優(yōu)化后的微臺階法在軟弱圍巖高風(fēng)險黃土隧道中的應(yīng)用

王祥

（中鐵十五局集團第三工程有限公司，成都 610000）

0 引言

軟弱圍巖高風(fēng)險黃土隧道是工程建設(shè)中的難題，其地質(zhì)條件復(fù)雜，施工難度大，安全隱患高。因此，尋求一種安全、高效的施工方法成為迫切需要解決的問題。微臺階法作為一種常用的施工方法，在隧道施工中得到了廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的微臺階法在施工效率和安全性方面仍存在一定的不足，因此，本文旨在探討優(yōu)化后的微臺階法在軟弱圍巖高風(fēng)險黃土隧道中的應(yīng)用，以期為類似工程提供更為有效、安全的施工方法。

1 工程概況

忠和隧道位于甘肅省蘭州市皋蘭縣忠和鎮(zhèn)，為左右行分離式雙洞長隧道，隧道凈寬14.75m，凈高5.0m，隧道最大開挖寬度為18.2m，最大開挖高度為13.1m（含預(yù)留變形量30cm）；右洞起訖樁號為YK56+115～YK57+450，長1335m，隧道最大埋深103m；左洞起訖樁號為ZK55+990～ZK57+420，全長1430m，隧道最大埋深118m。隧址區(qū)土體主要為上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土、上更新統(tǒng)沖積黃土，風(fēng)積黃土覆蓋在隧址區(qū)山體頂部，隧道洞身起終點淺埋段通過該地層；沖積黃土下伏于風(fēng)積黃土，隧道洞身全范圍通過該地層，隧道圍巖為全洞段的純黃土隧道，圍巖級別均為Ⅴ級，屬高風(fēng)險長大隧道。

2 當(dāng)前存在的主要難題

隧道原掘進方案為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，其左洞采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法掘進施工了45m（ZK55+990～ZK56+035），施工歷時48d，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工掘進法施工存在如下問題：

①雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖斷面較多，對于拱頂和邊墻的擾動多，斷面開挖后暴露時間久，初次支護閉合的時間長[1]，在初支閉合階段中，從監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)來看，仍然處于較大變形階段，不可控因素隨時存在，給施工帶來很大的不確定性，施工安全風(fēng)險高。

②雙側(cè)壁導(dǎo)坑法由于各施工面均劃分狹小，工序復(fù)雜，施工條件差，限制了大型機械的使用，施工進度緩慢，綜合進度指標(biāo)僅為28m/月，無法保證施工工期，預(yù)計延誤工期達4 至6 個月。

③由于施工工期長，且無法實施大規(guī)模的機械化施工，故導(dǎo)致成本高，經(jīng)濟效益差，不利于公司的成本控制。

為了高效、安全且經(jīng)濟地完成黃土隧道高風(fēng)險軟弱圍巖段的掘進施工，本項目將依據(jù)具體的施工條件和地質(zhì)狀況，對忠和隧道掘進工法進行探究與優(yōu)化。

3 掘進工法研究和探索

針對本標(biāo)段淺埋黃土隧道的特性，為確保大斷面黃土隧道的施工安全，對比了多個方案，然后權(quán)衡了它們的優(yōu)缺點，經(jīng)過方案對比、優(yōu)化與創(chuàng)新后，采用了微臺階環(huán)形開挖預(yù)留核心土法，該工法可以有效地支撐和穩(wěn)定開挖面。核心土在穩(wěn)定開挖面方面起著關(guān)鍵作用。微臺階法施工進度較快，施工中無需架設(shè)大量的臨時支撐，減少了施工工序，同時，較大的作業(yè)空間也為大規(guī)模的機械化施工提供了便利。

4 微臺階環(huán)形開挖預(yù)留核心土法試驗段施工及優(yōu)化

4.1 試驗段的選擇

為保障忠和隧道工程的安全、質(zhì)量和進度，并為施工提供真實、有效的數(shù)據(jù)，我們選擇忠和隧道進口左洞ZK56+035～ZK56+075 作為微臺階環(huán)形開挖預(yù)留核心土法試驗段。目的是檢驗此工法在本忠和隧道地質(zhì)條件下的適用性，并為其在全隧道施工中的推廣提供依據(jù)。通過實施試驗段，以評估和驗證工法的可行性，找出施工中出現(xiàn)的問題并及時采取對策。此外，評估材料、人員、設(shè)備和工藝對工程質(zhì)量和安全的影響程度。我們借此積累經(jīng)驗，不斷加強管理并優(yōu)化工程質(zhì)量和安全。本試驗段的目的是驗證開挖方法是否能滿足設(shè)計及規(guī)范要求，同時確定開挖進尺等參數(shù)。

4.2 優(yōu)化后的施工參數(shù)及該工法關(guān)鍵技術(shù)

①微臺階環(huán)形開挖預(yù)留核心土法試驗段嚴(yán)格按照“先探測、管超前、短進尺、強支護、勤量測、早襯砌”的原則組織施工[2]，在實施過程中加強變形監(jiān)控量測。

