大斷面軟弱地層隧道三臺階四步交錯法開挖施工技術(shù)

孫海亮

(中鐵十九局集團(tuán)第五工程有限公司，遼寧 大連 116100)

1 工程概況

赤峰至喀左鐵路工程的建平隧道全長11 340 m， 進(jìn)口里程DK030+060,出口里程DK041+400，最大埋深230 m。隧道共設(shè)3個斜井。

隧道地層巖性DK030+060～DK037+300段為片麻巖，強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎；DK036+300～DK037+800段為凝灰?guī)r，強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，呈角礫碎石狀壓碎結(jié)構(gòu),具中等膨脹性。DK037+800～DK047+500段為安山巖，弱風(fēng)化，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體破碎，呈角礫碎石狀，松散結(jié)構(gòu)，易發(fā)生圍巖失穩(wěn)塌方和大變形。DK36+220～DK36+505段為片麻巖和凝灰?guī)r分界處，突水突泥風(fēng)險等級為極高風(fēng)險。不良地質(zhì)及特殊巖土包括圍巖失穩(wěn)塌方、大變形、涌水、膨脹巖等?？辈閰^(qū)大地構(gòu)造位于叨爾登—張家營斷裂帶西側(cè)，構(gòu)造部位屬東西向構(gòu)造帶和北東向構(gòu)造帶交接地帶。Ⅳ級、Ⅴ級圍巖占隧道全長的66%，隧道區(qū)域內(nèi)地下水類型可分為第四系空隙含水層、碎屑巖類裂隙水及基巖裂隙含水層。設(shè)計推薦采用傳統(tǒng)的“三臺階七步開挖法”或“三臺階臨時仰拱法”開挖方法施工。

施工過程中發(fā)現(xiàn)，使用“三臺階七步開挖法”施工時由于臺階長度過短，中臺階左右部分錯開的距離也較短，開挖后易造成多榀鋼架左右兩邊同時懸空的情況，施工安全隱患較大。其次是這種3個臺階分7步開挖的施工方法工序繁瑣，各工序之間不能很好的銜接,施工效率較低。另外臺階長度較短不利于機(jī)械化作業(yè)，初期支護(hù)封閉成環(huán)的時間較長，沉降及收斂變形量較大[1-2]。

使用“三臺階臨時仰拱法”施工時雖然能對初期支護(hù)變形進(jìn)行較好的控制，卻要增設(shè)臨時仰拱支護(hù)，提高了施工成本，降低了施工效率；而且臨時仰拱上方因大型機(jī)械行走，往往會對其造成損傷，拆卸臨時仰拱時會增加對圍巖的擾動。經(jīng)過反復(fù)試驗和比對，摸索出了“三臺階四步交錯法”的開挖方法，取得了顯著的成效，在此予以介紹。

2 開挖施工特點

“三臺階四步交錯法”施工工序?qū)㈤_挖斷面分為上、中、下3層臺階，開挖工序如圖1所示。其施工特點為：

圖1 三臺階四步交錯法施工工序

(1)“三臺階四步交錯法”開挖施工是在原三臺階的基礎(chǔ)上將施工順序進(jìn)行了改進(jìn)，將七步開挖改成為四步開挖，不同的臺階和部位相互交錯開挖，平行推進(jìn)。將原來一些先后施工的工序改成同步施工(如將上臺階的支護(hù)和中下層臺階的出碴同步進(jìn)行，將上臺階的噴錨和中下層臺階的支護(hù)同步進(jìn)行),減少了循環(huán)中一些工序占用的時間，工序循環(huán)安排緊密，提高了工作效率，加快了施工進(jìn)度。

(2)“三臺階四步交錯法”施工對開挖斷面進(jìn)行合理布置，合理制定各臺階的高度和長度，適當(dāng)增加了中臺階的長度和中、下臺階左右部分的錯開距離，既能保證安全步距要求和施工安全，又方便了大型機(jī)械作業(yè)。避免了鋼架兩側(cè)拱腳同時懸空和圍巖還未穩(wěn)定就開始進(jìn)行下一級臺階施工，將隧道開挖對圍巖的擾動控制在最小程度，提高了圍巖的穩(wěn)定性。

(3)“三臺階四步交錯法”施工改進(jìn)了作業(yè)方式，將3個臺階的不同部位同步掘進(jìn)，保證了隧道施工安全步距，縮短了從掌子面開挖至初期支護(hù)封閉成環(huán)的時間，提高了施工安全系數(shù)。

(4)“三臺階四步交錯法”施工方法簡便、靈活，在不增加臨時支護(hù)的前提下，通過調(diào)整施工工序，能保證超前小導(dǎo)管、鎖腳錨管的施工質(zhì)量，減小了圍巖裸露時間，提高支護(hù)效率，能在開挖后的第一時間進(jìn)行初期支護(hù)施工，減小了初期支護(hù)拱頂下沉量和拱腳收斂量。

