三臺階機械開挖技術在隧道工程中的應用

陳利萍

（江西交通工程集團有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

三臺階機械開挖技術作為隧道工程中常用的一種技術，具備施工方便，能夠根據(jù)地質變化情況調節(jié)施工工具以及方法，同時還能夠實現(xiàn)多跨度、多斷面施工等特點，對提高隧道工程的建設質量有著很重要幫助。因此，對三臺階機械開挖技術要點進行分析，掌握技術的工藝流程，對推動隧道工程的開展有著積極作用。

1 三臺階機械開挖技術的特點

三臺階機械開挖技術主要的施工機械是三臺階開挖機械，基本工作模式是按照上、中、下三個臺階進行，每個部分和開挖隧道支護結構縱向交錯設置，采取平行推進的施工方式。三臺階機械開挖技術在公路大斷面施工中有著極為重要的作用，完全可以滿足多種不同條件下地段隧道的開挖施工作業(yè)。經過實踐經驗分析，該方式具備如下特點：其一，施工空間大，機械作業(yè)更加方便，可以采取多平面平行作業(yè)的方式。應用在軟巖結構中，通過使用懸臂掘進機、液壓鷹嘴鉤等設備進行，開挖效果更好，超挖、欠挖的控制效果更好，施工效率也比較高。其二，地質發(fā)生變化后，可以及時調整施工工藝的順序和方法，在頂部圍巖穩(wěn)定性不足的情況下，可以在現(xiàn)場設置豎向臨時支撐，并且分為左右兩個洞室進行施工，從而防止開挖面積過大而產生失穩(wěn)的問題，提高作業(yè)施工效果。其三，在多種跨度、斷面中都可以應用，初期支護操作更加方便，施工效率更高。其四，圍巖如果發(fā)生變形或者存在突變的情況，在確保安全以及凈空尺寸下，能夠縮短閉合的時間，安裝效果也會提高。其五，現(xiàn)場開挖施工速度快，不會對圍巖造成過大擾動?，F(xiàn)場人員數(shù)量少，經濟效益明顯[1]。

2 隧道臺階開挖技術施工的條件及要求

2.1 隧道臺階開挖技術的適用條件

隧道臺階開挖技術在施工中先進行上半斷面的開挖施工，在達到特定長度后，同時開挖下半斷面，實現(xiàn)上下斷面同時開挖作業(yè)。根據(jù)臺階的尺寸差異，可以分為長臺階、短臺階、超短臺階等幾種，根據(jù)不同情況選擇合適的臺階尺寸。近年來大斷面隧道設計和施工出現(xiàn)多種方法，如臨時仰拱法、多臺階法等。對于不同方法的選擇，應遵循如下原則：

其一，初期支護后形成閉合斷面的時間要求，圍巖越差，則時間越短；

其二，上斷面現(xiàn)場作業(yè)環(huán)節(jié)的開挖、支護、出渣等機械設備的場地空間。

在軟弱圍巖施工中，要充分考慮多個方面的因素，以達到工程安全性的標準。在圍巖條件較好的情況下，要從提升機械效率的角度出發(fā)，符合工程經濟性與安全性的要求，如果不能完全兼顧，應以保證現(xiàn)場施工效果與安全為準。

2.2 隧道臺階開挖技術的要求

隧道臺階開挖技術施工空間比較富裕，同時也能提高施工速度，但是上、下臺階存在干擾，且臺階開挖會影響圍巖結構的穩(wěn)定性，臺階開挖技術有利于開挖面的穩(wěn)定。特別是在上部開挖支護結束后，下部進行作業(yè)施工的安全性較高，但是也要考慮到開挖環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性影響。具體來說，開挖階段要注意下述幾個方面：

其一，避免上、下斷面在施工中出現(xiàn)干擾性問題。超短臺階通常按照一個斷面的形式開展掘進施工；長臺階的施工作業(yè)長度較大，所產生的影響也比較?。欢膛_階在現(xiàn)場開挖中，會產生較大的干擾和影響，所以現(xiàn)場組織施工必須提起足夠的重視。對于比較短的隧道項目來說，在上半斷面貫通之后，才能開始下半斷面的開挖施工。

其二，在下部開挖作業(yè)的過程中，要確保上部穩(wěn)定性不會受到影響。如果圍巖非常穩(wěn)定，則可以按照分段開挖方式施工；如果圍巖穩(wěn)定性不足，需要減小掘進的尺寸；如果圍巖穩(wěn)定性極差，則應左右交錯施工，以免造成結構嚴重損壞[2]。

其三，在下部的邊墻結構開挖施工中，要及時噴射混凝土，并做好初期支護作業(yè)。

其四，及時進行現(xiàn)場測量工作。觀察拱頂?shù)那闆r，拱腳以及邊墻的中部位移參數(shù)要符合要求，在出現(xiàn)速率突然升高時，及時實施仰拱封閉。

