高速鐵路大斷面隧道三臺(tái)階快速施工工法研究

黃 河 付庭茂 鄭燁晨 謝海旺

（中鐵七局集團(tuán)第三工程有限公司，陜西 西安710000）

高速鐵路隧道穿越地層復(fù)雜多變，根據(jù)地質(zhì)條件由好（穩(wěn)定）到差（不穩(wěn)定）變化，常用的開(kāi)挖方法有全斷面法、臺(tái)階法（兩臺(tái)階和三臺(tái)階）、CD 法、CRD 法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法等[1～2]。若從施工速度和工程造價(jià)考慮，施工工法則按上述順序選擇；若從施工安全方面考慮，選擇順序正好相反。CD 法、CRD 法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法將大斷面分割成小塊，施工工序轉(zhuǎn)換復(fù)雜，作業(yè)空間較小，不便于大型施工機(jī)械工作，施工效率較低，且需進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)拆換，存在一定安全隱患，上述方法僅在控制軟弱圍巖變形的特殊情況下選取[3]。臺(tái)階法能夠提供較為寬敞的作業(yè)空間，便于施工機(jī)械發(fā)揮，近年來(lái)在隧道施工中得到廣泛應(yīng)用。陳潔金等[4]基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬方法，對(duì)三臺(tái)階七步法和三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法對(duì)于軟弱圍巖隧道的適用性進(jìn)行了對(duì)比。戴聰[5]等采用三維地質(zhì)力學(xué)模型，研究了三臺(tái)階法、上下臺(tái)階法、上下臺(tái)階預(yù)留核心土法對(duì)高地應(yīng)力場(chǎng)軟巖隧道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

本文以中（衛(wèi)）蘭（州）客專某隧道為工程依托，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖情況及施工技術(shù)條件，基于“及時(shí)支護(hù)、快速封閉成環(huán)”理念，提出一種改進(jìn)的三臺(tái)階工法，即三臺(tái)階三步快速開(kāi)挖工法，對(duì)該工法的施工工藝流程及技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行介紹，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐情況，對(duì)施工工效進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究結(jié)果可為大斷面高速鐵路隧道工程快速施工提供參考。

1 工程概況

中（衛(wèi)）蘭（州）客為銀（川）蘭（州）高速鐵路的重要組成部分，線路自中衛(wèi)市越白銀市平川區(qū)、靖遠(yuǎn)縣、白銀區(qū)進(jìn)蘭州新區(qū)，后由樹(shù)屏站接入蘭州西客站。項(xiàng)目全長(zhǎng)218.49 公里，總投資295.78 億元。

依托隧道工程位于甘肅省白銀市強(qiáng)灣鄉(xiāng)和蘭州市皋蘭縣石洞鎮(zhèn)境內(nèi)，隧道全長(zhǎng)4578m。隧道為雙線鐵路隧道，馬蹄形斷面，設(shè)計(jì)時(shí)速為250km/h，開(kāi)挖斷面面積約150m2，最大埋深約206m，洞內(nèi)縱坡為8‰/4205m 和-6‰/373m 人字坡。隧道洞口段穿越第四系全新統(tǒng)坡積（Q4dl）細(xì)角礫土、上更新統(tǒng)風(fēng)積層（Q3eol）砂質(zhì)黃土。隧道洞身段穿越前寒武系皋蘭群片巖，呈鱗片狀變晶結(jié)構(gòu)，片理構(gòu)造，節(jié)理較發(fā)育，巖性發(fā)育不均，呈強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化狀態(tài)巖體呈碎石狀壓碎結(jié)構(gòu)，易塌方掉塊。隧道按噴錨構(gòu)筑法技術(shù)要求設(shè)計(jì)，圍巖分級(jí)為Ⅲ～Ⅴ級(jí)。隧道進(jìn)口及出口采用帽檐斜切式洞門+明洞襯砌，暗洞采用復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)采用C25 噴射混凝土+鋼筋網(wǎng)+錨桿+鋼架，二次襯砌采用C35 鋼筋混凝土。

