臺(tái)階法(帶仰拱)一次開挖施工技術(shù)在軟巖隧道中的應(yīng)用

劉招偉， 李建華

(1. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 511458; 2. 中鐵電氣化局集團(tuán)公司， 北京 100036)

0 引言

在隧道施工中，正確地選擇隧道的開挖方法，是影響隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及各種工程安全問題的重要因素。隧道施工過程中如遇到軟弱圍巖一般采用臺(tái)階法或其他不同分步的開挖方法[1]，這些開挖工法在軟巖隧道的施工中起到了重要的作用，并且隨著我國隧道建設(shè)技術(shù)的快速發(fā)展，得到了逐步的完善。如李國良等[2]依托鄭西高鐵高橋隧道的建設(shè)研究了大斷面黃土隧道采用臺(tái)階法雙層支護(hù)體系的結(jié)構(gòu)受力變形特征； 胡守云等[3]依托三明鐵路隧道工程對三臺(tái)階法施工的圍巖變形特征進(jìn)行了研究; 黃嘉億[4]采用三維數(shù)值計(jì)算的方法對臺(tái)階法在大斷面高速鐵路隧道施工中的適用性及施工參數(shù)的選擇進(jìn)行了分析; 趙佃錦等[5]針對蘭渝鐵路高地應(yīng)力區(qū)隧道的臺(tái)階法施工參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算方面的研究。

傳統(tǒng)臺(tái)階法施工時(shí)，仰拱與下臺(tái)階分步開挖，存在著因仰拱初期支護(hù)封閉不及時(shí)而產(chǎn)生的安全隱患，容易引起掉拱及關(guān)門塌方事故。針對這一點(diǎn)，國內(nèi)工程界就臺(tái)階法仰拱的盡快開挖與封閉進(jìn)行過很多理論與試驗(yàn)研究，主要思路是縮短仰拱與掌子面之間的距離，加快仰拱的施工效率。如戴潤軍等[6]在寶蘭客運(yùn)專線根據(jù)三臺(tái)階七步法的各工序作業(yè)施工要點(diǎn)，提出了以仰拱施工為重點(diǎn)的思路；鮮國[7]以成蘭鐵路平安隧道為試驗(yàn)工點(diǎn)，對臺(tái)階法及全斷面(含仰拱)法從圍巖變形、初期支護(hù)受力及施工組織等方面進(jìn)行了綜合分析；趙偉等[8]結(jié)合蒙華重載鐵路中條山隧道對單線鐵路石質(zhì)軟巖隧道初期支護(hù)快速封閉成環(huán)技術(shù)進(jìn)行了研究和總結(jié)；楊世武等[9]對淺覆新黃土隧道的微臺(tái)階法施工技術(shù)進(jìn)行了研究和總結(jié)。本文在傳統(tǒng)臺(tái)階法的基礎(chǔ)上提出了臺(tái)階法(帶仰拱)一次開挖的方法，使仰拱的開挖、支護(hù)與下臺(tái)階同步進(jìn)行，以實(shí)現(xiàn)初期支護(hù)盡早封閉成環(huán)，減少鉆爆開挖對圍巖的多次擾動(dòng)，通過現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)，確認(rèn)該技術(shù)的安全性和適用性。

相對于傳統(tǒng)臺(tái)階法，新型臺(tái)階法(帶仰拱)一次開挖施工技術(shù)需解決幾個(gè)關(guān)鍵問題：

1)開挖面能否保持穩(wěn)定。軟巖隧道地質(zhì)條件差，開挖面和隧道易變形和坍塌，臺(tái)階長度和高度的設(shè)置是開挖面穩(wěn)定的關(guān)鍵。

2)能否滿足工效要求。各道工序在有限的空間內(nèi)展開，存在相互交叉和干擾，在減少了作業(yè)工作面的情況下，需通過合理的工序組織來滿足工效的要求。

3)仰拱初期支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力能否滿足施工機(jī)械設(shè)備行走的要求。臺(tái)階法(帶仰拱)一次開挖施工中，仰拱初期支護(hù)與下臺(tái)階初期支護(hù)結(jié)構(gòu)同步施作完成后，后續(xù)工序所用到的裝載機(jī)等大型機(jī)械設(shè)備需在仰拱初期支護(hù)結(jié)構(gòu)上作業(yè)和行走，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施對仰拱初期支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)以保證其承載能力。