(5)“三臺階四步交錯法”施工可以視實際情況取消核心土，通過制作開挖臺架，極大程度的縮短了開挖爆破作業(yè)時間。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 施工工藝流程

“三臺階四步交錯法”施工工藝流程見圖2。

圖2 施工工藝流程

3.2 施工準(zhǔn)備

3.2.1 合理確定3個臺階的開挖高度

上臺階的開挖高度應(yīng)為隧道開挖跨度的0.3倍左右，中、下臺階各自的開挖高度應(yīng)為隧道總開挖高度(不包括仰拱高度)減去上臺階開挖高度的一半。結(jié)合本工程的具體情況，最終確定上臺階高度3.99 m，中臺階3.20 m，下臺階3.36 m。

3.2.2 合理確定各臺階的開挖長度

影響隧道臺階法開挖的穩(wěn)定性有多種因素，諸如上、中、下斷面和仰拱段的各自長度、臺階高度、支護(hù)參數(shù)、掘進(jìn)進(jìn)尺等等。雖然橫斷面上斷面閉合圍巖會趨于穩(wěn)定，但是從縱斷面角度上看，隧道閉合意味在各個階段(上、中、下層斷面的支護(hù)和仰拱支護(hù))都要完成才能形成閉合的狀態(tài)，如圖3所示。故不能只看開挖橫斷面是否穩(wěn)定，還要從整體上看隧道開挖后的縱斷面是否穩(wěn)定，也就是要認(rèn)真研究隧道開挖的縱斷面結(jié)構(gòu)形式。

圖3 開挖縱斷面(單位：cm)

根據(jù)大量沉降觀測數(shù)據(jù)顯示，上臺階開挖完成后穩(wěn)定期約為4～5 d，中、下臺階開挖完成后穩(wěn)定期約為8～10 d。根據(jù)日進(jìn)尺量確定各層臺階的合理長度為上臺階6 m、中臺階11 m、下臺階18 m。

3.3 第一步、第二步開挖施工

3.3.1 鉆孔、爆破作業(yè)

隧道掘進(jìn)時，上、中、下3層臺階同時開挖，中、下臺階交錯開挖。即上臺階開挖1榀鋼架(掘進(jìn)0.8 m)，中臺階右側(cè)開挖2榀鋼架(掘進(jìn)2×0.8 m)，下臺階左側(cè)開挖2榀鋼架(掘進(jìn)2×0.8 m)；接著是下一循環(huán)上臺階開挖1榀鋼架，中臺階左側(cè)2榀鋼架，下臺階右側(cè)2榀鋼架。

施工過程中可搭設(shè)簡易開挖臺架，配備適量的風(fēng)槍進(jìn)行鉆爆作業(yè)。根據(jù)掌子面圍巖狀況，調(diào)整鉆爆參數(shù)。

3.3.2 上臺階扒碴

鉆爆結(jié)束后挖掘機(jī)先將上臺階殘碴扒至中、下層臺階，殘碴形成緩坡，便于用裝載機(jī)將預(yù)制鋼拱架、鋼筋網(wǎng)片等原材料運(yùn)送至上層臺階。挖掘機(jī)對上臺階工作面清理完畢后，進(jìn)行下一道工序施工。

3.3.3 上臺階支護(hù)安裝

扒碴工作結(jié)束后在上臺階進(jìn)行初期支護(hù)的安裝作業(yè)，挖掘機(jī)在中臺階出碴，裝載機(jī)在下臺階出碴，3個臺階同步進(jìn)行各自的作業(yè)。

上臺階立架結(jié)束后，接入風(fēng)管水管，進(jìn)行系統(tǒng)錨桿、鎖腳錨管和超前小導(dǎo)管施工。待中、下層臺階出碴完成后立架工人開始先后進(jìn)行中、下層臺階的立架作業(yè)。

3.3.4 上層臺階噴錨

上層臺階超前小導(dǎo)管、系統(tǒng)錨桿、鎖腳錨管等支護(hù)施工完成后，用噴錨機(jī)械手對上層臺階進(jìn)行噴錨作業(yè)。此時中層臺階立架作業(yè)已經(jīng)完成，上層臺階的支護(hù)工人開始進(jìn)行中層臺階系統(tǒng)錨桿及鎖腳錨桿施工，中層的立架工人開始進(jìn)行下臺階立架作業(yè)。