2 三臺(tái)階快速開(kāi)挖工法

根據(jù)前期地勘資料及現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖揭示情況，地層巖性、巖層構(gòu)造及風(fēng)化程度差異性較大。片巖多呈厚層狀及塊狀結(jié)構(gòu)，局部夾雜薄層裂隙結(jié)構(gòu)（IV 級(jí)、V 級(jí)），地下水不發(fā)育，巖體較為干燥，具有一定的自穩(wěn)能力。因此隧道施工優(yōu)先選用三臺(tái)階法，但傳統(tǒng)三臺(tái)階法仰拱最后進(jìn)行爆破開(kāi)挖，對(duì)圍巖產(chǎn)生額外動(dòng)力擾動(dòng)，初期支護(hù)不能及時(shí)封閉成環(huán)，增加一道通風(fēng)除塵出渣工序，施工效率較低。為此，結(jié)合本工程地質(zhì)條件，提出改進(jìn)的三臺(tái)階快速開(kāi)挖工法，對(duì)該方法的施工流程及主要技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行介紹。

2.1 施工流程

該工法基于“快挖快支、及時(shí)封閉”理念，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中將隧道斷面分為上臺(tái)階、中臺(tái)階、下臺(tái)階，三個(gè)開(kāi)挖作業(yè)面同步進(jìn)行施工。中、下臺(tái)階采用左右側(cè)對(duì)稱開(kāi)挖，以利于減少臺(tái)階長(zhǎng)度，下臺(tái)階與仰拱一次開(kāi)挖成型，減少分部多次開(kāi)挖對(duì)圍巖擾動(dòng)，縮短初期支護(hù)全環(huán)封閉時(shí)間。該工法施工工序如圖1 所示。

圖1 三臺(tái)階快速開(kāi)挖法施工工序

該工法施工流程如下：（1）圍巖信息判釋：利用掌子面素描、加深炮孔、紅外探水、TSP 等進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，結(jié)合上循環(huán)開(kāi)挖地質(zhì)情況、監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)確定或調(diào)整支護(hù)參數(shù)；（2）測(cè)量放線：每一循環(huán)測(cè)放出開(kāi)挖輪廓線、開(kāi)挖斷面中線、高程，保證開(kāi)挖高程、隧道輪廓線符合設(shè)計(jì)要求；（3）開(kāi)挖出渣：同步開(kāi)挖上臺(tái)階、中臺(tái)階、下臺(tái)階，進(jìn)行出渣作業(yè)，隧底渣土在隧道一側(cè)堆存?zhèn)溆?；?）上臺(tái)階、中臺(tái)階、下臺(tái)階及仰拱進(jìn)行鋼架、鋼筋網(wǎng)、連接筋等部件安裝。上臺(tái)階鋼架安裝完成后在需要施作超前小導(dǎo)管位置結(jié)合鋼架施作拱部超前小導(dǎo)管，各臺(tái)階施工的底腳部位設(shè)置鎖腳錨管；（5）濕噴機(jī)噴射混凝土作業(yè)，按照“仰拱→下臺(tái)階→中臺(tái)階→上臺(tái)階”的順序進(jìn)行噴射混凝土作業(yè)。噴射混凝土施工作業(yè)完成后用臨時(shí)堆存的渣土將仰拱初支回填，以保證前方掌子面連續(xù)作業(yè)。（6）監(jiān)控量測(cè)：按設(shè)計(jì)、規(guī)范要求，進(jìn)行圍巖監(jiān)測(cè)，及時(shí)反饋數(shù)據(jù)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

2.2 技術(shù)要點(diǎn)

（1）洞身爆破開(kāi)挖技術(shù)是保證初支施工質(zhì)量的重要前提，現(xiàn)場(chǎng)采用光面爆破技術(shù)，根據(jù)掌子面地層情況合理調(diào)整爆破參數(shù)，控制超欠挖量。

（2）施工過(guò)程中執(zhí)行鋼架緊跟掌子面、初期支護(hù)及時(shí)封閉成環(huán)緊跟下臺(tái)階的“兩緊跟”措施，同時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行上臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)循環(huán)進(jìn)尺1～3 榀鋼架間距，中臺(tái)階及下臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)循環(huán)進(jìn)尺2～3 榀鋼架間距。初期支護(hù)封閉成環(huán)距離掌子面不大于25m，仰拱及填充距離掌子面不大于85m，二次襯砌距離掌子面距離145m。