1 臺(tái)階法(帶仰拱)一次開挖施工工藝與關(guān)鍵參數(shù)

1.1 三臺(tái)階(帶仰拱)一次開挖施工工藝

1.1.1 工藝流程

一般認(rèn)為，下臺(tái)階與仰拱一次施工會(huì)由于施工干擾和工序組織難度增加而降低開挖效率，因此，需通過科學(xué)的施工組織、優(yōu)化的施工工藝，盡可能做到平行作業(yè)，達(dá)到節(jié)約時(shí)間、快速封閉且其綜合工效又要不低于傳統(tǒng)臺(tái)階法的目的。

下臺(tái)階與仰拱一起開挖的三臺(tái)階法，采取上臺(tái)階拱部一次較大斷面開挖，中下臺(tái)階、仰拱與上臺(tái)階同時(shí)鉆孔開挖，挖掘機(jī)修路至上臺(tái)階將臺(tái)架移走，同時(shí)裝藥起爆后，上中下臺(tái)階同時(shí)扒碴、出碴，然后三臺(tái)階各部依次支護(hù)，并逐步向縱深推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了上中下臺(tái)階的平行作業(yè)，其施工工藝流程如圖1所示。

圖1 三臺(tái)階(帶仰拱)一次開挖施工工藝流程

Fig.1 Excavation flowchart of three-benches method (with inverted arch)

1.1.2 臺(tái)階高度與長度設(shè)置

一般從結(jié)構(gòu)力學(xué)與變形響應(yīng)、施工便捷性和設(shè)備空間布置等方面考慮[10]。

1.1.2.1 臺(tái)階高度與施工變形響應(yīng)

以蒙華鐵路段家坪隧道Ⅴ級圍巖段為基礎(chǔ)，采用三臺(tái)階(帶仰拱)一次開挖法，上中臺(tái)階長度5 m，中臺(tái)階高度2.7 m，選取上臺(tái)階高度為0.2H、0.3H、0.4H和0.5H(H為隧道開挖高度)4種典型臺(tái)階高度進(jìn)行隧道的開挖模擬，模擬的隧道拱頂沉降與最大水平收斂結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 不同臺(tái)階高度下拱頂沉降曲線

隨著上臺(tái)階高度的增加，收斂表現(xiàn)出增加的趨勢，但對拱頂沉降的影響不明顯，各工況拱頂沉降值非常接近，增加上臺(tái)階的高度雖能減小拱頂沉降卻也會(huì)增加洞周水平收斂，因此其取值不宜過大，取0.3H～0.5H有利于控制隧道變形。

圖3 不同臺(tái)階高度下最大收斂曲線

1.1.2.2 臺(tái)階長度與施工變形響應(yīng)

在保持上中臺(tái)階高度不變的情況下，逐級增加或減小上中臺(tái)階的長度，上中臺(tái)階長度為3、5、7、9、11 m的模擬結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 不同臺(tái)階長度下收斂曲線

圖5 不同臺(tái)階長度下的拱頂沉降曲線

由圖4和圖5可知: 隧道施工變形會(huì)隨臺(tái)階長度的增加而增大，其中拱頂沉降的增大趨勢比水平收斂更為明顯。

1.1.2.3 臺(tái)階高度、長度與初期支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)

上臺(tái)階高度與最大壓應(yīng)力關(guān)系曲線如圖6所示，臺(tái)階長度與最大拉應(yīng)力關(guān)系曲線如圖7所示。

由圖6和圖7可知: 最大壓應(yīng)力隨上臺(tái)階高度增加而增加，上臺(tái)階高度在隧道開挖總高度的50%以內(nèi)時(shí)，最大壓應(yīng)力均小于抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。支護(hù)結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力隨臺(tái)階長度的增加而逐漸減小，當(dāng)臺(tái)階長度為3 m時(shí)初期支護(hù)的最大拉應(yīng)力已經(jīng)大于C25噴射混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，因此，上中臺(tái)階長度不應(yīng)小于3 m。

