鐵路隧道三臺階七步法出洞施工技術(shù)的應(yīng)用

呂 超

（中鐵十二局第一工程有限公司，陜西 西安）

在鐵路隧道的出洞施工中，常用的方法有小導(dǎo)洞法出洞、三臺階七步法出洞等。從工程實踐來看，小導(dǎo)洞法具有施工流程簡單、施工速度較快等特點，但是對圍巖質(zhì)量要求較高。本文研究的鐵路隧道工程，經(jīng)檢測隧洞處圍巖級別為Ⅲ～Ⅴ級，穩(wěn)定性較差，不適合小導(dǎo)洞法。相比之下，三臺階七步法出洞則采取了注漿加固、預(yù)留核心土、開挖后立即初噴支護等措施，并在施工完畢后進行了沉降觀測，切實保障了隧道施工安全，避免了軟弱圍巖在出洞施工期間發(fā)生塌陷或大幅度變形的情況，有助于提升經(jīng)濟效益和社會效益。

1 工程概況

某鐵路隧道起止里程DK504+618～DK505+477，總長度778 m，最大埋深118.4 m。隧道洞口基巖裸露，山坡覆蓋風(fēng)積黏質(zhì)黃土，自然坡度33～48°，洞身以頁巖為主，局部夾有砂巖。其中，隧洞出洞口仰坡較陡，并且上方有高速公路，需要采取仰坡防護措施。采用噴錨支護，清理邊坡后噴10 cm 后的C30 混凝土，然后處φ22 砂漿錨桿，并掛網(wǎng)。隧道設(shè)計支護參數(shù)見表1。

表1 隧道設(shè)計支護參數(shù)

2 三臺階七步法出洞施工技術(shù)

2.1 拱部軟弱圍巖加固

為確保隧洞施工順利和維護施工人員安全，在隧道洞口天然坡面采取防護措施。施工人員首先將洞口周圍坡面的地表植被和松動巖石清理干凈，形成表面平整的坡面后，按照施工圖紙進行仰坡測量放線。在仰坡5 m 外施作截水天溝，溝內(nèi)使用25 cm 后的M10 漿砌片石砌筑，保證排水順暢，減少雨水滲透。完成隧道上臺階弧形導(dǎo)坑貫通施工后，使用挖掘機以1:1 比例進行仰坡刷坡。對于隧洞拱部的軟弱圍巖，采取超前小導(dǎo)管注漿法進行加固[1]。

小導(dǎo)管選用直徑為42 mm 的無縫鋼管，長度為4.2 m，外插角10～12°，采用十字型布置，漿液為普通水泥漿液。為減輕小導(dǎo)管插入阻力，將前端改為錐形，管壁上布置4 個間距為15 cm、直徑為10 mm 的注漿孔，小導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 超前小導(dǎo)管注漿施工流程

本次工程中，使用風(fēng)動鑿巖機在標記出的孔位上進行鉆孔，要求鉆孔直徑略大于鋼管直徑（約2～3 cm）。鉆孔埋入鋼管后，再使用鑿巖機將小導(dǎo)管打入鋼管中，要求小導(dǎo)管的埋入長度超過鋼管長度的90%。小導(dǎo)管布置完畢后開始壓水試驗，確定密封良好后將水泥與水按照1:1 配制成漿液，由注漿泵加壓后完成注漿。超前小導(dǎo)管注漿流程如圖1 所示。

2.2 出洞施工

結(jié)合前期的地質(zhì)勘察結(jié)果，在隧道出洞時圍巖從Ⅳ級變?yōu)棰跫?，如果仍然沿用全斷面法施工，可能會出現(xiàn)圍巖變形情況，經(jīng)過討論后決定采用“三臺階七步開挖法”進行隧道出洞施工，流程如圖2 所示。

