粉質砂土隧洞開挖支護施工工藝

安金龍

（甘肅省水利水電工程局有限責任公司，甘肅蘭州730030）

臺階法是把結構斷面分成多個部分，依次開挖、支護施工，其適用性強，操作多變、靈活，作業空間大，各部分可以快速施工，盡快閉合，對一些由于結構變形所引起的地面沉降有利；其不足是各作業面可能會相互影響，需注意下部作業時可能對上部穩定性造成影響，且該方法可能增加對四周圍巖的擾動次數。一般來說，這種方法適用于較為軟弱的圍巖，需要根據實際情況選擇合適的施工方法，在施工前做好圍巖加固工作，選擇最佳的臺階方式。本文以山西省中部引黃工程施工02 標所轄總干1#隧洞進口段為例，闡述了軟弱圍巖段臺階法掘進施工工藝。

1 工程概況

山西省中部引黃工程1#隧洞進口0+146.68—1+060 段隧洞圍巖為第四系上更新統風積低液限粉土，隧洞圍巖為松散層，不能自穩，無地下水，成洞條件極差，不具備全斷面開挖條件，經比較，采用兩臺階式開挖方法較為合理。

2 施工總體方案及要求

一是按新奧法原理組織施工，由于圍巖地質條件極差，采用兩臺階式預留核心土開挖法。二是預支護采用超前小導管法，這一項工作在兩臺階式預留核心土開挖前進行。把隧洞斷面分成5 個部分（上、左、右、中、下），分步進行操作。開挖工作由機械與人工配合進行，開挖完成后及時進行支護施工。三是施工時要嚴格遵守組織施工原則，按批復的施工組織設計組織施工，不得隨意改變施工方法與工藝。四是做好監控、測量，依據監測結果及時對參數進行優化，確保施工的穩定與安全。

3 施工準備

3.1 施工調查

施工前應根據勘察設計文件和相關資料，詳細了解施工現場的基本情況，編制作業指導書，指導施工。

3.2 技術方面的準備工作

3.2.1 技術交底 在施工前必須逐級完成施工交底及安全技術交底工作，所有施工人員必須理解技術標準及施工要求。

3.2.2 制定應急預案 針對塌方、涌水等突發狀況及緊急情況制定實用、具有可操作性的應急預案，并做應急演練。

4 施工程序與工藝流程

兩臺階預留核心土法開挖以機械為主，人工輔助修邊。施工程序：超前小導管施工→上臺階（圖1中1 部）開挖→上臺階（圖1 中1 部）一次支護→下臺階（圖 1 中 2、3 部）開挖→下臺階（圖 1 中 2、3 部）一次支護→底拱（圖1 中5 部）開挖→底拱（圖1 中5 部）鋼拱架安裝→底拱（圖1 中5 部）混凝土回填→隧洞底部回填。施工工序如圖2 所示。

圖1 兩臺階預留核心土開挖法開挖工序示意圖

圖2 兩臺階預留核心土開挖法施工工序圖

4.1 上臺階施工

4.1.1 超前小導管施工 洞口鋼拱架安裝完成后，進行超前小導管施工，按照設計要求，在拱部180°范圍布設φ42 熱軋鋼管超前小導管（單根長3～5 m），孔徑50 mm，間距40 cm，沿拱頂共布置23根，外傾角3°～6°。由于隧洞圍巖較軟，超前小導管施工采用挖掘機頂入（局部不能頂入部位，采用風鉆鉆孔），施工時應嚴格控制外傾角，導管安裝到位后進行灌漿。

4.1.2 隧洞開挖施工 超前小導管施工完成后，利用挖掘機進行上臺階開挖施工，機械開挖時預留10～20 cm 人工修整至設計輪廓線，中間預留核心土，臺階長度根據土質條件確定，核心土距拱頂1.5～2.0 m，核心土兩側距開挖面約1.2 m，便于施工。根據地質情況每循環開挖進尺為1～2 榀鋼拱架距離。

