隧道仰拱開挖時機探討

李保明

摘 要 改革開放40年來，我國隧道工程建設突飛猛進，取得了許多輝煌成就。隨著隧道施工工裝工藝的不斷創新、成套大型智能化工裝的引入應用，隨之而來與傳統的隧道施工設計、技規要求矛盾日益突出，甚至影響到施工工效。如何做到隧道施工循環流水作業，實現掌子面不停工，是作為一名隧道建設者追求的目標，同時也是保證隧道工程工期、效益的關鍵。仰拱開挖、初支封閉成環的時機對掌子面是否可以連續作業至關重要，如果時機選擇不當，會造成掌子面不得不停工。本文以高鐵雙線隧道鉆爆法三臺階開挖為例，探討仰拱開挖時機。

關鍵詞 隧道施工;三臺階;鉆爆法;長仰拱棧橋;安全步距

1三臺階法設計要求

1.1 施工順序

三臺階法施工順序示意圖（見圖1、圖2）。

（1）利用上一循環架立的鋼架施作隧道超前支護（Ⅰ部）;弱爆破開挖①部（上臺階），施作①部周邊的初期支護（Ⅱ部）;

（2）在滯后于①部一段距離后，弱爆破開挖②部（中臺階），施作②部周邊的初期支護（Ⅲ部）;

（3）在滯后于②部一段距離后，弱爆破開挖〔③+④〕部（下臺階+仰拱），施作③部（下臺階）周邊的初期支護（Ⅳ部），并及時封閉④部（仰拱）初期支護成環（Ⅴ部）;

（4）澆筑Ⅵ部（仰拱混凝土）及Ⅶ部（隧底填充混凝土）。

（5）根據監控量測結果分析，待初期支護收斂穩定后，利用襯砌臺車一次性澆筑二次襯砌Ⅷ部。

1.2 施工注意事項

隧道施工應堅持“弱爆破、短進尺、強支護、早封閉、勤量測”的原則。

上、中臺階鎖腳鋼管應及時設置，且必須對鎖腳鋼管進行注漿，以確保鋼架基礎穩定[1]。

上臺階每循環開挖支護進尺Ⅴ級圍巖不應大于1榀鋼架間距，Ⅳ級圍巖不得大于2榀鋼架間距;邊墻每循環開挖支護不得大于2榀;仰拱開挖前必須完成鋼架鎖腳錨桿，每循環開挖進尺不得大于3m;隧道開挖后初期支護應及時施作并封閉成環，封閉位置距離掌子面不得大于35m。

2三臺階法技規要求

2.1 施工順序

三臺階法施工順序示意圖（見圖1、圖2）。

（1）①部（上臺階）、②部（中臺階）施工同上述設計要求;

（2）在滯后于②部一段距離后，弱爆破開挖③部（下臺階），施作③部周邊的初期支護（Ⅳ部）;

（3）在滯后于③部一段距離后，弱爆破開挖④部（仰拱），施作④部仰拱初支（Ⅴ部），使其封閉成環;

（4）澆筑Ⅵ部（仰拱混凝土）及Ⅶ部（隧底填充混凝土）。

（5）根據監控量測結果分析，待初期支護收斂穩定后，利用襯砌臺車一次性澆筑二次襯砌Ⅷ部。

2.1 施工注意事項

（1）采用三臺階法開挖隧道時，應根據圍巖條件合理確定臺階長度和高度。臺階長度不宜過長宜控制在一倍洞徑以內。

（2）臺階形成后，各臺階開挖、支護宜平行作業。

（3）下臺階開挖，左右側宜交錯進行。

（4）循環進尺應根據圍巖的地質條件、自穩能力和初期支護鋼架間距合理確定。Ⅲ級圍巖循環進尺不宜超過3.0m，Ⅳ級軟弱圍巖上臺階循環進尺不宜超過2榀鋼架設計間距，Ⅴ、Ⅵ級圍巖上臺階循環進尺不宜超過1榀鋼架設計間距;Ⅳ、Ⅴ級圍巖下臺階循環進尺不宜超過2榀鋼架設計間距;初期支護設計鋼架未封閉成環的隧道，仰拱一次開挖長度不宜大于3m[2]。

3長仰拱棧橋施工安全步距的要求

鐵建設〔2010〕120號文規定：隧道開挖后初期支護應及時施作并封閉成環，Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級圍巖封閉位置距離掌子面不得大于35m;軟弱圍巖及不良地質鐵路隧道的二次襯砌應及時施作，二次襯砌距掌子面的距離：Ⅳ級圍巖不得大于90m，Ⅴ、Ⅵ級圍巖不得大于70m。隨著隧道長仰拱棧橋等大型設備的引進，120號文的安全步距要求已不能滿足現場施工需要。以正在施工的福廈客專為例，隧道安全步距作了以下調整：Ⅳ、Ⅴ級圍巖仰拱初支封閉成環距掌子面距離不大于70m，二次襯砌距掌子面距離不大于150m;Ⅲ級圍巖仰拱距掌子面的安全步距不大于100m，二次襯砌距掌子面距離不大于250m;Ⅱ級圍巖仰拱距掌子面的安全步距不大于100m，Ⅰ、Ⅱ級圍巖二次襯砌距掌子面距離不大于250m。

