三臺(tái)階臨時(shí)仰拱開(kāi)挖法在高速鐵路隧道施工中的應(yīng)用

（中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京 100018）

1 施工方案比選

隧道施工工法確定要根據(jù)開(kāi)挖地層的實(shí)際情況，結(jié)合安全、進(jìn)度、經(jīng)濟(jì)等要素進(jìn)行綜合比選。常見(jiàn)的軟巖隧道施工工法有三臺(tái)階七步流水作業(yè)法、三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法、四步CD法、中側(cè)壁導(dǎo)坑法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等。其中，三臺(tái)階七步法優(yōu)點(diǎn)為不設(shè)臨時(shí)支撐，節(jié)省材料，工作空間大，可采用大型機(jī)械施工，施工進(jìn)度快；缺點(diǎn)為：不利于控制圍巖變形，接長(zhǎng)側(cè)墻鋼架時(shí)沉降量大，對(duì)超前支護(hù)要求高。CD法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法通過(guò)剛性分隔將大斷面分隔成若干小斷面分別開(kāi)挖支護(hù)，其優(yōu)點(diǎn)為易于控制圍巖變形和施工安全；缺點(diǎn)為工作空間小，不利于采用大型機(jī)械施工，人工使用量大，施工進(jìn)度慢，若剛性分隔處處理不當(dāng)會(huì)給后期防水施工留下質(zhì)量隱患。相較于三臺(tái)階七步法，三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工增加了臨時(shí)支護(hù)材料和臨時(shí)仰拱鋼架的安裝與拆除工作；但其工作空間大，可采用大型機(jī)械施工，臨時(shí)支護(hù)仰拱鋼架可循環(huán)使用，初支臨時(shí)快速成環(huán)可有效控制圍巖變形；遇不良地質(zhì)沉降量過(guò)大時(shí)可隨時(shí)通過(guò)增加豎向臨時(shí)支撐向CRD工法轉(zhuǎn)換。

2 工程概況

新建太原至焦作鐵路山西段站前工程TJZQ-3標(biāo)段榆社隧道地處山西省晉中市榆社縣境內(nèi)。隧道起訖里程DK70＋700～DK81＋370，正線長(zhǎng)度10.67km，最大埋深342m，設(shè)計(jì)時(shí)速250km/h，為高速電氣化鐵路雙線隧道。隧道通過(guò)地層主要為新黃土、砂巖、泥巖，砂巖為較硬巖，泥巖、泥質(zhì)砂巖為軟巖或較軟巖。隧道工點(diǎn)穿過(guò)該構(gòu)造中的多處向斜、背斜及多條斷層，隧道區(qū)斷裂構(gòu)造較發(fā)育，發(fā)育斷層共22條，其中有9條為實(shí)測(cè)斷層，13條為物探推測(cè)斷層。隧道正常涌水量Qcp為39 107.45m3/d，最大涌水量Qmax為85 029.01m3/d。榆社隧道通過(guò)區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖占64.6%，總體施工難度大。

3 施工方法

3.1 施工工藝流程

榆社隧道Ⅴ級(jí)圍巖淺埋、強(qiáng)風(fēng)化巖層、深埋土層、全風(fēng)化層、斷層破碎帶、富水地層等均采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工。三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法工藝流程如圖1所示。

圖1 三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工工藝流程

3.2 施工步驟

三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法工藝橫斷面如圖2所示。

1）洞身超前支護(hù)采用洞身長(zhǎng)管棚和超前小導(dǎo)管2種支護(hù)形式，超前支護(hù)每循環(huán)搭接長(zhǎng)度不小于1.5m以保證超前管棚或?qū)Ч軆?nèi)注漿質(zhì)量。機(jī)械配合人工開(kāi)挖，盡量不采用爆破開(kāi)挖。排險(xiǎn)后，初噴上臺(tái)階拱部混凝土、架立上臺(tái)階鋼架、鉆設(shè)系統(tǒng)錨桿和鎖腳錨管、安裝鋼筋網(wǎng)片、復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。上臺(tái)階底部噴10cm厚混凝土，鋪設(shè)臨時(shí)仰拱鋼架，噴射混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

2）在上臺(tái)階①部進(jìn)尺3～5m后，開(kāi)挖中臺(tái)階②部。排險(xiǎn)、初噴混凝土，鉆設(shè)錨桿和鎖腳錨管、掛網(wǎng)，架立中臺(tái)階鋼架、復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。中臺(tái)階底部噴10cm厚混凝土，鋪設(shè)臨時(shí)仰拱鋼架，噴射混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

3）在中臺(tái)階②部進(jìn)尺3～5m后，開(kāi)挖下臺(tái)階③部。排險(xiǎn)、初噴混凝土，鉆設(shè)錨桿和鎖腳錨管、掛網(wǎng)，架立中臺(tái)階鋼架、復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