4.1.3 隧洞一次支護施工 開挖完后初噴混凝土，掌子面有必要時噴5 cm 混凝土封閉作業面。初噴后架設鋼拱架，上臺階分兩段安裝，完成后及時打設系統錨桿和掛設鋼筋網片；最后復噴混凝土至設計厚度，完成上臺階施工，形成承載拱。

4.2 下臺階側墻施工

一是待上臺階超前中臺階3～4 m 后交錯開挖下臺階兩側側墻，即圖1 所示2、3 部，每次開挖控制在1～2 榀，機械開挖，人工修整。二是待下臺階修邊結束后及時進行一次支護施工，施工方法及程序與上臺階方法及程序一致。三是兩側鋼拱架安裝完成后，立即進行鎖腳錨桿施工，與鋼拱架之間采用“U”形鋼筋連接。

4.3 預留核心土開挖

兩個臺階支護完成后，開挖中部預留核心土，即圖1 中所示4 部，核心土采用機械開挖，開挖時要注意對已成型部位一次支護的保護。

4.4 底拱施工

核心土開挖完成后，及時進行底拱施工，即圖1中所示5 部，每循環及時跟進，底拱采用人工開挖，與兩側側拱焊接，安裝完成后，及時對底拱之間部位進行C20 混凝土回填。

5 施工要求

5.1 開挖

一是開挖斷面預留圍巖變形量一般為5～15 cm，可根據量測結果進行調整。二是下臺階分左、右側開挖，開挖完一側后再挖另一側，如條件較差時，應對開挖一側進行支護后再開挖另一側。三是嚴格控制隧洞高程、中線及超欠挖，機械開挖時，拱腳、墻腳要預留0.2～0.3 m 供人工修整。嚴禁拱、墻腳低于設計標高而采用回填土。四是開挖完成后及時對隧洞斷面進行檢測，主要包括高程、中線、斷面尺寸及凈空尺寸等。

5.2 系統錨桿

一是錨桿長度、角度及拉拔力等參數必須符合設計要求。二是水泥基藥卷錨桿采用“先裝藥卷后安錨桿”的方法進行。三是鎖腳錨桿必須與鋼拱架連接牢固。四是待注漿終凝之后，及時進行拉撥試驗。對于試驗后不合格錨桿，采用改進后的工藝在監理指定地點重新進行安裝。

5.3 鋼筋網

一是鋼筋網使用前必須清除銹蝕，加工規格、間距必須符合設計要求。二是網片搭接采用焊接。三是網片隨噴面的起伏進行鋪設，鋼筋保護層厚度不應小于2 cm。四是鋼筋網應與錨桿、鋼拱架連接牢固，在噴射砼時鋼筋網不得晃動。

5.4 鋼拱架安裝

一是鋼拱架在洞外按設計加工成型，加工成型的鋼拱架必須經驗收合格后方可使用。二是鋼拱架按設計位置安裝。三是上臺階鋼拱架安裝工序：確定鋼拱架位置→架設鋼拱架→調整高程、中線，定位→布設縱向連接筋。四是下臺階鋼拱架安裝工序：墻腳部位布置混凝土墊塊→對應上臺階鋼拱架架設下臺階鋼拱架→調整定位→與上臺階鋼拱架連接→布設縱向連接筋→布置鎖腳錨桿。五是鋼拱架安裝偏差不得超過允許偏差。

5.5 噴射混凝土

一是鋼拱架、鋼筋網片安裝完成后應立即噴射混凝土，并將鋼拱架及網片完全覆蓋，使鋼拱架、鋼筋網片與噴射混凝土共同受力。從拱腳向上噴射，防止上部噴射材料覆蓋拱腳，造成噴射混凝土強度不足，拱腳不穩定。二是混凝土噴射厚度應符合設計要求。噴射混凝土分層進行，每層厚度約5～6 cm。噴射混凝土表面應光滑，無空鼓、裂縫和松動。三是噴射砼配合比，通過室內和現場試驗確定，符合施工圖紙要求，速凝劑的摻量通過現場試驗確定。四是回彈率拱部不超過40%，邊墻不超過30%，掛鋼筋網后，回彈率限制可放寬5%。回彈物不得重新用作噴射混凝土材料。五是噴射混凝土終凝2 h 后，噴水養護，養護時間一般不少于7 d。

