臺階法施工技術在高速鐵路淺埋隧道工程中的應用

陶益勝，田 發，劉雪東，謝斌福

(中國建筑土木建設有限公司，北京 100073)

0 前 言

縱觀現階段的隧道工程施工技術，三臺階臨時仰拱法頗具代表性，其在強風化的硬巖、風化強度高的軟巖中均具有可行性，可以促進側墻初期支護的成型，有效控制圍巖變形，預留的大尺寸核心土可發揮出支撐作用，用于維持掌子面圍巖的穩定性，同時在軟弱圍巖地層大斷面隧道的拱頂沉降、地表沉降、圍巖應力、塑性區擴展面積及深度控制方面要優于三臺階七步法。對于構筑安全施工環境、保證工程質量具有重要的作用。

1 工程概況

某雙線單洞高速鐵路隧道工程，起訖里程DK126+547～DK127+258，全長711 m。隧道共有5個淺埋段，埋深均在30 m以內。地質勘察結果顯示，地表為溝谷，強風化厚度5～15 m。全強風化帶現場的水文條件特殊，同時具有地表水和地下水均強烈活動的特點。由于地質、水文方面的特殊性，不利于隧道建設工作的順利開展，潛在諸多安全隱患，易誘發坍方通頂等事故。

2 隧道工程施工狀況概述及臺階法的提出

各隧道工程的圍巖地質條件、水文條件等方面均有獨特性，對應的開挖方法不盡相同。現階段，隧道開挖的常見方法包含全斷面法、臺階法、三臺階法、三臺階臨時仰拱法等。相比之下，臺階法的應用較為廣泛，但施工期間可能會出現拱腳變形現象，具體表現為以下兩種形式：①拱腳的水平收斂變形；②拱腳的豎向沉降變形。在既有的隧道工程建設中，工程人員高度重視水平收斂變形，并采取針對性的防控措施，易忽視豎向沉降變形，但兩者均是隧道工程建設中的重點內容。

值得肯定的是，隨著隧道建設事業的發展，技術研究持續深入，工程實踐經驗愈發豐富，相繼有更多前沿的方法被提出、被應用。其中，臺階法頗具代表性，較之于以往的方法，其施工方式更為合理，在維持結構穩定性方面有重要的作用，總體來看該項技術具有安全有效、質量可靠、經濟高效等多重優勢[1]。

3 臺階法施工技術

三臺階七步法在隧道工程中占據舉足輕重的地位，其實施的是機械為主、人工為輔的模式，富有秩序性地開挖[2]。

掌子面用混凝土封閉，對沖溝進行反壓回填處理，根據工程要求施作超前管棚和下導管，起到加固的作用；組織超前地質預報，根據掌握的掌子面前方地質條件合理規劃后續的工作；上臺階開挖采取環形開挖的方法，適當擴大拱腳，提高穩定性；初期支護設置到位、上臺階施工5 m后及時預留核心土，起到支撐作用；設初期支護，增強穩定性，組織中臺階左側開挖作業，依然在開挖量達到5 m后預留核心土；設置初期支護，組織下臺階右側的開挖，進度達到2～3 m后預留核心土；經過前述施工后，開挖下臺階左側；及時施作初期支護，并密切關注下臺階的開挖進度，待該部分開挖量達到10～20 m時，開始進入仰拱開挖環節，此部分的長度按3 m控制，盡可能縮短暴露于外界的時間，即在開挖后的8 h內予以封閉，隨后將鋼筋綁扎到位，組織仰拱混凝土澆筑施工；后續及時施作拱墻襯砌。

3.1 上臺階的開挖支護

1)取Φ42 mm、壁厚3.5 mm、長3.55 m的超前小導管，將其打設至拱部120°范圍內，外插角5°～10°，環向間距40 mm。

2)上臺階開挖實施機械作業的模式，即利用挖掘機高效開挖，單個循環的長度以0.8～1.0 m為宜；機械開挖后安排施工人員精細化修邊，保證開挖質量；此后噴射40 mm厚的混凝土，用此方法有效封閉作業面。

3)混凝土噴射施工后，將系統錨桿打設至指定位置，緊密掛設鋼筋網片。系統錨桿按照1 m×1 m的間距有序布設到位；用Φ8 mm的鋼筋制作鋼筋網片，間距為200 mm×200 mm。

