三臺階機械開挖技術在隧道工程中的應用

陳利萍

（江西交通工程集團有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

三臺階機械開挖技術作為隧道工程中常用的一種技術，具備施工方便，能夠根據地質變化情況調節施工工具以及方法，同時還能夠實現多跨度、多斷面施工等特點，對提高隧道工程的建設質量有著很重要幫助。因此，對三臺階機械開挖技術要點進行分析，掌握技術的工藝流程，對推動隧道工程的開展有著積極作用。

1 三臺階機械開挖技術的特點

三臺階機械開挖技術主要的施工機械是三臺階開挖機械，基本工作模式是按照上、中、下三個臺階進行，每個部分和開挖隧道支護結構縱向交錯設置，采取平行推進的施工方式。三臺階機械開挖技術在公路大斷面施工中有著極為重要的作用，完全可以滿足多種不同條件下地段隧道的開挖施工作業。經過實踐經驗分析，該方式具備如下特點：其一，施工空間大，機械作業更加方便，可以采取多平面平行作業的方式。應用在軟巖結構中，通過使用懸臂掘進機、液壓鷹嘴鉤等設備進行，開挖效果更好，超挖、欠挖的控制效果更好，施工效率也比較高。其二，地質發生變化后，可以及時調整施工工藝的順序和方法，在頂部圍巖穩定性不足的情況下，可以在現場設置豎向臨時支撐，并且分為左右兩個洞室進行施工，從而防止開挖面積過大而產生失穩的問題，提高作業施工效果。其三，在多種跨度、斷面中都可以應用，初期支護操作更加方便，施工效率更高。其四，圍巖如果發生變形或者存在突變的情況，在確保安全以及凈空尺寸下，能夠縮短閉合的時間，安裝效果也會提高。其五，現場開挖施工速度快，不會對圍巖造成過大擾動。現場人員數量少，經濟效益明顯[1]。

2 隧道臺階開挖技術施工的條件及要求

2.1 隧道臺階開挖技術的適用條件

隧道臺階開挖技術在施工中先進行上半斷面的開挖施工，在達到特定長度后，同時開挖下半斷面，實現上下斷面同時開挖作業。根據臺階的尺寸差異，可以分為長臺階、短臺階、超短臺階等幾種，根據不同情況選擇合適的臺階尺寸。近年來大斷面隧道設計和施工出現多種方法，如臨時仰拱法、多臺階法等。對于不同方法的選擇，應遵循如下原則：

其一，初期支護后形成閉合斷面的時間要求，圍巖越差，則時間越短；

其二，上斷面現場作業環節的開挖、支護、出渣等機械設備的場地空間。

在軟弱圍巖施工中，要充分考慮多個方面的因素，以達到工程安全性的標準。在圍巖條件較好的情況下，要從提升機械效率的角度出發，符合工程經濟性與安全性的要求，如果不能完全兼顧，應以保證現場施工效果與安全為準。

2.2 隧道臺階開挖技術的要求

隧道臺階開挖技術施工空間比較富裕，同時也能提高施工速度，但是上、下臺階存在干擾，且臺階開挖會影響圍巖結構的穩定性，臺階開挖技術有利于開挖面的穩定。特別是在上部開挖支護結束后，下部進行作業施工的安全性較高，但是也要考慮到開挖環節的穩定性影響。具體來說，開挖階段要注意下述幾個方面：

其一，避免上、下斷面在施工中出現干擾性問題。超短臺階通常按照一個斷面的形式開展掘進施工；長臺階的施工作業長度較大，所產生的影響也比較小；而短臺階在現場開挖中，會產生較大的干擾和影響，所以現場組織施工必須提起足夠的重視。對于比較短的隧道項目來說，在上半斷面貫通之后，才能開始下半斷面的開挖施工。

其二，在下部開挖作業的過程中，要確保上部穩定性不會受到影響。如果圍巖非常穩定，則可以按照分段開挖方式施工；如果圍巖穩定性不足，需要減小掘進的尺寸；如果圍巖穩定性極差，則應左右交錯施工，以免造成結構嚴重損壞[2]。