5.6 底拱施工及回填

一是預留核心土開挖后，及時清除虛渣、雜物，按照設計要求安裝底拱鋼拱架，回填混凝土至設計厚度，使一次支護及時閉合成環。二是底拱開挖利用人工開挖，成型后與側拱連接，要求焊接必須牢固，與側拱垂直布置，以保證鋼拱架受力均勻，安裝完成后，立即進行混凝土回填，回填混凝土要求振搗密實。三是底拱回填混凝土在終凝后及時回填土方，以滿足通行要求。

5.7 監控量測結果分析

及時對開挖段的監測和測量數據進行分析，消除可能產生的不利因素，調整施工方法與工藝，并將分析結果用于指導施工。

6 質量控制及檢驗

6.1 質量控制要點

一是洞身開挖前必須進行超前地質預報，并做好相關記錄，作為掘進施工每循環進尺的依據。二是根據監測數據和最終位移預測，確定隧洞圍巖穩定狀態和初期支護，動態調整圍巖預留變形。三是減少對圍巖的擾動，嚴格控制超挖。四是嚴格控制開挖進尺。五是隧洞開挖斷面中心線、高程、幾何尺寸須符合設計要求。六是隧洞每循環開挖完成后，應觀測開挖面土體的變化情況，核對設計地質條件，判斷圍巖穩定性，并做好地質編錄。七是工序安排應緊湊，開挖后立即初噴3～5 cm 混凝土，以減少圍巖暴露時間，避免因長時間暴露引起圍巖失穩。在開挖后初期支護應及時封閉成環，在必要時設置臨時橫向支撐或臨時底拱。八是超前支護嚴格按設計要求進行，控制超前支護的外傾角，確保隧洞開挖在超前支護的保護下施工。九是鋼拱架應嚴格按設計及規范要求加工制作和架設，鋼拱架拱腳應架設在底部鋪墊預制塊上，以增大地基承載力，減少初期支護閉合前的整體下沉量，嚴禁拱腳懸空或采用虛渣回填；加強鋼拱架鎖腳錨桿施工，以控制鋼拱架下沉變形。十是噴錨時應注意鋼拱架背后與圍巖應噴實，保證初期支護鋼拱架背后無空洞，以利于鋼拱架和圍巖形成聯合支護體共同受力。十一是開挖變形量應適當預留。施工初期可利用預留量5～10 cm。根據工藝和措施的優化，可通過監測測量及時調整。十二是嚴格控制鋼拱架及噴射混凝土施工質量，為后序混凝土二襯打好基礎。十三是隧洞底拱開挖后，應及時進行封閉施工，并對底拱間進行回填混凝土處理，加強承載力。

6.2 質量檢驗

一是對工程所用主要材料、設備、中間產品的質量進行嚴格驗收，經監理工程師批準后方可用于本工程的施工。二是各工序質量控制，要嚴格按照施工技術標準執行，嚴格執行“三檢制”，每一道的工序施工完成之后應認真檢查并做好相關記錄。三是做好工序間交接檢驗工作，上一道工序應滿足下一道工序的條件以及相應的技術需求，在有關專業工序間，其交接檢查工作要由有關工作人員檢查并審核，經檢查合格后，方可進行下一道工序的施工。

7 結語

山西中部引黃工程施工02 標采用兩臺階式預留核心土方式，對低液限粉土圍巖進行掘進施工，同時加強監控量測，對結果及時分析，調整有關參數，有效地解決了隧洞圍巖軟弱的問題，保證了施工進度和生產安全，對同類工程具有借鑒作用。