圖6 上臺(tái)階高度與最大壓應(yīng)力的關(guān)系曲線

Fig. 6 Relationship between maximum compressive stress and top heading height

圖7 臺(tái)階長度與最大拉應(yīng)力的關(guān)系曲線

Fig. 7 Relationship between bench length and maximum tensile stress

1.1.2.4 從施工干擾、作業(yè)效率和設(shè)備布置等方面分析

在選擇臺(tái)階高度與長度時(shí)，受力及變形并不是唯一的限制條件，施工的效率以及便利性問題也是控制臺(tái)階尺寸的關(guān)鍵因素，從變形和力學(xué)角度來說，臺(tái)階長度與高度適應(yīng)范圍較廣，所以在確定臺(tái)階參數(shù)時(shí)可以更多地考慮施工機(jī)械以及人工操作的便利性以及施工的效率。

1)上臺(tái)階長度控制在6 m以內(nèi)能較好地控制隧道的變形，且機(jī)械操作方便，但是不應(yīng)小于4 m; 中臺(tái)階長度則主要考慮鉆孔作業(yè)空間需求。綜合考慮施工作業(yè)空間、爆破后機(jī)械扒碴效率等因素，上臺(tái)階長度宜為4～6 m，中臺(tái)階長度宜為3～5 m。

上臺(tái)階立拱時(shí)需要用挖掘機(jī)把簡易臺(tái)架、拱架、網(wǎng)片和錨桿等材料與設(shè)備運(yùn)送至上臺(tái)階，若上臺(tái)階距離太短則會(huì)影響材料、設(shè)備的安放及人員的操作空間。

上中臺(tái)階爆破后挖掘機(jī)位于中臺(tái)階，將上臺(tái)階的碴扒至中臺(tái)階，上臺(tái)階長度太大會(huì)使挖掘機(jī)的操作半徑受到影響，增加其移動(dòng)距離、就位次數(shù)，影響扒碴效率。

2)下臺(tái)階至仰拱棧橋端頭，宜控制在20～25 m，以保證機(jī)械裝碴、濕噴機(jī)械手的操作空間。

當(dāng)上中臺(tái)階開始立拱作業(yè)時(shí)，一般采用1～2臺(tái)裝載機(jī)和1輛出碴車于下臺(tái)階出碴，而上中臺(tái)階噴漿時(shí)1臺(tái)噴漿機(jī)械手與1輛混凝土罐車將停放在下臺(tái)階。

3)上臺(tái)階主要考慮挖掘機(jī)扒碴及濕噴機(jī)械手作業(yè)效率，臺(tái)階高度確定為3.5～5.5 m，使用簡易臺(tái)架施工；中下臺(tái)階(帶仰拱)采用爬梯輔助作業(yè)，考慮人工施鉆、立拱架操作方便，其臺(tái)階高度不宜過高。

三臺(tái)階(帶仰拱)一次開挖法施工斷面如圖8所示。

(a) 橫剖面

(b) 縱剖面

Fig. 8 Excavation cross-section of three-bench method (with inverted arch) (unit: m)

1.2 二臺(tái)階(帶仰拱)一次開挖施工技術(shù)

二臺(tái)階(帶仰拱)一次施工法主要適用于單線鐵路Ⅳ、Ⅴ級圍巖隧道，考慮簡易臺(tái)架安放、人員操作空間及機(jī)械的最大操作半徑，上臺(tái)階長度控制在4～5 m； 上臺(tái)階使用開挖簡易臺(tái)架，下臺(tái)階不使用開挖臺(tái)架，其臺(tái)階高度不宜過高。為保證在無機(jī)械配合下人工作業(yè)的便捷性，上臺(tái)階高度控制在5～6.5 m，下臺(tái)階高度為3～4.5 m。二臺(tái)階(帶仰拱)法施工斷面如圖9所示。

(a) 橫剖面

(b) 縱剖面

Fig. 9 Excavation cross-section of two-bench method (with inverted arch) (unit: m)

二臺(tái)階(帶仰拱)法實(shí)現(xiàn)了上、下臺(tái)階的平行作業(yè)，下臺(tái)階與仰拱同時(shí)開挖、支護(hù)封閉成環(huán)。其施工工藝流程見圖10。

圖10 仰拱與下臺(tái)階一次開挖施工工藝流程圖

Fig. 10 Construction flowchart of one-time excavation of inverted arch and lower bench