圖2 隧道三臺階七步流水法施工流程

2.2.1 開挖上部弧形導(dǎo)坑

在完成拱部超前小導(dǎo)管注漿支護后，開挖上部弧形導(dǎo)坑，即圖3 中“1”部。該隧道的洞口處為水平巖層，開挖時預(yù)留一部分核心土（1.2～1.8 m），其目的是提升縱向拱效應(yīng)，盡量避免上部圍巖出現(xiàn)碎石掉落的情況。開挖過程中每向前進尺1 m，立刻在新開挖面上噴射5 cm 厚的C30 混凝土，對巖壁和掌子面進行封閉，待混凝土完成初凝后，依次進行錨桿和鋼筋網(wǎng)的支護[2]。完成支護后，現(xiàn)場施工人員需要做好地面渣土的清理工作，使拱腳平整干凈。若拱腳局部出現(xiàn)凹陷，使用槽鋼墊平，防止鋼架出現(xiàn)沉降、歪斜。

圖3 三臺階七步開挖法流程

在鋼架拱腳上方30 cm 和50 cm 位置，分別插入一組長度為3.5 m、直徑為24 mm 的鎖腳錨桿。每組包括2 根。與鋼架連接部位采用雙面焊的方式加以固定，復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度。鎖腳錨桿的布置方式如圖4 所示。

圖4 鎖腳錨桿施工示意

2.2.2 開挖左右側(cè)中臺階

左右側(cè)中臺階為圖3 中的2、3 部分，左右側(cè)臺階錯開2.5 m，同樣每掘進1 m 需要暫停施工、立即支護。初噴混凝土的厚度為5 cm 即可，在混凝土初凝后插入錨桿、掛鋼筋網(wǎng)，完成支護。在左右兩側(cè)靠近巖壁處架設(shè)邊墻鋼架，利用高強螺栓將邊墻鋼架和拱部鋼架固定。對于局部對接不夠緊密的，使用525 焊條進行焊接，現(xiàn)場施工時采取焊前預(yù)熱和焊后保溫，提高焊接質(zhì)量；同時在焊接完畢后檢查焊縫，清理焊渣。分別在鋼架墻腳的30 cm 和50 cm 位置打入鎖腳錨桿，布置方法與上文相同，最后復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度。

2.2.3 開挖左右側(cè)下臺階左右側(cè)下臺階為圖3 中的4、5 部分，施工方法同左右側(cè)中臺階，不再贅述。

2.2.4 上中下臺階預(yù)留核心土

在開挖上、中、下臺階時，均需要預(yù)留核心土，即圖3 中的6 部分。預(yù)留核心土的作用是提供掘進空間，方便各臺階順利向前掘進。

2.2.5 開挖隧道底

隧道底部需要左右錯開施工，為圖3中的7 部分。隨地每循環(huán)開挖程度2 m。實際施工時，由于出洞處存在偏壓，需要按照先右后左的順序開挖，并且在開挖后立即布置仰拱初期支護，使洞口封閉成環(huán)[3]。

2.2.6 上臺階貫通

本工程中上臺階的開挖方式為弧形導(dǎo)坑開挖，預(yù)留核心土后以型鋼拱架之間的間距作為循環(huán)進尺距離，依次向前掘進直到洞口上臺階實現(xiàn)貫通。上臺階貫通后暫停施工，避免隧道斷面開挖范圍太大造成洞口段圍巖擾動進而出現(xiàn)圍巖坍塌事故。借助于上臺階貫通后產(chǎn)生的通道，在洞外完成邊仰坡的開挖與支護施工。檢查防護效果，確認達標后從洞口向洞內(nèi)繼續(xù)開挖中、下臺階。正常情況下，為了提升施工效率可以做到中、下臺階兩頭同時開挖，但是本工程中圍巖強度較差，基于安全方面考慮采取了左右兩邊錯開開挖的方式。

3 三臺階七步法出洞施工質(zhì)量控制

3.1 隧道拱頂沉降監(jiān)測

采用三臺階七步法出洞施工，會對洞口圍巖產(chǎn)生一定的擾動，本次工程中對圍巖穩(wěn)定性進行了密切觀測，包括洞內(nèi)觀察、拱頂下沉測量等，具體如下：

