大拱腳臺階法施工技術(shù)在隧道軟弱圍巖施工中的應用

謝偉

【摘要】隧道工程建設(shè)中，軟弱圍巖隧道要穿越節(jié)理發(fā)育、圍巖完整性差、圍巖破碎的復雜地質(zhì)，針對這一問題，在經(jīng)過隧道建設(shè)者們長期的施工實踐和不斷總結(jié)后，形成了大拱腳臺階法這一施工技術(shù)，保證了隧道工程質(zhì)量和安全。文章對大拱腳臺階法工藝流程、施工工藝、操作要點、施工質(zhì)量控制要求進行了較為詳細的闡述，以期為工程實踐提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】軟弱圍巖隧道；大拱腳臺階法；施工技術(shù)

1.前言

近年來，國家加大了交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，特大長隧道、軟弱圍巖斷面的隧道相繼出在山嶺地區(qū)現(xiàn)，特別是對于隧道Ⅴ、Ⅳ級圍巖來說，施工難度大，而以往采用的傳統(tǒng)礦山法中的三臺階法、預留核心土法難以滿足施工安全要求，而CD法、CRD法又因施工復雜、速度慢常常無法滿足施工進度要求。因此，我們需要研究出一種適用于軟弱圍巖隧道施工的施工工藝，即要求工藝成熟、又要便于操作，來滿足隧道施工的需要。大拱腳臺階法在大斷面軟弱圍巖隧道上的成功應用，這種技術(shù)也在實踐中不斷完善，給隧道工程建設(shè)帶來了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。神華集團的大準鐵路增二線井溝1#隧道，全長465m，為雙線隧道，隧道圍巖主要為Ⅳ、Ⅴ級泥灰?guī)r、新黃土，弱膨脹性，自穩(wěn)性極差，對新黃土及泥灰?guī)r地段采用了大拱腳臺階法施工，順利、快速通過了該段軟弱圍巖地段。

2.大拱腳臺階法概述

2.1 工藝原理

大拱腳臺階法是將隧道開挖支護作業(yè)面分為6個階段施工同時施工、同時支護形成穩(wěn)固支護整體，逐步向前掘進的施工工藝。這種施工工藝的基本原理是將三臺階施工法的進一步優(yōu)化，并借鑒了部分預留核心土的施工原理，符合隧道新奧法施工對圍巖變形控制的原理。大拱腳臺階法施工可以減少三臺階分步開挖的次數(shù)，能及時將初期支護封閉，同時因為拱部及時成環(huán)，使邊墻初期支護能盡早完成，利于控制變形，提高了施工過程中的安全性。針對隧道軟弱圍巖承載力不足，大拱腳的精髓就是可通過擴大臺階鋼架拱腳的受力面積措施來增大承載力。

采用MIDAS 軟件計算對井溝1#隧道新黃土地質(zhì)進行受力驗算，新黃土采用密度15.2KN/m3，彈性模量e=1.03+e5，泊松比0.3；模型建立采用上部開挖、初期支護硬化后計算鋼架底部受力。因為當上部開挖支護后進行下部開挖時最容易發(fā)生塌方，此時采用采用大拱腳進行對鋼架底部加固，防止塌方。應力如圖1所示，通過軟件計算結(jié)果可知，上拱鋼架底部受力最大，左側(cè)約102KN，右側(cè)約99KN，如不采取加固措施，在下臺階開挖時上拱部初期支護極易變形、坍塌。

圖1 隧道拱部受力圖

2.2工藝優(yōu)勢

（1）快速便捷。與其他開挖方法相比，大拱腳臺階法可以使各個作業(yè)面平行作業(yè)，避免了預留核心土操作空間小，開挖慢的缺陷。不需要臨時支護，滿足機械化施工的要求。

（2）適應性高。如出現(xiàn)軟硬圍巖變化、圍巖結(jié)構(gòu)復雜多變等情況時，可以較為迅速的轉(zhuǎn)換為CD法或CRD法等其他工法進行施工。

（3）更安全。大拱腳臺階法沒有臨時支撐或支護，與CD法或CRD法對比，避免了拆除臨時支護的安全隱患，有效降低了風險。

（4）節(jié)約成本。與傳統(tǒng)施工方法相比，大拱腳施工方法的材料、設(shè)備均為隧道施工常用材料、設(shè)備，便于采購，成本低廉，這樣大大節(jié)約了施工成本。