4三臺階鉆爆法開挖現場通用做法

隧道現場實際施工中，上、中臺階開挖與設計和技規要求基本一致;下臺階及仰拱開挖一般有兩種做法：一是下臺階和仰拱分步開挖，與技規要求施工順序基本一致，二是下臺階和仰拱同時開挖，與設計要求施工順序基本一致[3]。

4.1 下臺階和仰拱分步開挖

下臺階和仰拱分步開挖，即上述施工順序中的③、④部分步開挖。該施工方法與《技規》的要求基本一致，仰拱開挖滯后于下臺階，仰拱開挖進尺一般不大于3米，且要及時封閉仰供初支。該施工方法對隧道結構是安全的，也提高了仰拱開挖、初支封閉成環的工效，但由于仰拱開挖、清底、立架、噴砼等強的周期較長，勢必會影響到掌子面連續作業。而且，仰拱初支封閉成環后必須利用既有洞碴進行回填，以保證掌子面作業的施工通道，當利用長棧橋施工仰拱及填充混凝土時，又必須開挖回填的洞碴，仰拱施工工序反復進行，施工工效極低。

仰拱開挖、初支封閉作業時，利用施工棧橋作為掌子面施工通道，在目前使用液壓仰拱長棧橋工裝的情況下是實現不了的（液壓仰拱長棧橋爆破安全距離至少50米）。為解決上述工法中掌子面停工的問題，現有部分隧道工點仰拱和仰拱初支施工分別配置一臺仰拱棧橋，其中一臺棧橋主要用于仰拱開挖及初支施工，其功能與技規的工法要求一致，此棧橋為簡易棧橋，無液壓裝置，不受開挖爆破的影響;另一臺棧橋為液壓長棧橋，主要用于仰拱及填充混凝土施工。利用這兩臺棧橋作為通道，就可以實現掌子面與仰拱開挖、初支封閉、仰拱施工同時作業。但該施工方法也存在諸多弊端，一是需增加一臺仰拱棧橋，增加施工投入;二是多工序交叉作業，現場施工組織難度大;三是仰拱初支封閉后需回填部分洞碴作為兩棧橋之間的連接通道，后期仰拱及填充施工時，又要重復開挖出碴;四是施工現場文明施工較差。

4.2 下臺階和仰拱同時開挖

下臺階和仰拱同時開挖，即上述施工順序中的③、④部同時開挖。該施工方法與設計要求開挖基本一致，下臺階與仰拱的初期支護同時施作并及時封閉成環，從安全上講，無疑是最好的做法。但從施工工效上分析又有諸多不利因素，主要有以下幾點：①設計要求邊墻每循環開挖一般不大于2榀鋼架距離，仰拱開挖一般不大于3米（5榀鋼架距離），不等的循環進尺勢必會降低仰拱的開挖工效;②仰拱開挖完成后，需進行隧底清碴、初支封閉成環、噴射混凝土等強等施工工序，直接影響到掌子面正常施工作業;③施工仰拱及填充混凝土時，利用長仰拱棧橋作為掌子面施工通道，一次開挖12米回填的洞碴，也會影響掌子面正常作業。

現場實際施工中，為了提高施工工效，掌子面可以連續作業，對設計施工方法進行了一些優化，見圖3三臺階法工法優化示意圖。下臺階與仰拱同時開挖后，只對下臺階的初期支護進行施作，而仰拱初支不進行封閉施工，仰拱范圍回填洞碴（即只開挖不出碴）保證掌子面施工通道。然后利用長仰拱棧橋對仰拱初支進行分步封閉施工，同時完成該段仰拱及填充混凝土施工。顯而易見，該工法可以解決隧道掌子面作業、仰拱初支封閉成環、仰拱及填充混凝土澆筑等工序的相互干擾問題，但仰拱初支沒有及時封閉帶來的安全隱患也是客觀存在的。

5結束語

綜上所述，經設計檢算下臺階初支增設鎖腳錨管可以滿足圍巖變形要求，經現場實測實量圍巖變形數據在允許值范圍內，在能確保隧道施工安全的前提下，下臺階與仰拱一次開挖，仰拱初支后做的工法可以推行。為了保證安全，施工過程中需注意以下幾點：①下臺階初期支護施作必須增加鎖腳錨管;②仰拱、下臺階開挖時嚴禁下臺階拱腳超挖，下臺階鋼架基底要墊實;③仰拱回填洞碴高度要高于仰拱與下臺階鋼架連接板的高度，回填要密實;④仰拱施工開挖回填洞渣時，一次開挖不大于3米，并及時進行仰拱初支封閉成環，隧底虛碴必須清理干凈;⑤加強隧道圍巖監控量測，尤其是仰拱初支封閉前下臺階的收斂監測。

參考文獻

[1] 劉佳.論述鐵路隧道施工技術常見問題及改進措施[J].工程建設與設計，2017（6）：134-135.

[2] 劉高鋒.隧道施工的質量以及安全防護措施[J].工程建設與設計，2017（6）：158-159.

[3] 吳春峰.鐵路雙線隧道仰拱快速施工技術研究[J].低碳世界，2017（4）：213-214.