（1） 洞內(nèi)觀測。觀察并記錄圍巖巖性、風(fēng)化變質(zhì)程度、掌子面節(jié)理裂隙以及噴射混凝土的表面狀態(tài)。特別關(guān)注噴射混凝土表面是否有明顯裂縫，如果有裂縫如實記錄裂縫數(shù)量、位置以及長度、寬度等參數(shù)。若觀察發(fā)現(xiàn)圍巖與支護結(jié)構(gòu)存在比較明顯的變形，則及時采取應(yīng)對措施。

（2） 拱頂下沉測量。在隧道拱頂最高處，沿著隧道方向縱向布置沉降觀測點，間隔為6 m。在每個觀測點上使用直徑為15 mm 的鋼筋垂直打入拱頂巖層中，嵌入深度為15～20 cm，并保證鋼筋端頭露出噴射混凝土4～6 cm。在鋼筋上粘貼反射片，利用全站儀觀測拱頂沉降量[4]。

洞內(nèi)觀測結(jié)果表明：掌子面情況良好，圍巖基本穩(wěn)定；噴射混凝土表面發(fā)現(xiàn)4 處微小裂縫，長度均在5 mm 以內(nèi)，屬于混凝土干燥收縮產(chǎn)生的自然裂縫；錨桿和鋼筋網(wǎng)固定良好，未發(fā)現(xiàn)有脫出、松動情況。拱頂下沉量觀測結(jié)果如圖5 所示。

圖5 隧道拱頂沉降隨時間變化曲線

由圖5 可知，在拱頂沉降觀測的30 d 內(nèi)，隨著時間的推移拱頂下沉量整體上呈現(xiàn)出“先快后慢”的上升趨勢。在觀測結(jié)束時，拱頂下沉量為3.48 cm，下沉速度為1.16 mm/d，在合理范圍之內(nèi)。

3.2 洞口錨噴支護

本工程中的洞口開挖采取了初期支護措施，最大程度減少圍巖開挖后的暴露時間，提高了圍巖穩(wěn)定性，整個施工期間未發(fā)生圍巖明顯變形和局部坍塌的問題。初期支護內(nèi)容包括噴射混凝土、錨桿支護、掛鋼筋網(wǎng)等。在支護施工中采取了以下質(zhì)量控制措施：

第一，噴射混凝土前進行圍巖表面清理工作，存在松動巖石或者壁面凹凸不平的情況下，噴射加固效果會變差。針對這一情況，現(xiàn)場施工人員使用工具清理壁面上的松動石塊，經(jīng)檢查壁面平整、穩(wěn)定后再噴射C30 混凝土，保證混凝土可以加固壁面，為下一步打設(shè)錨桿創(chuàng)造了理想的施工條件[5]。

第二，打設(shè)錨桿時，讓錨桿方向與圍巖頁面大角度相交。在錨桿的選用上，拱部和邊墻處均選擇直徑為24 mm、材質(zhì)為HRB325 的砂漿錨桿，并且要求錨桿的抗拔力不低于150 kN。每根錨桿加裝了尺寸為120 mm×120 mm×5 mm 的方形墊板，保證錨桿打入后墊板與混凝土面緊密貼合，提高錨固效果。

第三，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)時，讓鋼筋網(wǎng)隨開挖面起伏，盡量減少鋼筋網(wǎng)與開挖面之間的空隙。鋼筋網(wǎng)由直徑為5 mm 的鋼筋制成，網(wǎng)格尺寸為200 mm×200 mm，相鄰兩片鋼筋網(wǎng)的搭接長度為2 網(wǎng)格。

4 結(jié)論

在隧道出洞施工中，選擇三臺階七步法能夠顯著降低施工期間對隧洞圍巖的擾動，盡量避免出洞期間因為圍巖變形、塌陷而引發(fā)的施工安全問題。在應(yīng)用三臺階七步法時，現(xiàn)場施工人員除了要按照步驟依次完成上部弧形導(dǎo)坑、中部臺階和隧底的開挖外，還要做好初期支護和二次襯砌。在施工時，混凝土的噴射厚度、錨桿的布置方式以及后期的沉降觀測等，也是需要重點關(guān)注的技術(shù)要點。只有從細節(jié)上采取嚴格的質(zhì)量控制措施，才能保證隧道出洞施工順利完成。