4)鋼架以I20a型鋼為原材料搭設成型，環向用鋼板螺栓進行連接處理，以保證穩定性，縱向則用Φ42 mm鋼管連接。在設置超前小導管時，以焊接的方法將其尾端穩定連接在鋼架上[3]。

5)鋼架成型后施作鎖腳錨管，材料選用的是長度為4 m的Φ42 mm鋼管。

6)待錨桿、鋼筋網、鋼架設置到位后噴射C25混凝土。經過上臺階的施工后，構成穩定可靠的承載拱。

3.2 中臺階左側和下臺階右側邊墻開挖支護

1)隨著施工進程的推進，上臺階超前中臺階3～5 m后，以交錯開挖的方式施工中臺階左側和下臺階右側，單次開挖量為1～2榀，確保左右兩側暴露的初支結構有足夠的穩定性(即不可同時處于懸空狀態，否則穩定性難以得到保證)。中臺階開挖高度約為4.5 m，為保證開挖安全和開挖質量，分上、下兩次有序開挖，期間由施工人員適時修邊。此后繼續中臺階下部的開挖作業。

2)中臺階的下部修邊工作落實到位后噴射混凝土，厚度控制在40 mm，采取此方法盡快封閉作業面。隨后將系統錨桿打設到位，掛設鋼筋網片。

3)及時安裝拱架，復噴混凝土。

3.3 仰拱開挖支護

下臺階開挖量達到25 m時進行仰拱開挖，此部分分兩次完成，單次開挖長度按3 m控制，隨后再于仰拱處設置初期支護結構[4]；合理協調工序，盡快澆筑仰拱混凝土，成型后將仰拱棧橋搭設成型；經過前述施工后繼續開挖掌子面。

3.4 核心土的開挖

核心土是臺階法施工中的重點部分，合理預留核心土后可起到反壓的作用，以便后續施工的順利進行。進入上臺階開挖環節時同步挖除核心土。靠前一側的中臺階需跟到上臺階核心土的尾部，全程協同推進；上臺階核心土和對應臺階的土體可被同步挖除，經此環節的施工后噴錨網支護。各臺階施工時均要先開挖兩側拱腳，隨后方可挖除核心土，若由于現場條件限制或其他原因而導致中、下臺階不得不挖除核心土，出于安全層面的考慮，需確保拱架底部有1 m或更多的部分得到土體反壓覆蓋處理。嚴格控制各臺階的開挖長度，不宜過大，否則不利于支護工作的順利開展，也會對工序循環秩序造成不良影響。對于噴射混凝土，需使用到噴錨料，此類材料可將其臨時堆放在中臺階中部的平臺處。

3.5 監控量測

開挖施工的復雜度較高、隱蔽性較強，需要密切關注圍巖的實際狀態和支護結構的穩定性，以保證開挖作業的順利開展。除了提供有關隧道的信息資料外，還需要立足于實際情況，及時做好地質超前預報工作，同時以科學的方法加強監控量測，用實測數據指導工作的開展。集多重信息于一體，動態化調整支護結構的參數，營造良好的施工環境[5]。此外，準確計算量測數據，及時反饋，形成暢通的信息溝通機制，做到及時發現問題、盡快處理問題，保證結構穩定和施工安全。在地質信息的收集方面可采用超前地質預報的方法。

3.6 三臺階七步法施工注意事項

工程實踐經驗表明，三臺階七步法如果充分應用到大型機械設備，可提高施工效率。但在大斷面隧道施工中，由于現場環境的復雜性，需要高度重視各項細節，以保證三臺階七步法的合理應用。

1)合理控制臺階的長度至關重要，合適長度的臺階能夠為機械設備的高效運行創設良好的條件，也有利于提升大斷面隧道的安全性。在實際施工中，需緊密結合現場地質條件，靈活控制臺階的長度，例如遇到地質條件較差的施工環境時，較為可行的方法是盡量縮短臺階的長度。

2)在三臺階七步法施工中，變形控制主要依賴隧道兩側的拱腳而實現，因此為了保證隧道的穩定性(最大限度減小變形量)，則需要充分考慮拱腳的穩定性，以可行的方法盡可能提高其穩定性。為此，可采取增設鎖腳錨桿的方法，將該構件插向拱腳的斜下方，切實發揮出拱腳的承載力優勢。