上層臺階噴錨完成后，中層臺階同時也完成了系統(tǒng)錨桿及鎖腳錨管的施工，噴錨機(jī)械手接著對中層臺階進(jìn)行噴錨作業(yè)，此時下層臺階開始進(jìn)行系統(tǒng)錨桿及鎖腳錨管施工。中層臺階噴錨完成后，下層臺階系統(tǒng)錨桿及鎖腳錨管的施工也同時完成，開始對下層臺階進(jìn)行噴錨施工作業(yè)。

超前支護(hù)：在拱部和邊墻部位打設(shè)長2.5 m、?42 mm×3.5 mm無縫鋼管制作的注漿小導(dǎo)管，間距0.4 m，外插角1～5°，搭接長度1.7 m，壓注1∶1水泥漿，注漿壓力1.0～1.8 MPa。

初期支護(hù)：Ⅰ20a型鋼分段制作全環(huán)鋼架，間距0.8 m，L=1.3 m、?25 mm螺紋鋼筋做縱向連接鋼筋，間距1 m，交叉布置。分段制作的拱、墻鋼架必須準(zhǔn)確對接，焊接牢固，要及時焊接縱向連接鋼筋，使初支盡早成環(huán)。拱、墻部位鋼筋網(wǎng)用?8 mm鋼筋，間距20 cm×20 cm。系統(tǒng)錨桿：拱部用長4 m、?22 mm組合中空錨桿，邊墻采用長4 m、?22 mm砂漿錨桿，間距均為1.2 m×1.0 m(環(huán)×縱)，壓注1∶1水泥漿，注漿壓力1.0～1.8 MPa。全環(huán)噴射厚度為28 cm的C25混凝土。在每個鋼架接頭處打設(shè)2根長6.0 m、?50 mm×5 mm的注漿鎖腳錨管，鎖腳錨管必須及時打設(shè)，立即壓注1∶1水泥漿，注漿壓力1.0～1.8 MPa，并要立即與鋼架焊接牢固，必要時可加焊鋼筋頭或扁鋼。

隧道初期支護(hù)噴射混凝土作業(yè)應(yīng)使用大型機(jī)械手進(jìn)行濕噴作業(yè)。濕噴作業(yè)具有回彈量小、粉塵小、作業(yè)時間短等優(yōu)點。噴射混凝土作業(yè)時間要與支護(hù)作業(yè)時間相匹配，上、中、下層臺階同步施工，以縮短循環(huán)時間，加快初期支護(hù)施工進(jìn)度。

3.3.5 循環(huán)進(jìn)行第二步開挖作業(yè)

上一循環(huán)完成后以相同的步驟進(jìn)行第二步開挖作業(yè)，即開挖上層臺階+中層臺階左側(cè)+下層臺階右側(cè)施工。

3.4 核心土開挖

根據(jù)臺階長度，核心土開挖每隔2循環(huán)(上臺階進(jìn)尺約1.6 m，中、下臺階進(jìn)尺約3.2 m)開挖一次。鉆爆、出碴作業(yè)與第一、第二步的鉆爆、出碴作業(yè)同步進(jìn)行。

3.5 隧底開挖及支護(hù)

當(dāng)上臺階開挖進(jìn)尺達(dá)到3 m時，進(jìn)行一次隧底開挖，隧底一次開挖長度控制在3 m左右。采用人工配合機(jī)械開挖，人工清底，并及時施作仰拱初支,盡早將初期支護(hù)閉合成環(huán)。根據(jù)《高速鐵路隧道工程施工技術(shù)規(guī)程》中相關(guān)規(guī)定，隧道開挖后初期支護(hù)封閉位置距離掌子面不得大于35 m，所以隧底開挖工序必須及時、連續(xù)。隧底開挖及支護(hù)施工利用仰拱棧橋進(jìn)行，與隧道上、中、下臺階施工互不干擾。

3.6 仰拱和二次襯砌施工

隧底開挖和支護(hù)完成后，及時進(jìn)行仰拱及二次襯砌的施工。根據(jù)《高速鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》和《關(guān)于進(jìn)一步明確軟弱圍巖及不良地質(zhì)鐵路隧道設(shè)計施工有關(guān)技術(shù)規(guī)定的通知》中的相關(guān)要求，Ⅴ級圍巖二襯距離掌子面不得大于70 m，Ⅳ級圍巖二襯距離掌子面不得大于90 m。

4 結(jié)束語

在赤峰至喀左鐵路工程的建平隧道施工過程中，采用“三臺階四步交錯法”開挖施工技術(shù)，順利地完成了大斷面軟弱地層隧道施工，消除了塌方隱患，提高了施工工效，縮短了工期，施工質(zhì)量和施工安全得到了保證，在Ⅴ級圍巖段中取得了月進(jìn)尺71.6 m的好成績，收到了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。“三臺階四步交錯法”開挖施工工法適合在公路、鐵路、高速鐵路大斷面軟弱地層隧道施工中應(yīng)用。