上臺(tái)階采用簡易臺(tái)架，下臺(tái)階、仰拱與上臺(tái)階同時(shí)鉆孔開挖，下臺(tái)階左右側(cè)同步開挖，同時(shí)裝藥起爆，挖機(jī)到下臺(tái)階扒上臺(tái)階碴，形成作業(yè)空間后進(jìn)臺(tái)架立拱，同步進(jìn)行下臺(tái)階及仰拱扒碴、出碴，然后下臺(tái)階各部依次立拱支護(hù)。

2 臺(tái)階法(帶仰拱)一次開挖施工案例

2.1 蒙華鐵路段家坪隧道進(jìn)口三臺(tái)階(帶仰拱)法施工技術(shù)

2.1.1 工程概況及支護(hù)參數(shù)

蒙華鐵路段家坪隧道為單洞雙線隧道，全長10 722.98 m，位于陜西省宜川縣秋林鎮(zhèn)境內(nèi)。進(jìn)口段圍巖為三疊系上統(tǒng)厚層砂巖、粉砂巖夾薄層泥巖，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，弱風(fēng)化、節(jié)理裂隙較發(fā)育—發(fā)育，巖體較破碎，呈碎石壓碎結(jié)構(gòu)。超前支護(hù)采用φ42超前小導(dǎo)管，長3.5 m，縱向間距2 m，環(huán)向間距0.4 m。初期支護(hù)采用全環(huán)四肢φ22格柵拱架，縱向間距1.0 m，C25噴射混凝土，厚23 cm，拱部設(shè)3.5 m中空錨桿，間距1.0 m×1.0 m，邊墻設(shè)置3.5 m砂漿錨桿，間距1.0 m×1.0 m，二次襯砌采用厚45 cm的C35鋼筋混凝土。隧道襯砌斷面見圖11。

圖11 Ⅴa型復(fù)合襯砌斷面圖(單位： cm)

根據(jù)現(xiàn)場圍巖條件，本隧道Ⅴ級圍巖段采用三臺(tái)階(帶仰拱)一次開挖法，上中下臺(tái)階(含仰拱)開挖高度分別為3.8、3、4.56 m，上臺(tái)階長4 m，中臺(tái)階長3 m。上臺(tái)階采用簡易臺(tái)架施工，中下臺(tái)階(含仰拱)采用爬梯輔助作業(yè)，仰拱及填充采用24 m全液壓履帶式棧橋作業(yè)，每循環(huán)施工12 m。

2.1.2 三臺(tái)階(帶仰拱)一次開挖法主要工序組織

三臺(tái)階(帶仰拱)一次開挖法工法特點(diǎn)： 每循環(huán)“1次爆破、1次噴混凝土、1次扒裝碴、2次進(jìn)出臺(tái)架、各工序平行作業(yè)”。

1)中臺(tái)階轉(zhuǎn)碴、下臺(tái)階出碴。挖機(jī)上臺(tái)階退臺(tái)架，三臺(tái)階(帶仰拱)聯(lián)線同時(shí)爆破，通風(fēng)后，挖機(jī)上中臺(tái)階轉(zhuǎn)碴，裝載機(jī)下臺(tái)階出碴，在前方工作面出碴時(shí)24 m棧橋就位完畢，仰拱進(jìn)行復(fù)噴混凝土、施作防水、鋼筋綁扎或混凝土養(yǎng)護(hù)等工序。

2)上臺(tái)階進(jìn)簡易臺(tái)架、下臺(tái)階繼續(xù)出碴。上臺(tái)階轉(zhuǎn)碴完畢，挖機(jī)吊簡易臺(tái)架，配合裝載機(jī)下臺(tái)階出碴。

3)上中下臺(tái)階立拱、施工錨桿、下臺(tái)階繼續(xù)出碴。上中臺(tái)階轉(zhuǎn)碴完畢，下臺(tái)階留部分石碴用于鋪設(shè)至中臺(tái)階的臨時(shí)便道。上臺(tái)階采用簡易臺(tái)架，同時(shí)中下臺(tái)階用爬梯人工鉆孔、立拱架、施工錨桿(管)，挖機(jī)配合裝載機(jī)下臺(tái)階出碴。

