三臺階預(yù)留核心土法施工技術(shù)在重載鐵路黃土隧道中的應(yīng)用

中鐵七局集團第五工程有限公司，河南 鄭州 450000

1 施工方法及步驟

開挖方法為采用挖掘機開挖，人工配合修整，挖掘機配合裝載機出渣，無軌運輸出渣。首先進行上、中臺階開挖，開挖完成后配合裝載機裝渣，后八輪運渣，同時上、中臺階人工修整并立架；裝渣完成后，下臺階和仰拱同時開挖。立架完成后，先進行下臺階及仰拱的噴射作業(yè)，噴砼完成后，及時回填仰拱，然后挖除核心土，濕噴機械手前移施工進行上、中臺階噴砼，完成此循環(huán)。預(yù)留核心土有其不可替代的作用，它能減少開挖的臨空面，支撐掌子面土體穩(wěn)定，又能夠為初期支護施工提供一個自然的作業(yè)平臺。中導(dǎo)和下導(dǎo)左右側(cè)對稱開挖、下臺階和仰拱同時開挖，以達到快速封閉成環(huán)的目的，同時將仰拱封閉成環(huán)同掌子面距離控制在1.5倍洞徑以內(nèi)。具體施工步驟如下。

第一步：人工配合機械開挖上臺階，臺階長度控制在5m左右，上臺階預(yù)留核心土，開挖循環(huán)進尺同初期支護鋼架間距相同。檢查斷面尺寸，每一開挖循環(huán)采用全站儀檢查一次隧道開挖斷面中線及高程和斷面尺寸，嚴(yán)禁欠挖，嚴(yán)格控制超挖。第二步：上臺階開挖完成后，臺階長度控制在5m左右，再人工配合機械開挖中臺階，當(dāng)隧道掌子面不穩(wěn)定時，中臺階應(yīng)預(yù)留核心土，臺階高度控制在3～4m。每循環(huán)開挖進尺不大于2榀鋼架間距，兩側(cè)對稱開挖，驗收合格后，施作上、中臺階的初期支護。第三步：在滯后中臺階約5m距離后，下臺階和仰拱同時開挖，下臺階對稱開挖，每循環(huán)開挖進尺不大于2榀鋼架間距。驗收合格后，施作初期支護。第四步：出碴，采用裝載機或挖裝機配合自卸汽車裝運。施工完成后循環(huán)施工第一、二、三、四步。具體開挖情況如圖1、圖2所示。

圖1 預(yù)留核心土正面圖（單位：m）

圖2 預(yù)留核心土剖面圖（單位：m）

2 應(yīng)用實踐

2.1 采用三臺階法開挖，上臺階預(yù)留核心土

人工配合挖掘機施工，開挖后人工修邊，機械開挖時預(yù)留30cm由人工開挖，用風(fēng)鎬開挖修整，局部欠挖用洋鎬處理，盡量減小對圍巖的擾動，發(fā)揮圍巖的自承能力。開挖時嚴(yán)格控制超欠挖，并保證巖面圓順。施工前根據(jù)隧道地質(zhì)情況預(yù)留開挖變形量，施工前期可采用設(shè)計要求15cm的預(yù)留量，當(dāng)埋深大于30m時，可根據(jù)優(yōu)化的開挖工藝及支護措施，通過監(jiān)控量測數(shù)據(jù)及時調(diào)整預(yù)留量，以達到節(jié)約投資的目的。鋼架一般在初噴混凝土后立即架設(shè)，若圍巖軟弱、自穩(wěn)時間短，可先架設(shè)鋼架，然后噴混凝土封閉。

2.2 鋼筋網(wǎng)片安裝

安裝前首先進行隧道斷面輪廓的測量，若發(fā)現(xiàn)輪廓線有侵限必須先進行處理。鋼筋網(wǎng)采用人工鋪設(shè)，固定采用鋼筋頭臨時固定在周邊土層，格柵鋼架安設(shè)好后，與鋼架焊接牢固。鋼筋網(wǎng)片應(yīng)布設(shè)在靠近圍巖面的一側(cè)，格柵拱架外側(cè)。各鋼筋網(wǎng)片間要求搭接1～2個網(wǎng)格。

2.3 格柵鋼架加工及安裝

（1）格柵鋼架各分節(jié)及相關(guān)連接部件均由鋼筋加工廠工廠化制作而成，隧道內(nèi)僅通過連接部件組裝鋼架。格柵鋼架分節(jié)時，應(yīng)加大鋼架分段長度，減少分段數(shù)量。上臺階應(yīng)分3節(jié)安裝，避開拱頂和開挖最大跨度處等應(yīng)力集中地段。（2）安裝前進行開挖斷面輪廓測量，嚴(yán)禁欠挖，驗收合格后即安裝格柵鋼架，格柵鋼架連接要做到上、下端螺栓孔對齊。安裝時應(yīng)準(zhǔn)確測量定位，由測量人員控制樁點放樣，保證其安裝精度，并且要符合設(shè)計輪廓要求。鋼架間用縱向連接筋連接牢固，環(huán)向間距根據(jù)圍巖級別內(nèi)外交錯設(shè)置，以便形成整體受力結(jié)構(gòu)。拱腳嚴(yán)禁落空或放置在虛渣上，鋼架與圍巖之間用混凝土墊塊支墊，雙線隧道墊塊布置間距不大于2m。安裝鋼架時，要嚴(yán)格控制其內(nèi)輪廓尺寸，且預(yù)留沉降量防止侵限。鋼架安裝好后，用鎖腳錨管焊接鎖定，鎖腳錨管與格柵鋼架通過“L”形連接筋焊接連接成整體，防止鋼架發(fā)生移位。