其三，在下部的邊墻結構開挖施工中，要及時噴射混凝土，并做好初期支護作業。

其四，及時進行現場測量工作。觀察拱頂的情況，拱腳以及邊墻的中部位移參數要符合要求，在出現速率突然升高時，及時實施仰拱封閉。

3 開挖前超前支護施工

3.1 超前小導管支護

超前小導管對于提高圍巖結構的穩定性產生直接的影響。通常在現場選擇應用φ42mm×4mm 的熱軋無縫鋼管制作，長度結合現場具體情況確定。鋼管采用環向分布方式設置，間隔距離為40cm，外插角為10～15°即可。在管道中間部位，進行鉆孔作業，孔徑為6mm，間隔距離15cm，以確保注漿施工順利進行。導管安裝后及時注漿加固，壓力保持在0.5～1MPa，施工現場如圖1 所示。

圖1 超前小導管支護現場

3.2 制作小導管

在施工現場內，應用小導管切割孔成型自動化生產線進行加工，以確保小導管的尺寸與規格符合要求。導管的規格為φ42mm 鋼管，頭部制作為錐形，尾部焊接加勁箍，提高結構的強度。在管身間隔10～20cm 鉆孔，直徑6mm，采取梅花形的方式布置。

3.3 超前小導管安裝

在現場施工環節，應用YT-28 型風動鑿巖機進行鉆孔作業。在鉆孔前先測量放樣，保證孔位精度合格，符合設計標準要求，提高注漿施工的質量水平。根據設計方案配制漿液，調試注漿機設備，并落實壓水試驗，檢查機械設備是否處于正常的工作狀態下，管道連接是否牢固、可靠。小導管安裝工作結束后，對管口封閉處理，預防出現雜質進入內部而影響注漿效果。

3.4 超前小導管注漿

小導管安裝完成之后，應用錨固劑封閉處理，并在表面噴射混凝土；通過注漿泵開始注漿施工，管道連接效果合格，調整壓力為0.45～1.05MPa。水泥漿水灰比1∶1，水泥標號42.5R。各項準備工作結束后，立即開啟注漿泵進行施工。加強現場觀察和控制，同時組織人員進行質量監督與檢查。對注漿量加強監控，達到超前加固的效果。在注漿現場施工中，不能隨意進行漿液的攪動，防止出現沉淀分層的問題，造成漿液質量發生變化。總之，嚴格控制注漿作業，全面管控注漿量與壓力，提高工程質量水平。

4 三臺階機械開挖技術施工工藝

4.1 施工準備

現場施工作業之前，先進行技術交底，加強人員崗位培訓和教育，使其掌握先進的科學技術，有足夠的經驗，對于超欠挖、突發情況有足夠的處置能力，能勝任崗位工作。隧道進洞前，根據設計方案進行截排水系統、邊仰坡防護、洞口大管棚處理等，從而到達進洞的安全性。

4.2 工藝流程

三臺階機械開挖技術的工藝流程如下：第一，上臺階懸臂式掘進機開挖作業，同時進行拱部初期結構的支護施工。第二，中、下臺階左右交錯設置液壓鷹嘴鉤開挖施工，并且進行初期支護施工。第三，遂底仰拱液壓鷹嘴鉤開挖施工，進行初期支護施工。每一次開挖施工結束后，立即進行支護處理，并且在支護后及時進行仰拱、二襯施工，并落實封閉處理[3]。

4.3 三臺階機械開挖

上臺階應用懸臂式掘進機開挖作業，該設備的工作方式是截割，從底部開始進行作業，然后按照S 形或者Z 形循環截割作業，直到整個結構全部施工結束。中、下臺階采用液壓鷹嘴鉤開挖施工。將上述各個環節開挖后的渣土，通過自卸車運輸到規定部位。三個臺階應用平行開挖作業方式，并進行初期支護的施工，每個部分相互銜接緊密，封閉成環形。仰拱緊隨下臺階施工，封閉結構，組合形成穩定的體系。在現場施工中，進行監控測量作業，了解現場支護、圍巖的具體情況，并進行參數的調節，達到工程安全性的要求。根據需要，設置防排水體系，防止損壞工程結構。