②開挖方式采用機械配合人工開挖，先進行預(yù)注漿超前小導(dǎo)管施工。外環(huán)永久初期支護采用HW175 型鋼+φ8雙層鋼筋網(wǎng)片+噴射C25 混凝土。初期支護采用噴射混凝土支護和型鋼拱架相結(jié)合的支護形式，型鋼拱架、鋼筋網(wǎng)由鋼筋加工場集中加工，人工安裝鋼架，型鋼拱架由縱向連接筋和鎖腳錨管（下臺階拱腳隔榀打設(shè)規(guī)格為Ф108×6mm，L=6m 的微型鋼管樁）進行固定并壓注M20 水泥砂漿，安裝雙層鋼筋網(wǎng)片，采用濕噴工藝噴射混凝土施工，初期支護緊跟開挖面且及時施作，以減少圍巖暴露時間，抑制圍巖變形，防止圍巖在短期掉塊，要求開挖完成后及時支護[3]。

③開挖上臺階長5m，中臺階長3～5m，下臺階長3～5m；上臺階開挖進尺1 榀拱架間距；中下臺階每循環(huán)開挖進尺為2 榀鋼拱架、仰拱初支循環(huán)進尺3m、仰拱及填充進尺5m、模筑二襯10.4m；中下部臺階左右兩側(cè)掘進至少錯開3m，掘進后及時噴砼；初支封閉段與掌子面距離不大于30m，二次襯砌與掌子面距離嚴(yán)格控制在60m 內(nèi)。在下臺階開挖初支完成后，對隧道基底采取旋噴樁加固措施，再開挖仰拱，仰拱每循環(huán)開挖長度不大于3m。仰拱開挖完成后及時安裝仰拱初支鋼拱架，盡快澆筑仰拱初支混凝土，從而力求縮短全洞初支封閉成環(huán)時間。

4.3 施工次序

①開挖之前進行超前小導(dǎo)管支護，采用φ60×5mm 預(yù)注漿無縫鋼管，外插角根據(jù)實際施工做動態(tài)調(diào)整，搭接長度不得小于1.5m，環(huán)向間距40cm。②采用弧形開挖預(yù)留核心土法開挖上臺階1 部，施作Ⅰ初期支護。③開挖中（左）臺階2 部，施作中臺階左側(cè)Ⅱ初期支護。④與2 部錯開至少3m 開挖中（右）臺階3 部，施作中臺階右側(cè)Ⅱ初期支護。⑤開挖上、中臺階核心土4 部。⑥開挖下（左）臺階5 部，施作下臺階左側(cè)Ⅲ初期支護。⑦與5 部錯開至少3m 開挖下（右）臺階6 部，施作下臺階右側(cè)Ⅲ初期支護。⑧開挖下臺階核心土7 部，施作仰拱Ⅳ初期支護。⑨施作全斷面仰拱二次襯砌Ⅴ。⑩施作全斷面仰拱填充Ⅵ。?施作全斷面拱、墻二次襯砌Ⅶ。

開挖次序如圖1、圖2、圖3 所示。

圖1 微臺階施工開挖預(yù)留核心土平面示意圖

圖2 微臺階施工開挖預(yù)留核心土立面示意圖

圖3 微臺階環(huán)形開挖預(yù)留核心土開挖立面示意圖

5 施工臺車創(chuàng)新和優(yōu)化

①微臺階法施工通常采用的普通臺車，存在無法同時作業(yè)上下臺階從而導(dǎo)致施工周期長、工作人員工作量大的問題。為此，我們的研究團隊對臺車進行了研究，優(yōu)化和改進后，研發(fā)了隧道微臺階法施工用的自行式微臺階法專用臺車，有效縮短施工周期、降低工作人員勞動強度，自行式開挖臺車包括臺架主體、從臺架主體上部延伸出來的上、下懸挑平臺和位于臺架主體底部四角的臺架走輪裝置，臺架主體由橫梁、縱梁、立柱、支撐斜梁共同搭設(shè)成“門”型框架并留有過車通道。②臺車行走機構(gòu)、工作爬梯設(shè)置于臺車后端，以平衡前端的懸挑工作平臺，避免臺車傾覆。專用臺車結(jié)構(gòu)如圖4 所示。③懸挑平臺縱向主梁之間、主梁與臺車立柱間采取銷接方式，以便于現(xiàn)場的施工人員可以根據(jù)實際施工情況調(diào)整平臺懸挑長度和平臺數(shù)量。

圖4 自行式微臺階法專用臺車結(jié)構(gòu)示意圖

對比現(xiàn)有的普通臺車，能更適用于微臺階法施工，保證上下臺階的同時鉆孔、出碴、支護，彌補了微臺階施工的短板，有效縮短施工周期的同時彌補了微臺階施工缺乏相應(yīng)開挖臺車的短板。

