，同時嚴格執行上臺階開挖支護循環進尺1～3 榀鋼架間距，中臺階及下臺階開挖支護循環進尺2～3 榀鋼架間距。初期支護封閉成環距離掌子面不大于25m，仰拱及填充距離掌子面不大于85m，二次襯砌距離掌子面距離145m。

（3）中、下臺階施工時，采用左右側對稱開挖支護，此時鎖腳錨管打設以及與鋼拱架聯結的質量是關鍵。

（4）根據現場投入的挖掘機、濕噴機械手、簡易開挖臺架等機械設備情況，合理確定臺階長度、臺階高度。一般情況上、中臺階長度控制在4～6m，下臺階距仰拱封閉成環的長度宜控制在10～15m。

3 現場施工效果分析

在依托隧道里程DK203+425～DK203+828 段進行三臺階三步快速開挖工法現場試驗，該區段圍巖級別為IV 級和V 級。每循環進尺均按照2 榀鋼拱架間距（IV 級圍巖為2m，V 級圍巖為1.2m）設計，現場施工統計每循環所需工時如表1 所示。可以看出，IV 級圍巖、V 級圍巖每循環所需工時均較短，特別是對于穩定性較差的V 級圍巖，縮短開挖支護時間有利于隧道施工安全。

表1 三臺階快速開挖法每循環所需工時

圖2 為不同施工工法施工進度對比柱狀圖，圖中CD 法數據參照國內類似工程經驗，傳統三臺階法為本隧道工程數據，可以看出，臺階法相比CD 法能大幅度提升施工效率。按照現場三臺階總長25m 計算，IV 級圍巖開挖進度約90m/月，比傳統三臺階法（65m/月）提高了約38%；V 級圍巖開挖進度約60m/月，比傳統三臺階法（45m/月）提高了約33%，施工效率提升較為顯著。根據現場經驗，在初期支護全斷面封閉成環的條件下，仰拱及仰拱填充每循環可施工12m 長度，施工進度大大提高，滿足設計“三縫合一”的要求。同時，隧道內多臺機械，多個工作面同時作業，標準化施工水平大幅提高，洞內環境顯著改善，以往隧道掌子面環境的“臟、亂、差”問題基本解決，不必為了迎接檢查而調整工序、停工整理。

圖2 不同施工工法施工進度柱狀圖（m/月）

4 結論

本文基于“及時支護、快速封閉成環”理念，提出三臺階三步快速開挖工法，該工法工序簡單，中下臺階左右對稱開挖，下臺階與仰拱同步開挖，多臺階同時施工，克服了三臺階法、中隔壁法（CD 法）、交叉中隔壁法（CRD 法）等傳統工法開挖多次擾動圍巖、臨時支撐體系拆除危險、初支閉合時間長等問題。現場工程實踐表明，該工法可提高隧道施工機械化水平，改善洞內作業環境，施工效率顯著提高，具有很好的應用價值。