4)各臺(tái)階立拱完成、退臺(tái)架、進(jìn)行噴混凝土作業(yè)。上中臺(tái)階碴全部挖運(yùn)完畢，下臺(tái)階只有墊路碴未運(yùn)完，上中下臺(tái)階進(jìn)行機(jī)械手噴混凝土作業(yè)。

5)修路進(jìn)臺(tái)架、上臺(tái)階鉆孔、中下臺(tái)階依次鉆孔。噴混凝土完畢，機(jī)械手撤離，上臺(tái)階清理后進(jìn)臺(tái)架開始鉆孔，隨后中臺(tái)階亦開始鉆孔，下臺(tái)階墊路碴及仰拱墊碴采用挖機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至后方亦開始鉆孔。

2.1.3 技術(shù)要點(diǎn)

1)調(diào)整確定各臺(tái)階斷面的工作量，實(shí)現(xiàn)各臺(tái)階同步作業(yè)是關(guān)鍵。相比于傳統(tǒng)臺(tái)階法，本方案通過調(diào)整臺(tái)階高度，使各作業(yè)面綜合工作量達(dá)到了同步平衡，上臺(tái)階是開挖進(jìn)度的核心，上臺(tái)階高度降低，鉆孔少，臺(tái)架更加輕便，意味著進(jìn)度加快； 中下臺(tái)階鉆孔、立拱相對容易，高度變化對工序時(shí)間影響小，中臺(tái)階高度控制在3 m，便于人工直接作業(yè)，下臺(tái)階適當(dāng)高一點(diǎn)，可以利用爬梯作業(yè)。

2)中下臺(tái)階同步施工。機(jī)械手臂長有限，上中臺(tái)階不宜太長，以保證機(jī)械手可有效噴射初期支護(hù)混凝土。

3)噴射混凝土按照先仰拱、后邊墻及拱部的順序進(jìn)行。機(jī)械手臂長可實(shí)現(xiàn)一次噴射仰拱、下臺(tái)階、中臺(tái)階初期支護(hù)，噴射完成后機(jī)械手及料車后退，挖機(jī)上前對噴射完成的仰拱初期支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行洞碴回填，必要時(shí)可在仰拱初期支護(hù)上方虛碴之上鋪設(shè)鋼墊板(對仰拱基礎(chǔ)形成保護(hù))，之后挖機(jī)退出，機(jī)械手及料車前進(jìn)至仰拱部位進(jìn)行上臺(tái)階初期支護(hù)混凝土噴射，此時(shí)仰拱初期支護(hù)已基本可承受施工機(jī)械的重力。

2.1.4 施工變形情況分析

根據(jù)段家坪隧道現(xiàn)場試驗(yàn)段施工監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示，臺(tái)階法(帶仰拱)施工引起的拱頂沉降累計(jì)值一般為 30～40 mm，上臺(tái)階收斂累計(jì)值一般為20～30 mm。2種工法在現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)的典型斷面凈空變形曲線如圖12和圖13所示。

臺(tái)階法(帶仰拱)一次施工引起的變形要小于傳統(tǒng)臺(tái)階法，2種工法在上中臺(tái)階開挖階段變形值較為接近，但傳統(tǒng)臺(tái)階法在下臺(tái)階開挖至仰拱封閉的時(shí)間段內(nèi)，施工變形仍呈現(xiàn)增長趨勢。而臺(tái)階法(帶仰拱)一次施工法，仰拱與下臺(tái)階一起開挖，仰拱封閉時(shí)間短，變形能及早控制，對隧道施工總變形量的控制更為有效。

圖12 下臺(tái)階(帶仰拱)一次開挖變形曲線

Fig. 12 Deformation curves when lower bench and inverted arch are excavated at the same time

圖13 傳統(tǒng)三臺(tái)階法變形曲線圖

Fig. 13 Deformation curves when using traditional three-bench method

2.1.5 進(jìn)度統(tǒng)計(jì)

考慮施工現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜及一些制約因素，平均每循環(huán)用時(shí)約13.5 h，每天進(jìn)度為： 24/13.5×2=3.5 m，月進(jìn)尺為： 3.5×30=105 m。

2.2 蒙華鐵路中條山隧道進(jìn)口二臺(tái)階(帶仰拱)法施工技術(shù)