6 施工工藝要點

①施工實踐表明：微臺階環(huán)形開挖預(yù)留核心土法開挖速度在保證施工安全質(zhì)量的情況下應(yīng)越快越好。上臺階預(yù)留核心土面積必須大于50%。開挖掌子面與仰拱作業(yè)面要控制在30m 以內(nèi)，保證每隔一天開挖一次仰拱，并且當(dāng)天24 小時內(nèi)完成仰拱初支，襯砌及填充施工。微臺階環(huán)形開挖預(yù)留核心土法施工時，旋噴樁施做在下臺階施工完成后立即進行。旋噴樁施工完成后，即可開挖仰拱，使仰拱盡早閉合成環(huán)。②上臺階按輪廓線環(huán)向開挖，保留核心土，以機械為主人工為輔進行開挖，人工配合挖掘機向下刨土。開挖后立即進行支護，并構(gòu)成穩(wěn)固的支護體系，核心土面積應(yīng)大于斷面面積50%。③通過變形監(jiān)控量測來掌握圍巖和支護的變形情況，及時調(diào)整支護參數(shù)和預(yù)留變形量，以確保施工安全。④開挖施工注意工序銜接，緊湊安排，減少圍巖暴露時間，避免引起圍巖失穩(wěn)。⑤留足作業(yè)空間，核心土長度控制在3～5m，寬度為隧道開挖寬度的2/3。⑥根據(jù)隧道圍巖地質(zhì)情況，嚴(yán)格控制每進尺開挖長度，每次開挖長度一般為0.5～0.75m，開挖后立即初噴3～5cm 砼以減少圍巖暴露時間。⑦嚴(yán)格按設(shè)計及規(guī)范要求加工制作和架設(shè)鋼架，鋼架架設(shè)在堅實基面上，并加墊硬支撐，與鎖腳錨管焊接牢固。⑧超挖部位采用同標(biāo)號砼回填密實，嚴(yán)禁初期支護背后存在空洞。必要時進行充填注漿，保證初期支護與圍巖密貼。⑨在掌子面進行“品”字形超前地質(zhì)預(yù)報，依據(jù)鉆孔情況分析地質(zhì)條件，立即調(diào)整施工方案。⑩超前支護嚴(yán)格根據(jù)設(shè)計施工，外插角和搭接長度滿足設(shè)計和規(guī)范要求。

7 微臺階工法在忠和隧道應(yīng)用的評估

7.1 工藝先進性方面

支護系統(tǒng)參數(shù)類似的情況下，在開挖工法為微臺階的情況下設(shè)計支護系統(tǒng)穩(wěn)定、安全。以初期支護全斷面閉合為監(jiān)測周期，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工的最大拱頂沉降和周邊收斂值為70mm、52.7mm；采用微臺階法施工的最大拱頂下沉和周邊收斂為47.4mm、25.4mm，且其收斂變形速度更快趨于穩(wěn)定。微臺階法成環(huán)速度快，因此圍巖整體變形過程時間較短，所以其變形數(shù)值較雙側(cè)壁導(dǎo)坑法小。同時，微臺階環(huán)形開挖預(yù)留核心土法不需要設(shè)置多個導(dǎo)坑，也沒有需要拆除的臨時拱架，因此土體擾動較少，使得沉降收斂值更小，圍巖更加安全穩(wěn)定。

7.2 施工工藝復(fù)雜程度方面

從施工復(fù)雜程度和進度角度來看，微臺階環(huán)形開挖預(yù)留核心土法相較于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法具有顯著優(yōu)勢。它不僅簡化了許多繁瑣的工序，利于現(xiàn)場施工人員快速掌握施工工藝并實施。且該工法還能更好地適應(yīng)大型機械的使用，改善了施工條件，提高施工效率。

7.3 施工進度方面

微臺階環(huán)形開挖預(yù)留核心土法相比于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法而言，仰拱閉合時間更短，更符合早封閉的施工要求，且微臺階環(huán)形開挖預(yù)留核心土法相比于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，開挖工序少，且合理利用機械設(shè)備，加快了施工速度。

經(jīng)測算，微臺階環(huán)形開挖預(yù)留核心土法掘進綜合進度為60m/月，確保了忠和隧道的掘進工期。

7.4 經(jīng)濟效率方面

因微臺階環(huán)形開挖預(yù)留核心土法較雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工進度快，機械化施工程度高，臨時支護設(shè)施少，故也能顯著提高工程效益，經(jīng)測算，能降低掘進支護的成本約26%。

8 結(jié)束語

忠和隧道的施工實踐表明，采用微臺階法開挖隧道，縮小了各工序銜接時間，加快了施工進度，減少了人員、設(shè)備窩工，更有效的控制了仰拱與掌子面之間的安全步距，顯著降低了隧道施工的安全風(fēng)險，安全管理和文明施工都得到了極大的提高。這些成果對于保障施工質(zhì)量和安全、提高施工效率具有重要意義，并為未來研究提供了有價值的參考。在未來的研究中，擬進一步深入探討該方法在其他類似工程中的應(yīng)用和改進，以及引入更多的新技術(shù)和新材料提高隧道工程的施工質(zhì)量和效率。