下穿村莊和公路的隧道四臺階六步開挖技術研究

張星江 ZHANG Xing-jiang

（云南交投集團云嶺建設有限公司，昆明 650224）

0 引言

當今中國的高速公路獲得了突飛猛進的發展，已有18 個省份實現了“縣縣通高速”的目標，高速公路給人們的生產、生活帶來了方便，并且越來越以速度、舒適、生態、環保為設計宗旨，“橋隧比”越來越高，“逢山修隧道，遇水架橋”已成了常態。同時，工程設計理論、設計理念、材料、機械設備有了跨越式的發展，施工技術也得到了較大的提高，隨之而來設計上出現了越來越多的需要穿過軟弱圍巖層、下穿村莊和公路的隧道。此類隧道的施工，需要解決常規隧道遇到的坍塌、拱頂整體下沉、收斂嚴重等技術難題，還須確保隧道上方村莊和公路不能出現下沉、開裂、坍陷甚至冒頂的質量事故。為此，筆者發明了一種隧道開挖施工技術——公路隧道三臺階五步開挖施工方法。隨著人們對質量要求的提高，最新施工技術規范要求“仰拱襯砌混凝土應整幅一次澆筑成形，不得左右半幅分次澆筑，一次澆筑長度不宜大于5.0m”。鑒于此，基于“公路隧道三臺階五步開挖施工方法”技術的“四臺階六步開挖施工技術”應運而生。

在云南思茅至瀾滄高速公路纜皮林隧道施工方案設計時，針對隧道施工需要穿過軟弱圍巖層、下穿村莊和公路的問題，在結合“公路隧道三臺階五步開挖施工方法”技術的基礎上，增加了“一個臺階一個步驟”進行施工，解決了“確保隧道上方村莊和公路不能出現下沉、開裂、坍陷甚至冒頂的質量事故”的問題。

1 工程概況

云南思茅至瀾滄高速公路第2 合同段纜皮林隧道為分離式隧道，左右幅間最小凈距6.5m，其左線起訖樁號ZK82+200～ZK82+545，長345m，右線起訖樁號K82+180～K82+533，總長353m，左右洞最小凈距約6m。隧道設計凈跨為11.0m，凈高為7.1m，雙向四車道。隧道下穿石獅子村和省道S309 線，左線淺埋段埋深14m，右線淺埋段埋深17m。S309 省道車流量較大，載重貨車較多，隧道與省道呈斜交狀態，且斜交角度過大。路線穿越一北西～南東向山體脊嶺地帶，隧道進口位于一山體凸脊地帶，出口位于一凹坡近坡腳地帶，洞身略呈弧形展布。山脊狹長，脊頂地形平緩，脊頂一帶有居民點分布，山脊以東側不遠為S309 省道。隧道所處圍巖均為Ⅴ級，洞口分布殘坡積含礫粉質粘土及全風化糜棱巖，洞身圍巖主要由強風化糜棱巖構成。

2 關鍵技術方案選擇

2.1 總體施工方案

洞門、明洞段、二襯、路面、交安工程等結構，以及超前地質預報、超前加固、超前支護等內容按常規方法施工，在此不祥細敘述。

洞身所處的圍巖均為Ⅴ級，巖層為強風化糜棱巖，該巖層強度低，易引起滲漏和形成軟弱夾層，對巖體穩定不利。另外，隧道需要下穿村莊和公路，要求不能出現下沉、開裂、坍陷甚至冒頂的質量事故，并且不能產生振動、影響到居民的起居生活，所以要求采用的施工方法以對隧道上方村莊和公路影響較小的方法為首選，施工中盡量不用爆破方式開挖（至少上臺階開挖不用爆破），以挖掘機（可更換破碎錘頭）或鑿巖臺車為主、人工用風鎬鑿除修整配合的方式，降低震動，減少對隧道上方村莊和公路的干擾。

考慮到上述兩個因素，決定采用以“公路隧道三臺階五步開挖施工方法”技術改進的“四臺階六步開挖施工技術”施工。該技術把隧道立面上分為四層臺階（上、中、下臺階和隧底）、平面上沿縱向方向分為六個開挖面（上臺階和隧底各1 個工作面、中臺階和下臺階各2 個工作面）進行施工。上臺階預留核心土環形開挖，其他臺階各部位的開挖與支護沿隧道縱向錯開、分步平行開挖、分步平行施作初期支護，超前支護和初期支護緊跟開挖平行作業，仰拱及時閉合，構成全環穩固的初期支護系統。