（5）工效快。由于大拱腳臺階法平行作業(yè)，使前期作業(yè)時間提前，加快了施工進度，縮短施工時間。

2.3工藝適用范圍

（1）一般適用于Ⅳ、Ⅴ級軟弱圍巖大斷面隧道、淺埋以及深埋的地質(zhì)情況較好的大斷面隧道。

（2）另外對于低風險、低濃度瓦斯隧道， 也可應用。

3.大拱腳臺階法開挖工序說明

隧道開挖分步工藝見圖2。

（1）利用上一循環(huán)架立的鋼架，施作隧道拱部?42mm超前小導管，小導管長3.5m，重疊2m，然后在拱部超前支護后進行上部弧形導坑的環(huán)形開挖，預留長度為3～5m，寬度為隧道開挖寬度的1/3到1/2之間的核心土。開挖后立即施作上部初期支護，具體做法：先噴射4cm厚的混凝土，上面掛鋼筋網(wǎng)，并架設(shè)鋼架，然后人工開挖施作大拱腳系統(tǒng)支護，同時注意在鋼架兩側(cè)邊沿45度傾角設(shè)鎖腳錨桿，將鎖腳錨桿與鋼架焊牢，施工置徑向錨桿后再次噴射混凝土至設(shè)計厚度。開挖循環(huán)進尺為一榀鋼架，間距0.8m。

（2）在滯后部位約3～5 m后，進行左側(cè)部中臺階的開挖。開挖高度一般為3.5～4m，按初期支護鋼架間距確定。開挖后立即施作下部初期支護，具體做法同上部初期支護的施作。

（3）在滯后部位約2～3m后，進行右側(cè)部中臺階的開挖，右側(cè)部中臺階的開挖支護方式同左側(cè)部中臺階。

（4）見圖2，開挖上臺階④部位、中臺階⑤部位，在滯后部位約3～4m后，依次進行上臺階④部位、中臺階⑤部位的開挖，開挖進尺與臺階循環(huán)進尺一致。

（5）見圖2，開挖隧底⑥部位，在滯后⑤部位約4～5m后，開挖⑥部位剩余部分，開挖后先噴4cm厚混凝土，安裝仰拱鋼架，將仰拱鋼架與左右側(cè)落地鋼架連接牢固，再次噴混凝土至設(shè)計厚度。為了不影響車輛進出，應及時施作仰拱并進行仰拱回填，仰拱分段開挖長度一般3榀拱架。

（a）大拱腳臺階法施工工序橫斷面

（b）大拱腳臺階法施工工序縱斷面

圖2 大拱腳臺階法開挖分步工藝

大拱腳臺階法初期支護施工工藝流程見圖3

圖3 大拱腳臺階法初期支護施工工藝流程

4.操作要點

采用大拱腳臺階法進行開挖前，必須先進行超前地質(zhì)預報，本隧道因無地下水，采用TSP203長距離物探法配合超前水平鉆孔進行預報即可，石質(zhì)地段采用弱爆破，新黃土地質(zhì)采用小型機械開挖，并加強監(jiān)控量測。為使鋼架基礎(chǔ)穩(wěn)定性得到保證，臺階長度應盡量縮短，同時在不同工序交接部位，應立即在末端施作鎖腳錨桿。為了使?jié)M足要求的支護體系及時形成，初期支護要快速封閉，仰拱和襯砌也要同步作業(yè)。

4.1超前小導管施作

超前小導管一般采用的是熱軋無縫鋼管，鋼管直徑42mm、長3.5m、壁厚3.5mm，環(huán)向間距在30到50cm之間，搭接長度≥1m。鉆孔的外向插入角度在10°到 12°之間，根據(jù)具體施工作業(yè)要求可略微調(diào)整，鉆孔直徑≧45mm，鉆孔方向應平順并與圍巖保持垂直。超前小導管施作位置見圖2（a）①部位，總數(shù)目有38根。

4.2臺階的開挖

臺階開挖前要先進行輪廓線的放樣，具體是依據(jù)開挖的尺寸和形狀按設(shè)計規(guī)范要求來確定。同時為了避免因圍巖的實際變形量超過預留變形量而導致的初期支護的侵限，在隧道周邊應預留變形量，變形量大小依隧道圍巖的地質(zhì)條件而定。

4.3混凝土的第一次噴射

混凝土的第一次噴射應在開挖后及時進行。采用高壓風將整個巖面吹干凈，并設(shè)控制標尺來控制噴射混凝土厚度，如工作面上出現(xiàn)滲水，應埋設(shè)盲管做好引排水。噴砼作業(yè)時應從拱腳自下而上進行噴射，避免上部噴射回彈。噴嘴與受噴巖面之間的距離保持在1到2米，噴嘴與受噴的巖面應垂直。