2.2.1 工程概況及支護(hù)參數(shù)

蒙華鐵路中條山隧道位于山西省運(yùn)城市，隧道進(jìn)口位于運(yùn)城市鹽湖區(qū)解州鎮(zhèn)，設(shè)計(jì)為雙洞單線隧道。隧道最大埋深約840 m，隧道左線長18 405 m,右線長18 410 m。

中條山隧道進(jìn)口段圍巖以片麻巖為主，風(fēng)化面呈黃褐色，弱—強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，地下水不發(fā)育，為Ⅴ級圍巖HD型襯砌結(jié)構(gòu)。超前支護(hù)采用φ42超前小導(dǎo)管，長4 m，縱向間距2榀，環(huán)向間距0.4 m。初期支護(hù)全環(huán)設(shè)置I18型鋼拱架，縱向間距0.8 m，噴射C25混凝土25 cm，拱墻及仰拱設(shè)置C35鋼筋混凝土，拱墻厚50 cm，仰拱厚55 cm。

隧道進(jìn)口Ⅴ級圍巖采用二臺(tái)階(帶仰拱)一次開挖技術(shù)，上臺(tái)階高度6.1 m，長度4～5 m，下臺(tái)階(不含仰拱)高度為3.53 m，仰拱開挖深度0.9 m。上臺(tái)階采用2座拼裝式小型臺(tái)架輔助作業(yè)，下臺(tái)階(含仰拱)采用爬梯輔助作業(yè)，左右側(cè)同步開挖，仰拱及仰拱填充采用24 m全液壓履帶式棧橋，每循環(huán)施工12 m。

2.2.2 二臺(tái)階(帶仰拱)法主要工序組織

工序特點(diǎn)： 1次爆破、2次扒碴、2次進(jìn)出臺(tái)架、仰拱、下臺(tái)階、上臺(tái)階依次噴射混凝土到位。

1)上臺(tái)階扒碴、修路形成坡道。二臺(tái)階(帶仰拱)聯(lián)線同時(shí)爆破，通風(fēng)后，挖機(jī)進(jìn)下臺(tái)階扒碴、修路。

2)上臺(tái)階進(jìn)簡易臺(tái)架立拱、施作錨桿，下臺(tái)階出碴。上臺(tái)階扒碴完畢，挖機(jī)吊簡易臺(tái)架開始上臺(tái)階立拱、施作錨桿，挖機(jī)配合裝載機(jī)下臺(tái)階出碴。

3)上下臺(tái)階及仰拱立拱、施作錨桿。下臺(tái)階出碴完成，上臺(tái)階繼續(xù)立拱施作錨桿，同時(shí)下臺(tái)階用爬梯人工鉆孔、立拱架、施作錨桿(管)。

4)立拱完成、退臺(tái)架、進(jìn)行噴混凝土作業(yè)。按照仰拱、下臺(tái)階、上臺(tái)階的順序進(jìn)行機(jī)械手噴混凝土作業(yè)。

5)修路進(jìn)臺(tái)架，上下臺(tái)階及仰拱同步鉆孔。噴混凝土完畢，機(jī)械手撤離，上臺(tái)階清理后進(jìn)臺(tái)架開始鉆孔，下臺(tái)階及仰拱亦同步開始鉆孔。

2.2.3 施工變形分析

2種工法的變形曲線見圖14和圖15。

圖14 下臺(tái)階(帶仰拱)法變形曲線圖

Fig. 14 Deformation curves when lower bench and inverted arch are excavated at the same time

圖15 傳統(tǒng)臺(tái)階法變形曲線圖

Fig.15 Deformation curves when using traditional three-bench method

與三臺(tái)階法類似，臺(tái)階法(帶仰拱)一次施工引起的變形小于傳統(tǒng)臺(tái)階法，2種工法在上臺(tái)階開挖階段變形值較為接近，但采用下臺(tái)階(帶仰拱)法時(shí)仰拱封閉時(shí)間短，隧道施工總變形量較小。

2.2.4 進(jìn)度統(tǒng)計(jì)

考慮施工現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜、誤工時(shí)間及一些制約因素，平均每循環(huán)用時(shí)約12 h，每天進(jìn)度為： 24/12×1.6=3.2 m，月進(jìn)尺為： 3.2×30=96 m。