2.2 技術原理

遵從新奧法的基本原理，其重點是充分發揮圍巖的自承能力。該技術從減少對圍巖的擾動及提高圍巖的自承能力出發，基于分臺階和分部開挖的技術，優化組合，合理的分臺階和分部，盡早支護閉合成環保證圍巖的自承能力，保證施工安全，提高施工質量；同時提供較大的操作空間、較多的作業面保證平行流水施工，加快施工進度。

3 施工技術要點

開挖順序見圖1：以隧道起拱線為分界面，上半斷面再一分為二成2 個臺階（姑且標記為上臺階和中臺階），下半斷面也一分為二成2 個臺階（標記為下臺階和底部）。先預留核心土環形開挖上臺階1 部，然后分左右側錯開開挖中臺階及上臺階的核心土組成的2、3 部，再分左右側錯開開挖下臺階的4、5 部，最后開挖底部6（仰拱范圍）。

圖1 隧道四臺階六步法開挖示意圖

3.1 洞口淺埋段施工

3.1.1 完善洞口施工防排水系統

施工前做好地表情況調查，完善施工范圍內地表防排水系統，特別是對頂部及兩側的沖溝進行疏導引流，減少地表水對隧道周邊巖體的侵蝕。

3.1.2 洞口邊、仰坡防護。

主張“零開挖進洞”，盡量不擾動或不破壞洞口邊、仰坡上的植被。但對洞口端存在危石、堆積、偏壓等不良地質時，施工前進行清理、錨噴網防護、管棚超前支護等措施。

3.1.3 洞口淺埋段施工

在洞口Ⅳ、Ⅴ級圍巖段進洞施工時采用雙排長度為6m 的ф42×4mm 注漿小導管超前支護，前后循環間搭接長度在1.2m 以上；在土質或全、強風化的Ⅴ、Ⅵ級圍巖段進洞施工時采用單排長度為22m 以上的ф108×6mm 大管棚超前支護，管棚間適當輔以長度為6m 的ф42×4mm 注漿小導管。

3.1.4 施工套拱及進洞施工。

施工套拱作用是預防洞頂落石，確保進洞安全，套拱施工長度2m。在套拱、ф108×6mm 大管棚或ф42×4mm 小管棚的防護下進行隧道洞身開挖施工。

3.2 超前支護

常用的超前支護方式有超前大管棚和超前小導管兩種。超前小導管是在對施工安全要求較高的條件下使用，當地層卡鉆嚴重時，可采用自進式錨桿。小導管一般采用ф42×4mm 的鋼管，縱向長度4～6m。前后循環超前小導管間搭接長度在1.2m 以上，型鋼間距為0.6～0.8m。

3.3 上臺階開挖與支護

進行拱部超前支護后，以挖掘機（可更換破碎錘頭）或鑿巖臺車為主、人工用風鎬鑿除修整配合，預留核心土環形開挖上臺階1 部，碴土用挖掘機清運至中臺階。上臺階縱向長度控制在5m 內，高度在3.5m 左右，開挖矢跨比應大于0.3，弧形內外環的層間高度在1.8m 左右。每循環開挖進尺1 榀鋼架（約50～60cm），開挖后應及時按“初噴—鋼筋網—錨桿—鋼架—復噴”的支護形式實施初期支護。

3.4 中臺階開挖與支護

緊跟上臺階，中臺階開挖前必須先進行超前支護，用挖掘機（可更換破碎錘頭）對中臺階一側2 部及上臺階核心土進行開挖支護后，再錯開開挖另一側3 部并支護，碴土用挖掘機或裝載機裝車運出洞外。中臺階縱向長度控制在15m 內，高度在3.5m 左右，左右側錯開5m 左右，不能同一斷面左右側同時開挖，避免鋼架懸空。每循環開挖進尺2～3 榀鋼架（約100～180cm），初期支護及鎖腳方式與上臺階一樣，上、中臺階的鋼架接頭必須采用鋼板連接，接頭固定緊密，線形平順，沒有凸起。

