三臺階七步法開挖大斷面隧道控制要點

聶 永 崗

(山西省晉中路橋建設(shè)集團有限公司，山西 晉中 030600)

新奧法掘進是一種先進的隧道設(shè)計和施工方法。在新奧法施工掘進中，主要有全斷面法、臺階法、環(huán)形開挖留核心土法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法、交叉中隔壁法等隧道掘進方式。在選擇隧道掘進方式時，應(yīng)綜合考慮圍巖條件、隧道長度、斷面結(jié)構(gòu)、支護襯砌、工期要求、機械設(shè)備等施工現(xiàn)場實際情況合理確定。

三臺階七步開挖法是臺階法的一種。與側(cè)壁導(dǎo)坑法、中隔壁法及交叉中隔壁法等相比較，三臺階七步開挖法無需進行臨時支護拆除，避免了受力轉(zhuǎn)換中容易出現(xiàn)的不安全因素等問題，有利于及時進行閉合時間的調(diào)整，便于根據(jù)地質(zhì)條件轉(zhuǎn)換施工工序，機械施工方便，能在確保施工安全的前提下提高施工進度。在我國隧道施工中，三臺階七步開挖法在大斷面隧道施工中應(yīng)用較多，適用于進行有一定自穩(wěn)條件的Ⅳ,Ⅴ級圍巖段的洞體開挖作業(yè)。

1 概述

采用三臺階七步開挖法進行大斷面隧道洞體掘進時，以弧形導(dǎo)坑進行開挖后留核心土，臺階分上、中、下三層共計形成七個開挖面，沿隧道進行各部位開挖并及時進行支護，要求做到縱向相互錯開、平行開挖推進。在大斷面隧道施工中，使用三臺階七步法進行洞體開挖具有以下技術(shù)優(yōu)勢：

1)以機械開挖為主，可以多個作業(yè)面平行推進。在部分軟巖地段進行施工時，為將圍巖的擾動有效降低，還可用挖掘機進行下半部斷面的直接開挖。2)進行轉(zhuǎn)換施工方法或工序靈活，洞體掘進進度穩(wěn)定。該優(yōu)勢在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、軟硬圍巖相間的地質(zhì)條件下非常明顯，有利于保證工期進度。3)施工中無需進行臨時支護的拆除，能適應(yīng)不同的跨度和多種斷面形式，經(jīng)濟性顯著。4)仰拱作業(yè)能夠超前施作，有利于及時閉合初期支護。5)防水層和灌注混凝土襯砌全斷面一次性施作完成，有利于確保襯砌質(zhì)量。6)施工中特殊設(shè)備無需添加，施工工藝簡單，易推廣。

在施工中，為確保施工質(zhì)量和安全，應(yīng)重視超前地質(zhì)預(yù)報，以便于根據(jù)地質(zhì)變化情況及時進行各部臺階長度或工法調(diào)整。

2 施工工藝

在某隧道工程中，隧道全程5.7 km，洞門采用端墻式門，開挖斷面為150 m2，洞體的覆土較薄。洞口段圍巖Ⅴ級，巖質(zhì)軟弱破碎、成拱困難，使用拱部套拱和大管棚預(yù)支護確保順利進洞。為確保洞體施工安全，隧道開挖作業(yè)采用三臺階七步法進行。

2.1 三臺階七步開挖

在采用三臺階七步開挖法進行洞體開挖時，可分成上、中、下三層臺階和仰拱共四部分，見圖1。使用環(huán)形開挖拱部后，須預(yù)留核心土具有對掌子面施壓的效果。為確保掌子面的穩(wěn)定，在中部及下部臺階上，先進行兩側(cè)土體的開挖，嚴(yán)禁對開，還須保持中部土體不動。在洞體開挖過程中，要求七個開挖面做到“相互錯開、同時開挖、同時支護”，形成循環(huán)流水作業(yè)，逐步向前掘進。

洞體開挖的主要步驟是：先環(huán)向開挖上部的弧形導(dǎo)坑，跟進進行仰拱初期支護的施工；在中層和下層臺階上，進行左右側(cè)開挖面的開挖，要求左右面須錯開2 m～3 m，及時進行墻部初期支護施工；最后進行預(yù)留核心土及隧底開挖后，做好隧底初期支護施作。在開挖過程中，為盡早封閉成環(huán)確保安全施工，要采取措施確保各部初期支護施工及時進行，仰拱施工作業(yè)應(yīng)在隧底初期支護完成后及時進行。

洞體開挖以機械為主(見圖2)，人工輔助修邊(見圖3)。在確保施工安全的情況下，嚴(yán)格控制開挖長度，合理確定循環(huán)進尺，嚴(yán)格按確定的臺階長度、核心土與拱頂距離、兩側(cè)開挖長度及錯開長度等指標(biāo)進行，以減少圍巖暴露時間。

2.2 初期支護施工

在隧道施工中，初期支護作為主要的受力結(jié)構(gòu)，須做到嚴(yán)格規(guī)范施工。研究表明：在隧道洞體開挖后，初期支護在Ⅳ級以上圍巖中承受全部的圍巖應(yīng)力，二襯只作為安全儲備；在Ⅳ級以下圍巖里初期支護承受80%以上的圍巖應(yīng)力，二襯只承受20%左右圍巖應(yīng)力。

初期支護的目的在于保護圍巖的自然承載力，在開挖后應(yīng)立即進行初期支護施工。初期支護主要由混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼架等聯(lián)合受力，確保對圍巖形成穩(wěn)定的支護性能。要求將初期支護實現(xiàn)全斷面的閉合時間控制在15 d左右，有條件時應(yīng)盡量縮短。