3 臺(tái)階法(帶仰拱)一次開挖施工技術(shù)特點(diǎn)

結(jié)合以上理論計(jì)算及現(xiàn)場施工效果分析，同傳統(tǒng)臺(tái)階法相比，臺(tái)階法(帶仰拱)一次開挖施工具有如下技術(shù)特點(diǎn)：

1)開挖面至仰拱端頭距離短，初期支護(hù)可以快速封閉成環(huán)，以形成合理的受力結(jié)構(gòu)，對施工變形的控制有利，同時(shí)也可以較好地滿足施工步距的要求。

2)仰拱與下臺(tái)階同步開挖，減少了爆破次數(shù)，可避免風(fēng)管、電線和水管等因多次爆破受損以及遷移作業(yè)帶來的損失和投入，出碴以及噴射混凝土作業(yè)次數(shù)減少，同時(shí)因集中作業(yè)可使粉塵暴露時(shí)間減少，作業(yè)環(huán)境得到改善。

3)臺(tái)階法(帶仰拱)一次開挖，能夠充分發(fā)揮各工序平行作業(yè)的特點(diǎn)，同時(shí)因工序簡化有利于銜接，減少了仰拱單獨(dú)開挖對其他工序造成的干擾，提高了施工效率。

4)有利于底板眼鉆孔外插角的精度控制，可有效提升仰拱開挖成型質(zhì)量。

4 結(jié)論與討論

1)臺(tái)階法(帶仰拱)一次開挖施工技術(shù)工藝簡潔、技術(shù)難度低，可有效利用狹窄的作業(yè)空間實(shí)行同步作業(yè)，實(shí)現(xiàn)快速施工、快速封閉，對圍巖變形控制效果好，是解決軟巖隧道步距超標(biāo)、變形侵限等問題的較好方案。

2)通過精細(xì)的施工組織、合理有序的工藝安排，臺(tái)階法(帶仰拱)一次開挖法可取得不低于傳統(tǒng)臺(tái)階法的綜合工效。但在應(yīng)用過程中，工法應(yīng)保持穩(wěn)定，應(yīng)注意改變由于隧道圍巖變化頻繁因而工法也變換頻繁的傳統(tǒng)思路。

3)提高工效的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)同步作業(yè)，盡量使各作業(yè)面綜合工作量達(dá)到同步平衡，使各工序循環(huán)時(shí)間及各臺(tái)階操作時(shí)間相匹配。應(yīng)結(jié)合工程具體邊界條件，分析選用合理的臺(tái)階高度和長度，使之既能夠保證施工安全，又能夠保證效率最大化。

4)仰拱與下臺(tái)階一次開挖后，仰拱承載力應(yīng)達(dá)到相應(yīng)要求，滿足施工和結(jié)構(gòu)安全的需要，可通過局部工序的安排(如初期支護(hù)混凝土先施作仰拱，再施作上中臺(tái)階)、仰拱采用早高強(qiáng)混凝土及仰拱初期支護(hù)上鋪設(shè)鋼板等措施，來保護(hù)仰拱初期支護(hù)免受后續(xù)施工破壞。

5)臺(tái)階法(帶仰拱)一次開挖施工中，上中臺(tái)階左右側(cè)同步推進(jìn)，為避免下部開挖時(shí)拱腳兩側(cè)同時(shí)懸空，施作初期支護(hù)時(shí)可通過增設(shè)鎖腳錨桿(管)或?qū)澳_處噴射混凝土進(jìn)行加固。

6)目前臺(tái)階法(帶仰拱)一次開挖法在普通軟巖隧道工程的應(yīng)用中取得了良好的應(yīng)用效果，但這種工法在高地應(yīng)力區(qū)軟巖隧道的應(yīng)用效果，尚需做進(jìn)一步的研究和實(shí)踐。

7)現(xiàn)階段部分隧道Ⅳ級圍巖段初期支護(hù)拱墻部位設(shè)計(jì)有拱架支護(hù)，而仰拱部位不設(shè)拱架，實(shí)際上仰拱和拱墻沒有真正意義上實(shí)現(xiàn)“閉合成環(huán)”。針對這一問題，今后需在設(shè)計(jì)理念層面做進(jìn)一步研究。

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