3.5 下臺階開挖與支護

緊跟中臺階，用挖掘機（可更換破碎錘頭）對下臺階一側4 部進行開挖支護后，再錯開開挖另一側5 部并支護。下臺階縱向長度控制在15m 內，下臺階高度在3m 左右，左右側錯開5m，不能同一斷面左右側同時開挖，避免鋼架懸空。每循環開挖進尺2～3 榀鋼架（約100～180cm），初期支護與上臺階一樣，若拱架下沉、變形量大可增加鎖腳，中、下臺階的鋼架接頭與中臺階一樣。

3.6 隧道底部、仰拱襯砌與填充施工

緊跟下臺階，用挖掘機（可更換破碎錘頭）對隧道底6部進行開挖，使鋼架閉合成環。仰拱距掌子面距離35m 左右，6 部高度在1m 左右，每循環開挖進尺3～5 榀鋼架（約150～300cm），初期支護與上臺階一樣，下臺階與隧道底部的鋼架接頭與中臺階一樣。隧道底部的鋼架閉合成環后，即可施工仰拱襯砌，一次施工的仰拱襯砌縱向長度不宜大于5m。按設計及規范安裝好仰拱襯砌鋼筋，安裝好模板（可一次安裝好仰拱襯砌及填充混凝土的模板），先澆筑仰拱混凝土，待仰拱混凝土初凝后再澆筑填充混凝土。為了保證仰拱襯砌受力和質量，要求仰拱襯砌混凝土整幅一次澆筑。為減少對前方施工作業的影響，一般需要采用鋼結構的移動棧橋跨越。為方便棧橋架設和控制仰拱開挖暴露距離，要求仰拱一次澆筑長度不大于5.0m。

3.7 地質超前預報和監控量測

通過超前地質預測預報，可主動獲取地質信息，及時發現異常情況。預報開挖面前方不良地段的位置、規模和性質，為優化設計、完善設計、制定科學合理的施工方法提供地質信息依據。確保為施工提前做好準備，及早制定預案，采取相應的技術和安全措施，以保證施工的正常、安全進行。地質素描、物探、超前鉆探方法是軟弱圍巖超前預報的主要手段。在破碎帶和斷層地段，加強超前長、短鉆孔，及時探明隧道前方地質情況，特別是地下水的發育情況，嚴禁在未探明情況下盲目開挖。

監控測量工作必須緊跟開挖、支護作業進行布點和監測，并根據現場施工情況及時調整測量項目和內容，量測數據應及時分析處理，并與工程類比法相結合，及時反饋以便調整支護參數或施工決策。

4 施工情況及應用效果

4.1 施工情況

該隧道的洞身工程于2018 年3 月6 日開始，由于地面水、地下水影響不大，圍巖基本與設計吻合，主要用挖掘機和帶破碎錘頭的挖機開挖，采用既分臺階又分部的“四臺階六步開挖技術”施工，并采用單邊進洞（另一端只是開挖施工明洞段），每個洞平均開挖進尺27m/月，2 個洞于2019 年6 月10 日順利貫通。

4.2 工程監測與結果評價

隧道洞身施工過程處于安全、優質的可控狀態，并按照計劃工期要求完成。隧道上方的村莊建筑和公路沒有出現下沉、開裂、坍陷甚至冒頂情況，經過第三方監控量測單位的檢測，隧道整體情況良好，沒有二襯厚度不足及侵限或其它質量缺陷，順利的通過了驗收。整個隧道土建工程造價6204 萬元（不包括瀝青路面、機電、交通工程等），使施工單位的施工成本得到了降低。

5 分析與對比

①隧道四臺階六步開挖技術綜合了臺階開挖法和分部開挖法的優點。采用該技術施工降低了安全和質量的預支成本，節約了施工管理成本，加快了施工進度，確保了施工安全及工程質量，是一種可行性強的隧道施工方法。

②該技術與相同圍巖條件常用的施工方法（臺階法、三臺階法、兩臺階五步法等）相比較，施工較為安全可靠。該技術采用分臺階、分部開挖技術，實施短進尺、及時封閉的原則，可以較大的減少對圍巖的擾動，保護圍巖的天然承載力。仰拱及時閉合，能較好地保證隧道的整體穩定性及隧道施工的安全性，很好地避免了冒頂、塌方等事故，避免了坍方引起的牽引破壞，避免對地表的破壞，能保證隧道的整體穩定性及隧道施工的安全性。