4.4鋼筋網(wǎng)和系統(tǒng)錨桿施作

鋼筋網(wǎng)制作材料根據(jù)設(shè)計要求一般為直徑8mm的HPB235圓鋼，網(wǎng)格尺寸為15 cm×15cm，搭接長度為1到 2個網(wǎng)格，網(wǎng)片之間采用點焊或綁扎連接，鋼筋保護層厚度≧4 cm。徑向錨桿應在第一次噴射混凝土后及時進行施作，錨桿要在末端鋪設(shè)墊板，并與鋼筋網(wǎng)牢固連接。系統(tǒng)錨桿的設(shè)置在拱部，設(shè)計采用帶排氣裝置的中空注漿錨桿，邊墻采用直徑22mm，長4 m的砂漿錨桿。

4.5 鋼架安裝

鋼架安裝前必須先清除拱腳雜物，保證鋼架底腳落在牢固地基上。鋼架架設(shè)前均應預先設(shè)好定位系筋，以確保鋼架位置準確安設(shè)，系筋一端錨入圍巖并用砂漿錨固，另一端與鋼架焊接。鋼架拼裝時，鋼架間的連接板螺栓必須密貼連接，鋼架連接不得焊接。初期支護時采用I20a型鋼鋼架，相鄰鋼架采用HRB400直徑22mm鋼筋進行橫向連接，間距1m，縱向間距為每榀0.8m，斜向內(nèi)側(cè)布置。進行隧道上部弧形導坑開挖時，先預留安裝大拱腳鋼架的支撐凹槽，預留位置在大拱腳連接板處。然后進行大拱腳系統(tǒng)支護施作，同時在鋼架兩側(cè)邊沿45度傾角設(shè)長4m的鎖腳錨桿，每環(huán)設(shè)8根，牢固焊接鎖腳錨桿與鋼架，增加拱腳的支撐力。

4.6混凝土的第二次噴射

鋼架安裝完成后，再次進行混凝土噴射至設(shè)計厚度。同初噴混凝土時一樣，首先將設(shè)計厚度標記出來。厚度標記可利用錨桿外露長度部件或是在鋼拱架上焊接標注刻度的短鋼筋。每層混凝土噴射厚度宜在5到6cm之間，一次噴射厚度過大會削弱顆粒間的凝聚力，導致噴層脫落或使噴層與圍巖面產(chǎn)生空隙；厚度過小則會使粗骨料彈回。噴射拱部時一般每層5～6cm，時間間隔為15～ 20m in。噴射作業(yè)應分片進行，這樣可以保證質(zhì)量并提高功效。為避免回彈物附著在未進行噴射巖面上而影響粘結(jié)力，應按照由下而上呈“S”形方式噴射；進行噴射前先找平初噴面的凹處，然后將噴頭成螺旋形均勻緩慢移動，以確保混凝土表面平順、疏松且無空鼓裂縫，平整度符合標準。

4.7仰拱施作

采用全幅分段施工進行隧道底部開挖時，隧道底部上方鋪設(shè)長16～18m，單幅寬1.2m的仰拱棧橋，棧橋每幅由4根I36型鋼和防滑鋼板焊成。為確保施工安全，應及時進行仰拱初期支護和混凝土澆筑，讓支護盡快閉合成環(huán)，使其能整體受力，保證支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。仰拱混凝土澆筑長度與拱墻襯砌長度盡量相同，施工時應保證仰拱施工縫與拱墻施工縫盡量在同一斷面上。仰拱混凝土應采用全幅分段澆筑，不留縱向施工縫，變形縫和仰拱施工縫要設(shè)置止水帶。仰拱填充混凝土澆筑前必須將仰拱表面的積水和雜物清理干凈。

5.大拱腳臺階法施工監(jiān)控量測

隧道施工監(jiān)控量測是指通過對圍巖的受力變形狀態(tài)的了解，來判斷初期支護和圍巖穩(wěn)定性和安全性是否滿足要求，然后將這些信息進行及時的反饋并做好相應預測預報，同時還可作為優(yōu)化支護參數(shù)的依據(jù)，實現(xiàn)對初期支護和圍巖的動態(tài)管理。隧道施工監(jiān)控量測項目分為選測項目和必測項目。選測項目的選取按照《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。必測項目見表1。監(jiān)控量測采用 “五點法”進行監(jiān)測，每個斷面設(shè)置1個拱頂下沉測點，2條凈空變化基線。Ⅴ級圍巖監(jiān)控量測斷面間距5m，初始讀數(shù)必須在開挖后12 h內(nèi)完成，測讀時間和量測頻次必須嚴格照《鐵路隧道施工規(guī)范》要求執(zhí)行，根據(jù)量測結(jié)果對開挖預留變形量進行調(diào)整，避免初支侵入二次襯砌的范圍。