噴射混凝土作為錨噴支護的重要組成部分，其施工質(zhì)量的好壞對支護效果能起到控制性的作用。初噴混凝土封閉巖面在開挖后立即進行，見圖4。分段分片進行噴射，從拱腳自下而上開展作業(yè)。混凝土噴射應(yīng)做好強度、厚度及其與巖面粘結(jié)性能的控制。

初噴混凝土后應(yīng)及時施作錨桿，錨桿必須設(shè)置墊板。

鋪設(shè)的鋼筋網(wǎng)應(yīng)與錨桿、鋼架連接牢固。采用焊接方式連接鋼筋網(wǎng)片，相鄰兩幅間的搭接長度為1個～2個網(wǎng)格。

進行鋼架安裝時，拱、墻部鋼架單元宜采用栓接的方式連接。鋼架拱腳應(yīng)架設(shè)在穩(wěn)固的基巖上或底部鋪墊的槽鋼上，嚴(yán)禁拱腳懸空或采用虛渣回填，以保證基礎(chǔ)穩(wěn)固。須將鋼架間距、橫向位置和高程的偏差及垂直度偏差控制在允許范圍以內(nèi)。設(shè)專人進行鋼架與縱向筋、鎖腳錨桿的焊接質(zhì)量檢測，確保連接牢固，確保鋼架整體穩(wěn)定。安裝完畢的鋼架與圍巖間隙應(yīng)控制在5 cm以內(nèi)。

在施工中，為避免出現(xiàn)基腳變形，可將與鋼架栓接(如圖5所示)的鎖腳錨桿尾部加工成“L”狀，以確保焊接牢固，須重視做好鎖腳錨桿的施工質(zhì)量控制。

噴射混凝土(如圖6所示)厚度不得小于設(shè)計要求，表面應(yīng)平順，不存在空鼓、裂縫、酥松等質(zhì)量問題。

2.3 仰拱施工

應(yīng)盡量超前進行仰拱施作，將仰拱與上臺階開挖面的距離按30 m～40 m進行控制，須及時跟進后續(xù)的防水板鋪設(shè)、二襯施工等工序。將二次襯砌施工與仰拱的距離保持在2倍以上的襯砌循環(huán)作業(yè)長度，但不得大于50 m。

采用全幅分段進行隧底開挖作業(yè)，按2 m～3 m進行一個開挖循環(huán)的長度控制。在隧底開挖作業(yè)中，將虛渣、泥漿等雜物及時進行清除后，須立即進行混凝土噴射封閉巖面，噴射厚度控制在3 cm～5 cm。進行仰拱鋼架安裝(如圖7所示)時，須嚴(yán)格按設(shè)計規(guī)格和要求進行，再噴射一定厚度的混凝土確保支護閉合成環(huán)。

在進行仰拱混凝土澆筑時，采用分段全幅澆筑的方法，按4 m～6 m為一個循環(huán)段進行澆筑，確保一次成型。待仰拱混凝土終凝后，將表面雜物和積水清除，進行仰拱填充混凝土的澆筑，應(yīng)連續(xù)澆筑仰拱填充混凝土，確保一次成型。

待填充的混凝土強度達到設(shè)計強度后，允許車輛通行。

2.4 監(jiān)控量測

在隧道開挖過程中，須做到監(jiān)控量測工作的全工程參與，要求緊跟開挖支護開展監(jiān)控量測作業(yè)。

在監(jiān)控量測過程中，通過進行布點和監(jiān)測，及時進行監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，指導(dǎo)洞體開挖作業(yè)及支護參數(shù)調(diào)整，以保證施工安全。

3 控制要點

采用三臺階七步進行隧道施工時，初期支護及仰拱須及時施作，確保閉合成環(huán)，以有效抑制圍巖變形。在施工中，為確保施工質(zhì)量和安全，須做好以下控制要點：

1)隧道進出洞是隧道施工中的一個難點，特別是在進出洞地質(zhì)條件較差時，須高度重視隧道進出口設(shè)計和施工。

2)在隧道進洞前，須采取有效的洞頂及洞口防排水措施。為避免地表水及施工用水下滲影響隧道結(jié)構(gòu)安全，設(shè)置的排水溝應(yīng)進行砂漿抹面硬化。在開挖過程中，為避免影響基底承載力狀況的出現(xiàn)，須及時搭設(shè)或完善洞內(nèi)防排水設(shè)施。

3)重視工前培訓(xùn)，保證施工人員明確崗位職責(zé)，保證各工序間的有序銜接，做好施工組織，盡量縮短圍巖暴露的時間。

4)在洞體開挖過程中，以機械開挖為主，洞體周邊預(yù)留30 cm人工進行開挖。要使用爆破時，須采用弱爆破，將對圍巖的擾動盡量降低。

5)嚴(yán)格按設(shè)計要求進行超前支護施工，保證隧道開挖的施工安全。

6)對隧道出現(xiàn)的超挖部位，須回填密實或是充填注漿，確保支護與圍巖緊密相貼。

7)重視監(jiān)控量測工作，必要時進行支護參數(shù)調(diào)整，重視信息化在施工管理中的重要作業(yè)。

在我國，隨著公路交通事業(yè)的迅速發(fā)展，特別是高速公路向中西部地區(qū)的擴展，長大隧道施工越來越多。在長大隧道中，采用三臺階七步開挖法，有利于保護圍巖天然承載力，有效抑制圍巖變形，提高施工進度，確保施工安全。同時，還須注意到，該施工工藝的工法并不是一成不變的，須根據(jù)隧道的具體地質(zhì)條件，及時進行改進，確保隧道施工更安全，施工進度更高效，施工質(zhì)量更好。