1）施工中分四臺階并預留上臺階的核心土、左右側分步開挖等方法，以減少對圍巖的擾動，保護圍巖的天然承載力，能較好地保證圍巖的穩定性及在安全的環境條件下進行隧道施工。

2）采取各臺階及各部位的開挖與支護沿隧道縱向錯開、分步平行開挖、分步平行施作初期支護，施工支護采用較強的鋼拱架噴錨支護，超前支護和初期支護緊跟開挖平行作業，仰拱及時閉合，構成全環穩固的初期支護系統，以有效地加強圍巖的自承能力，保證能在安全的環境條件下進行隧道施工。

3）通過對圍巖進行監控量測，把握施工中所處的安全狀態，反饋圍巖變化信息來指導現場施工，并及時調整支護參數和確定二次襯砌的時間，有效抑制圍巖變形，能較好地保證隧道的整體穩定性及隧道施工的安全性。

4）通過對各工序間的合理管理，各班組間交接時間的壓縮，能提高施工速度，減少圍巖暴露的時間，避免圍巖的自承能力的降低。

5）易形成流水循環施工，循環作業時間大大縮短，使初期支護能更早封閉成環，保證施工安全。

6）減少了超挖，減少了對圍巖的擾動，維護掌子面的穩定，很好地避免了冒頂、塌方等事故，避免了坍方引起的牽引破壞，避免對地表的破壞，能保證隧道的整體穩定性及隧道施工的安全性。

③采用該技術施工，工程質量好。該技術施工的毛洞成型好，且超欠挖少，初期支護質量容易控制。

1）采用短進尺多部開挖的方法，使毛洞成型好，減少了超欠挖，初期支護質量容易控制。

2）受施工擾動相對較小，不易因機械設備碰觸或人為損傷造成初期支護質量下降。同時，因不涉及臨時支護的安拆，初期支護表面外觀質量也能得到保證，為后續防水層施工質量奠定了良好的基礎。

3）以鋼架為主的初期支護系統性能穩定可靠；初期支護整體性強，與二次襯砌結合緊密，能保證隧道初期支護、二襯的質量。

④該技術與其他軟弱圍巖隧道施工方法（雙側壁導坑法、CD 法、CRD 法、三臺階臨時仰拱法、三臺階七步法等）相比較，施工速度快、經濟效益顯著、社會效益好。減少了分部開挖次數，無過多的臨時支護，節約大量的型鋼、鋼筋、錨桿、噴射砼等材料用量，以及節省了安裝和拆除臨時支護時間。施工工序相對較為簡單，臺階之間可平行穿插作業，便于現場施工組織管理。能減少冒頂、塌方等事故，減少因坍方造成的經濟損失，同時減少對社會造成的負面影響。

1）施工工序相對較為簡單，不需要特殊的施工機具設備，臺階之間可平行穿插作業，便于現場施工組織管理，能節省大量的機械臺班費和管理成本，減少能源的浪費。

2）作業空間相對較大，可形成平行流水化作業，減少了多工序間的相互干擾，具有較快的施工速度。

3）通過對各工序間的合理管理，各班組間交接時間的壓縮，能提高施工速度，節約施工成本。

4）開挖具有足夠的作業空間，便于大型機械化施工，機械利用率高，可提高工效20～45%，大大節約了工期和減少了管理成本。

5）施工作業面空間較大，空氣流通較好，作業環境亦能得到很大的改善。

6）減少了分部開挖次數，無過多的臨時支護，節約大量的型鋼、鋼筋、錨桿、噴射砼等材料用量，以及節省了安裝和拆除臨時支護時間。并減少了由于拆除臨時支護對圍巖的擾動。

7）在圍巖情況或其它條件發生變化時，由于其作業空間相對較大，可以提供機械設備快速進入使用，使應急處理措施能得到快速實施。并可以迅速地轉換為其它技術進行施工。

8）減少了超挖，減少了對圍巖的擾動，很好地避免了冒頂、塌方等事故，能減少安全、質量預支成本。隧道坍方可造成較大的直接和間接經濟損失，并造成不好的社會影響。

6 結束語

綜上所述，四臺階六步開挖施工技術，可以有效預防和解決施工引起坍塌、拱頂整體下沉、收斂嚴重等問題，并適用于穿過Ⅴ級及以下軟弱圍巖層、下穿村莊和公路的隧道，是一種值得推廣的施工方法。