序號監(jiān)測項目測量方法和儀表

1 洞內(nèi)、外人工觀察

2 二次襯砌前凈空變化（拱架、拱腳） 收斂儀、隧道激光斷面儀、全站儀測量等測量儀器

3 初期支護拱頂下沉水準量測，全站儀

4 地表下沉水量量測，全站儀

表1監(jiān)控量測必測項目

6.大拱腳臺階法質(zhì)量控制要點

（1）工序安排和循環(huán)進尺的確定要合理，如圍巖長時間暴露，將會導致圍巖穩(wěn)定性遭到破壞，所以在開挖后應立即進行混凝土的第一次噴射，減少圍巖暴露的時間。

（2）為了確保隧道開挖施工安全，需要超前小導管的支撐保護，所以對超前小導管的外插角的控制尤為嚴格，參照設(shè)計標準（見表2），外插角應控制在10度到15度之間。

（3）隧道周邊要預留一定變形量，并堅持“人工開挖為主，機械為輔，弱爆破，強監(jiān)控量測”的原則，保證圍巖穩(wěn)定和施工安全。

（4）拱腳的穩(wěn)定程度直接影響著隧道垂直方向的變形控制，所以確保拱腳的穩(wěn)定很重要。為了增大拱腳的承載力，可在隧道上部增設(shè)鋼架拱腳，還可在鋼架拱底緊貼鋼架兩側(cè)邊沿45度角設(shè)鎖腳錨管，并將其與鋼架牢固焊接，確保鋼架基礎(chǔ)穩(wěn)定。

（5）鋼架加工制作及架設(shè)應嚴格按照設(shè)計標準和鋼架底腳基礎(chǔ)的牢固規(guī)范要求，上下斷面初期支護鋼架應平順連接，螺栓連接也要密貼牢固。另外要保證鋼架底腳基礎(chǔ)的牢固，嚴格禁止懸空。

（6）及時跟進仰拱，確保仰拱與掌子面距離不超過30 m。

表2 質(zhì)量控制標準

7.大拱腳臺階法施工安全措施

（1）嚴格遵守建設(shè)單位安全管理的要求，認真貫徹執(zhí)行國家關(guān)于安全生產(chǎn)的法律法規(guī)。

（2）加強全員安全教育，為爆破、支護、出碴等重大危險源的操作人員配備（下轉(zhuǎn)）（上接）個人安全防護物品。

（3）持證上崗，特種設(shè)備操作人員、專職安全員、爆破人員必須經(jīng)過專業(yè)培訓并取得國家監(jiān)管部門頒發(fā)的合格證書。

（4）對于特殊地質(zhì)條件，應加強隧道施工風險的評估管理，保證針對性的預防措施的落實。

（5）落實安全生產(chǎn)責任制，細化安全考核辦法，加強日常安全檢查的力度，制定一定獎懲措施。

（6）進行專項安全技術(shù)交流，建立快速反應機制和隧道施工應急預案，并定期進行應急演練。

（7）詳細掌握隧道設(shè)計地質(zhì)資料，在施工時做好瓦斯、CO等有害氣體檢測工作。

（8）隧道內(nèi)搭設(shè)的臨時工作臺必須放置穩(wěn)妥，堅固牢靠，而且工作臺應當設(shè)有梯子和安全防護桿。

（9）嚴格遵守現(xiàn)行《爆破安全規(guī)程》有關(guān)規(guī)定，對隧道爆破作業(yè)和火工品進行安全管理。特別是存在瓦斯風險的隧道，在施工作業(yè)中應符合《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定。對于地層含有瓦斯的隧道施工區(qū)段，要采用煤礦許用安全炸藥、雷管。

8.總結(jié)

與傳統(tǒng)施工方法相比，大拱腳臺階法有著較為明顯的優(yōu)勢，特別是對于施工空間大，機械化程度高的軟弱圍巖大斷面隧道。應用這種方法操作簡單，作業(yè)速度快，經(jīng)濟安全，有效地提高了開挖質(zhì)量，使其成為了軟弱復雜地質(zhì)條件下大斷面隧道的主要施工方法。隨著隧道工程建設(shè)的需求在不斷增多，要求也越來越高，只有不斷總結(jié)傳統(tǒng)施工技術(shù)的優(yōu)點和成功實踐應用的經(jīng)驗，創(chuàng)造更好的施工技術(shù)，才能滿足工程建設(shè)的要求，做好隧道工程建設(shè)。

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