2.4 拱腳增設(shè)防虛渣鋼隔板

為解決初支鋼架連接處噴射混凝土存在虛渣、噴射混凝土不密實、連接板連接不密貼等問題，項目開展了拱腳增設(shè)防虛渣鋼隔板工藝試驗。通過在格柵鋼架拱腳加設(shè)鋼隔板進行混凝土噴射和虛渣隔離，有效解決了以上問題，鋼隔板成品及鋼隔板拆除后效果如圖3、圖4所示。

圖3 鋼隔板成品

圖4 鋼隔板拆除后效果

2.5 噴射混凝土施工

噴射混凝土采用濕噴機械手施工，先進行下臺階和仰拱的噴射施工，噴砼完成后，及時回填仰拱，然后將噴射混凝土機械手前移，進行上、中臺階噴砼施工。

噴射作業(yè)分段、分片、分層，由下而上分層噴射，初次噴射混凝土的厚度不小于4cm，初噴完成后掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片，下一層噴射在上一層混凝土終凝后進行。分段長度不宜大于6m。在噴射側(cè)壁時應(yīng)清除上部斷面噴射時的回彈物，以免卷入下部噴層，降低初期支護強度。

3 施工注意事項

（1）隧道拱腳通常用混凝土墊塊墊實。由于混凝土墊塊笨重、易破損，與噴射混凝土黏結(jié)后不易拆除，因此通過實踐將其優(yōu)化為改性聚氨酯墊板、泡沫鋁合金墊板，使其具有強度高、輕便耐用、可多次循環(huán)使用等優(yōu)點。（2）鎖腳錨管是保證初期支護安全的重要措施，保證了格柵鋼架在受到側(cè)向力時不發(fā)生向洞內(nèi)的位移變形；在各臺階施工的底腳部位設(shè)置鎖腳錨管，每處2根，錨管角度斜向下45°，鎖腳錨管與格柵鋼架通過“L”形連接筋焊接成整體。（3）隧道全段采用由格柵鋼架、鋼筋網(wǎng)及噴射混凝土組成的聯(lián)合支護體系。施工中要注意單元間節(jié)點板的螺栓連接質(zhì)量，縱向連接鋼筋的數(shù)量、間距及焊接質(zhì)量。格柵鋼架應(yīng)靠緊圍巖，其與圍巖的間隙應(yīng)用噴射混凝土填實。（4）超挖部分必須采用噴射混凝土或同標(biāo)號混凝土回填密實，不得用片石等填筑或人為造成空洞。（5）控制噴射混凝土厚度，用埋設(shè)鋼筋頭設(shè)置砼厚度的標(biāo)志。噴砼完成后應(yīng)及時進行厚度檢查，若厚度不足要及時補噴。

4 結(jié)論

浩吉重載鐵路南王隧道通過應(yīng)用三臺階預(yù)留核心土法施工技術(shù)，在確保安全的情況下使施工過程有序可控，實現(xiàn)了黃土隧道快速開挖掘進及初支封閉成環(huán)的施工目標(biāo)，保證了施工進度，為其他黃土隧道施工提供了可借鑒的經(jīng)驗。

（1）按照“兩緊跟”原則施工，上臺階開挖預(yù)留核心土。上臺階預(yù)留核心土使掌子面更加穩(wěn)定，初支鋼架緊貼掌子面能夠有效穩(wěn)定掌子面圍巖，仰拱緊跟是確保初期支護安全的根本措施，快速形成完整的初期受力體系降低了掌子面圍巖坍塌的風(fēng)險。施工中把超前地質(zhì)預(yù)報和監(jiān)控量測納入工序管理，嚴(yán)格控制開挖進尺，做到“初支緊跟掌子面，仰拱緊跟下臺階”，使初支快速成環(huán)，最大限度地保證了現(xiàn)場的施工安全，提高了質(zhì)量。（2）采用左右兩側(cè)對稱開挖、下臺階與仰拱同步開挖的方案。應(yīng)用該技術(shù)縮短了臺階長度，達到了短進尺、少擾動開挖及早封閉的目的，并且減少了圍巖的擾動，降低了開挖軟弱圍巖地段的潛在風(fēng)險，縮短了循環(huán)作業(yè)時間。快速封閉開挖斷面抑制了圍巖收斂變形，仰拱初支與下臺階同步封閉成環(huán)加強了初期支護的穩(wěn)定性，在保證施工安全與質(zhì)量的前提下加快了現(xiàn)場施工進度。（3）仰拱初支與上、中、下臺階同步施工，減少了仰拱單獨開挖工序。與三臺階法相比，下臺階與仰拱一次開挖支護及時封閉成環(huán)，縮短了初支仰拱施工循環(huán)時間，加快了初支封閉成環(huán)時間。該方法能有效阻止支護結(jié)構(gòu)的水平收斂，減少隧道圍巖變形，是隧道施工防坍塌的關(guān)鍵技術(shù)；缺點是需要進行仰拱回填，后續(xù)施工仰拱二襯需要二次開挖。