3)大斷面圍巖變形的預留初始值相對較大，在實際施工中需要緊扣具體的環境，客觀分析變形量，富有針對性地做出調整，做好此方面的工作后能夠為后期襯砌混凝土施工創設良好的條件，以免出現超方問題。

4)大斷面圍巖的完整性欠佳，以破碎狀為主，易失穩，施工時需要以可行的方法阻止地表水下滲，否則在水的侵蝕作用下土體的自重有所增加，此時隧道支護變形量較大，不利于正常施工。不僅于此，針對大斷面軟弱圍巖的裂隙水，需聯合應用排、堵、防多重方法，有效疏導。

4 鉆爆設計

4.1 裝藥結構

1)周邊眼。合理選擇裝藥結構，有效控制裝藥量，盡可能保證炸藥孔深的均勻分布，以免圍巖遭到擾動。為此，可采取不耦合裝藥結構，炸藥選用Φ22 mm的2號抗水炸藥，不耦合系數控制在1.4～2.0。

2)其他眼。包含底板眼、掘進眼、掏槽眼等，較為適宜的是采用Φ32 mm的藥卷，并且需要選擇連續裝藥結構。

3)起爆順序。為了保證爆破開挖效果并減小不良擾動作用，將底板眼分為兩段分開起爆。總體上，按照掏槽眼→掘進眼→二臺眼→內圈眼→底板眼→周邊眼的順序起爆。

4.2 爆破作業

1)測量放線。由專員合理操作全站儀，結合工程要求測放出各炮眼的具體位置。在距離開挖面50 m處埋設中線樁，按照100 m的間隔依次設置臨時水準點。為了保證爆破效果，每次測量放線時均詳細檢查上一次爆破情況，針對施工期間記錄的數據展開分析，動態修正爆破參數。

2)鉆孔。以測量放線結果為準在指定位置鉆孔，未經許可不得隨意改動位置，亦不可隨意調整炮孔的數量。鉆孔采用的是定位鑿巖臺車，安排該設備就位，調整好臺車鉆桿的姿態，以便順利鉆進。

5 施工質量問題的防控措施

1)于軟弱圍巖地段開挖時，為保證施工安全，需要嚴格控制開挖循環進尺，以上、下臺階為例，前者以1榀鋼架間距為宜，后者不大于2榀鋼架間距。此外，遵循“先護后挖”的原則，用適量的超前小導管增強支護效果。爆破時不可避免存在擾動作用，為此可采取弱爆破技術，對于埋深較淺的施工地段，還需充分考慮到周邊地面建筑物的防護要求，盡可能減小爆破對周邊環境造成的不良影響。

2)施工期間加強監測，以此及時掌握現場施工情況，進而根據信息展開分析，明確結構穩定程度、圍巖應力等情況，以便更為合理地施工。此外，基于已掌握的現場信息制定風險應急預案，以備不時之需。若現場存在異常狀況則及時做出響應，盡快發現問題并予以處理，使隧道施工恢復正常狀態。

3)在拆除臨時支護時需要加強現場監控，判斷是否會對后續的施工造成影響。此外，注重對施工工序的協調，及時跟進仰拱和二襯施工。對于臨時支護混凝土的拆除需要加強防護，不可因為此項工作的開展而導致初支結構受到擾動性影響。

4)圍巖變形現象的出現將加劇現場施工安全隱患，不利于正常施工，為此，在施工中需注意：①遵循“短進尺、弱爆破、強支護、勤量測、早封閉”的基本原則；②檢測上臺階噴射混凝土的強度，實測值達到設計值的70%后才具備開挖下臺階的條件；③可根據現場情況，以分左、右兩部分錯開開挖的方式施工下臺階，且及時采取支護措施；④根據現場圍巖等級，靈活控制仰拱與掌子面的距離，例如：Ⅲ級圍巖≤90 m、Ⅳ級圍巖≤50 m、V級圍巖≤40 m。

6 結束語

大斷面軟弱圍巖隧道的施工條件特殊，質量要求較高，通過三臺階七步法的應用可取得良好的應用效果，能夠實現施工安全、質量可靠、經濟高效的目的，由此說明三臺階七步法具有可行性。在類似的隧道工程中，工程人員需從現場地質、水文等基礎條件出發，制定具有可行性的三臺階七步法開挖施工方案，再根據特定的流程有條理地開展施工，保證隧道施工質量。

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