（3）中、下臺(tái)階施工時(shí)，采用左右側(cè)對(duì)稱開(kāi)挖支護(hù)，此時(shí)鎖腳錨管打設(shè)以及與鋼拱架聯(lián)結(jié)的質(zhì)量是關(guān)鍵。

（4）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)投入的挖掘機(jī)、濕噴機(jī)械手、簡(jiǎn)易開(kāi)挖臺(tái)架等機(jī)械設(shè)備情況，合理確定臺(tái)階長(zhǎng)度、臺(tái)階高度。一般情況上、中臺(tái)階長(zhǎng)度控制在4～6m，下臺(tái)階距仰拱封閉成環(huán)的長(zhǎng)度宜控制在10～15m。

3 現(xiàn)場(chǎng)施工效果分析

在依托隧道里程DK203+425～DK203+828 段進(jìn)行三臺(tái)階三步快速開(kāi)挖工法現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，該區(qū)段圍巖級(jí)別為IV 級(jí)和V 級(jí)。每循環(huán)進(jìn)尺均按照2 榀鋼拱架間距（IV 級(jí)圍巖為2m，V 級(jí)圍巖為1.2m）設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)施工統(tǒng)計(jì)每循環(huán)所需工時(shí)如表1 所示?？梢钥闯?，IV 級(jí)圍巖、V 級(jí)圍巖每循環(huán)所需工時(shí)均較短，特別是對(duì)于穩(wěn)定性較差的V 級(jí)圍巖，縮短開(kāi)挖支護(hù)時(shí)間有利于隧道施工安全。

表1 三臺(tái)階快速開(kāi)挖法每循環(huán)所需工時(shí)

圖2 為不同施工工法施工進(jìn)度對(duì)比柱狀圖，圖中CD 法數(shù)據(jù)參照國(guó)內(nèi)類似工程經(jīng)驗(yàn)，傳統(tǒng)三臺(tái)階法為本隧道工程數(shù)據(jù)，可以看出，臺(tái)階法相比CD 法能大幅度提升施工效率。按照現(xiàn)場(chǎng)三臺(tái)階總長(zhǎng)25m 計(jì)算，IV 級(jí)圍巖開(kāi)挖進(jìn)度約90m/月，比傳統(tǒng)三臺(tái)階法（65m/月）提高了約38%；V 級(jí)圍巖開(kāi)挖進(jìn)度約60m/月，比傳統(tǒng)三臺(tái)階法（45m/月）提高了約33%，施工效率提升較為顯著。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，在初期支護(hù)全斷面封閉成環(huán)的條件下，仰拱及仰拱填充每循環(huán)可施工12m 長(zhǎng)度，施工進(jìn)度大大提高，滿足設(shè)計(jì)“三縫合一”的要求。同時(shí)，隧道內(nèi)多臺(tái)機(jī)械，多個(gè)工作面同時(shí)作業(yè)，標(biāo)準(zhǔn)化施工水平大幅提高，洞內(nèi)環(huán)境顯著改善，以往隧道掌子面環(huán)境的“臟、亂、差”問(wèn)題基本解決，不必為了迎接檢查而調(diào)整工序、停工整理。

圖2 不同施工工法施工進(jìn)度柱狀圖（m/月）

4 結(jié)論

本文基于“及時(shí)支護(hù)、快速封閉成環(huán)”理念，提出三臺(tái)階三步快速開(kāi)挖工法，該工法工序簡(jiǎn)單，中下臺(tái)階左右對(duì)稱開(kāi)挖，下臺(tái)階與仰拱同步開(kāi)挖，多臺(tái)階同時(shí)施工，克服了三臺(tái)階法、中隔壁法（CD 法）、交叉中隔壁法（CRD 法）等傳統(tǒng)工法開(kāi)挖多次擾動(dòng)圍巖、臨時(shí)支撐體系拆除危險(xiǎn)、初支閉合時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐表明，該工法可提高隧道施工機(jī)械化水平，改善洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境，施工效率顯著提高，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。