4）在下臺(tái)階③部進(jìn)尺15～20m后，開(kāi)挖隧底④部。清理虛碴后、初噴混凝土及時(shí)安裝隧底鋼架使永久初期支護(hù)鋼架封閉成環(huán)。隧底周邊部分噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

5）綁扎Ⅴ部仰拱襯砌鋼筋，澆筑本段仰拱混凝土。

圖2 三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法工藝橫斷面示意

6）仰拱混凝土凝固后，澆筑本段Ⅵ部仰拱填充混凝土。

7）根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析初期支護(hù)和收斂變穩(wěn)定后的沉降，利用液壓襯砌臺(tái)車(chē)一次性澆筑Ⅶ部拱墻襯砌混凝土。

3.3 工藝說(shuō)明

1）三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法開(kāi)挖采用自上而下分部開(kāi)挖。上臺(tái)階和中臺(tái)階每次正洞初期支護(hù)施工完畢，必須立即安裝臨時(shí)仰拱鋼架。臨時(shí)仰拱鋼架與正洞鋼架采用螺絲連接，不可采用焊接，防止機(jī)械或弱爆破開(kāi)挖震動(dòng)造成連接不牢固。

2）隧道各臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，機(jī)械開(kāi)挖進(jìn)預(yù)留的人工開(kāi)挖部分；爆破開(kāi)挖時(shí)采用加密炮眼、隔孔裝藥等措施控制開(kāi)挖輪廓，減少超欠挖，避免圍巖應(yīng)力集中。嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)文件要求控制開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺，遇地質(zhì)不良處應(yīng)在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上采用加密初支鋼架等加強(qiáng)支護(hù)措施。

3）各臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，鋼架拱腳處采用預(yù)制好的混凝土板或槽鋼墊好，防止懸空。

4）按照鐵路總公司規(guī)定和設(shè)計(jì)文件要求，嚴(yán)格控制施工步距。位于隧道穿越斷層破碎帶等不良地層時(shí)，可在設(shè)計(jì)文件的要求基礎(chǔ)上進(jìn)一步縮短施工安全步距，確保施工安全。

3.4 施工控制要點(diǎn)

1）隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與監(jiān)控量測(cè)應(yīng)分別作為單個(gè)工序，納入隧道工序循環(huán)。上臺(tái)階超前支護(hù)施作完畢后，進(jìn)行上臺(tái)階拱部開(kāi)挖。開(kāi)挖前應(yīng)進(jìn)行地質(zhì)情況預(yù)報(bào)，以便及時(shí)掌握圍巖和裂隙水的情況，以指導(dǎo)施工。當(dāng)量測(cè)數(shù)據(jù)反應(yīng)上臺(tái)階拱頂沉降速率過(guò)大時(shí)，可增設(shè)豎向臨時(shí)支撐控制圍巖變形。

2）上臺(tái)階超前支護(hù)施作完畢后，進(jìn)行上臺(tái)階拱部開(kāi)挖。開(kāi)挖前應(yīng)進(jìn)行地質(zhì)情況預(yù)報(bào)，以便及時(shí)掌握圍巖和裂隙水的情況，指導(dǎo)施工并調(diào)整支護(hù)參數(shù)。上臺(tái)階開(kāi)挖后的拱頂下沉數(shù)據(jù)異常時(shí)，可在上臺(tái)階增設(shè)臨時(shí)豎向支撐。開(kāi)挖上、中、下臺(tái)階時(shí)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況預(yù)留核心土作為機(jī)械作業(yè)平臺(tái)，并適當(dāng)調(diào)整臺(tái)階開(kāi)挖高度。

3）鋼架之間縱向連接筋必須與其可靠焊接并做好搭接。各臺(tái)階鋼架拱腳處鎖腳錨管可采用增設(shè)U形鋼筋或縱向連接鋼板等措施保證鋼架與錨管焊接牢固，同時(shí)控制好鎖腳鋼管內(nèi)的注漿質(zhì)量并做好封堵。

4）上臺(tái)階拱部鋼架連接處應(yīng)錯(cuò)開(kāi)隧道中心線1m以上，不良地質(zhì)處采用高強(qiáng)螺栓以替換普通螺栓。

4 結(jié)語(yǔ)

榆社隧道采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工，安全、順利地穿越了土質(zhì)地層、斷層破碎帶、富水地層等不良地層。新建高速鐵路采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工，有效控制軟巖隧道開(kāi)挖后沉降，保證隧道施工安全和進(jìn)度，為今后類(lèi)似隧道地層施工方案的選擇提供了很好的借鑒，具有一定的推廣價(jià)值。