4.3.1 上臺階開挖

上臺階開挖需要在拱部超前支護施工后實施，開挖循環進尺根據圍巖等級、初期支護鋼架結構間隔距離設定，從而滿足現場開挖作業要求，且不會導致安全事故。在上臺階的開挖中，其矢跨比超過0.25，結合該隧道工程特點以及設備作業數據，主洞上臺階高度按照5m 進行施工。掘進設備的性能與參數符合要求，落實現場管理與控制措施，并應用自卸車完成運輸作業，從而提高上臺階的開挖效果，一般上臺階開挖長度達到20m 即可。開挖施工結束后，立即開始噴、錨、網系統支護作業，設置鋼架結構，在鋼架拱腳以上30cm 的高度，緊貼鋼架兩側沿著下部傾角30°設置鎖腳錨桿，并且與錨架穩定連接，再進行噴射混凝土施工，達到設計標準[4]。

4.3.2 縱向通道開挖

上臺階開挖達到20m 之后，開始進行中、下臺階的開挖施工。為了使掘進機出渣有足夠的距離，設置縱向通道的形式，采取縱挖的方式，坡度控制在18%以內。兩側的坡度結合實際情況確定，符合地質條件的要求，且該項目設計為粉砂質泥巖隧道，自穩性良好，坡比按照1∶0.75 設置。邊坡同為人工刷坡的作業方式，將現場散落的碎石清理干凈，并噴射3～5cm 厚度的混凝土。

4.3.3 中臺階開挖

將上臺階開挖到規定尺寸，形成縱向通道后，開始進行中臺階開挖施工。在現場施工中，應用液壓鷹嘴鉤+析挖機的開挖作業方式，用反鏟挖掘自卸車完成出渣作業。

4.3.4 下臺階開挖

下臺階開挖應該在上臺階支護結束后，確保混凝土強度符合設計標準70%后開始進行。下臺階開挖高度按照仰拱、仰拱回填高程、棧橋等確定底部高程參數，一般控制在3.5m 以內即可。施工現場見圖2。

圖2 開挖施工現場

4.3.5 隧底開挖

經地質條件分析，隧底為泥巖，有部分礫巖材料，使用液壓鷹嘴鉤方式開挖作業，長度6m 為一個整體結構。開挖后，立即采取支護施工，提高結構的穩定性。

5 施工質量控制

5.1 超欠挖的控制措施

其一，通過新奧法開展現場施工，提高結構的施工強度和性能，確保工程的質量效果合格。其二，加強測量檢測，提高精度水平，減小放樣誤差，從而實現超欠挖的控制。其三，落實人員培訓和教育措施，提升專業技術水平，保持良好的工作習慣，提高專業技能水平。其四，現場預留輪廓為30～50cm，并且實施二次銑挖作業。

5.2 地下水及施工用水的控制措施

在軟巖隧道中，水的影響作用巨大，尤其是在工字鋼拱腳軟化后，初支的穩定性大幅度下降。軟巖隧道要落實現場水源的控制，在兩側布置縱向排水溝設施，滲水以及裂隙水通過排水溝匯集到洞口集水坑抽排處理。利用PVC 管道排放水，將其引入兩側的排水溝，以免對隧道施工產生不利的影響。

5.3 粉塵及環水保的控制措施

在檢測開挖作業環節，掘進機工作會產生較多的粉塵，為現場施工帶來不利影響，造成超欠挖的問題。因此，需要制定切實可行的防粉塵措施。在該工程中，現場施工應用抽出式+壓入式通風降塵的效果，將粉塵及時排出去，防止對現場產生影響。同時，在現場設置噴霧設備，進行噴淋降塵處理，用過濾設備將顆粒物清除干凈，避免造成影響[5]。此外，利用設備進行抽排處理，避免出現現場灰塵堆積或者污水淤積的情況，導致安全性不足。

6 結語

三臺階機械開挖技術在某些穩定性較高的軟巖隧道內施工具有非常大的優勢，通過超前地質預報、監控量測等措施，指導機械開挖作業的順利進行，不會對圍巖造成過大的擾動。為保障結構的穩定性，要加強三臺階機械開挖技術研發，不斷提高技術水平，為隧道項目施工建設奠定基礎。