3 開挖前超前支護施工

3.1 超前小導管支護

超前小導管對于提高圍巖結構的穩(wěn)定性產生直接的影響。通常在現(xiàn)場選擇應用φ42mm×4mm 的熱軋無縫鋼管制作，長度結合現(xiàn)場具體情況確定。鋼管采用環(huán)向分布方式設置，間隔距離為40cm，外插角為10～15°即可。在管道中間部位，進行鉆孔作業(yè)，孔徑為6mm，間隔距離15cm，以確保注漿施工順利進行。導管安裝后及時注漿加固，壓力保持在0.5～1MPa，施工現(xiàn)場如圖1 所示。

圖1 超前小導管支護現(xiàn)場

3.2 制作小導管

在施工現(xiàn)場內，應用小導管切割孔成型自動化生產線進行加工，以確保小導管的尺寸與規(guī)格符合要求。導管的規(guī)格為φ42mm 鋼管，頭部制作為錐形，尾部焊接加勁箍，提高結構的強度。在管身間隔10～20cm 鉆孔，直徑6mm，采取梅花形的方式布置。

3.3 超前小導管安裝

在現(xiàn)場施工環(huán)節(jié)，應用YT-28 型風動鑿巖機進行鉆孔作業(yè)。在鉆孔前先測量放樣，保證孔位精度合格，符合設計標準要求，提高注漿施工的質量水平。根據(jù)設計方案配制漿液，調試注漿機設備，并落實壓水試驗，檢查機械設備是否處于正常的工作狀態(tài)下，管道連接是否牢固、可靠。小導管安裝工作結束后，對管口封閉處理，預防出現(xiàn)雜質進入內部而影響注漿效果。

3.4 超前小導管注漿

小導管安裝完成之后，應用錨固劑封閉處理，并在表面噴射混凝土；通過注漿泵開始注漿施工，管道連接效果合格，調整壓力為0.45～1.05MPa。水泥漿水灰比1∶1，水泥標號42.5R。各項準備工作結束后，立即開啟注漿泵進行施工。加強現(xiàn)場觀察和控制，同時組織人員進行質量監(jiān)督與檢查。對注漿量加強監(jiān)控，達到超前加固的效果。在注漿現(xiàn)場施工中，不能隨意進行漿液的攪動，防止出現(xiàn)沉淀分層的問題，造成漿液質量發(fā)生變化。總之，嚴格控制注漿作業(yè)，全面管控注漿量與壓力，提高工程質量水平。

4 三臺階機械開挖技術施工工藝

4.1 施工準備

現(xiàn)場施工作業(yè)之前，先進行技術交底，加強人員崗位培訓和教育，使其掌握先進的科學技術，有足夠的經驗，對于超欠挖、突發(fā)情況有足夠的處置能力，能勝任崗位工作。隧道進洞前，根據(jù)設計方案進行截排水系統(tǒng)、邊仰坡防護、洞口大管棚處理等，從而到達進洞的安全性。

4.2 工藝流程

三臺階機械開挖技術的工藝流程如下：第一，上臺階懸臂式掘進機開挖作業(yè)，同時進行拱部初期結構的支護施工。第二，中、下臺階左右交錯設置液壓鷹嘴鉤開挖施工，并且進行初期支護施工。第三，遂底仰拱液壓鷹嘴鉤開挖施工，進行初期支護施工。每一次開挖施工結束后，立即進行支護處理，并且在支護后及時進行仰拱、二襯施工，并落實封閉處理[3]。

4.3 三臺階機械開挖

上臺階應用懸臂式掘進機開挖作業(yè)，該設備的工作方式是截割，從底部開始進行作業(yè)，然后按照S 形或者Z 形循環(huán)截割作業(yè)，直到整個結構全部施工結束。中、下臺階采用液壓鷹嘴鉤開挖施工。將上述各個環(huán)節(jié)開挖后的渣土，通過自卸車運輸?shù)揭?guī)定部位。三個臺階應用平行開挖作業(yè)方式，并進行初期支護的施工，每個部分相互銜接緊密，封閉成環(huán)形。仰拱緊隨下臺階施工，封閉結構，組合形成穩(wěn)定的體系。在現(xiàn)場施工中，進行監(jiān)控測量作業(yè)，了解現(xiàn)場支護、圍巖的具體情況，并進行參數(shù)的調節(jié)，達到工程安全性的要求。根據(jù)需要，設置防排水體系，防止損壞工程結構。

4.3.1 上臺階開挖

上臺階開挖需要在拱部超前支護施工后實施，開挖循環(huán)進尺根據(jù)圍巖等級、初期支護鋼架結構間隔距離設定，從而滿足現(xiàn)場開挖作業(yè)要求，且不會導致安全事故。在上臺階的開挖中，其矢跨比超過0.25，結合該隧道工程特點以及設備作業(yè)數(shù)據(jù)，主洞上臺階高度按照5m 進行施工。掘進設備的性能與參數(shù)符合要求，落實現(xiàn)場管理與控制措施，并應用自卸車完成運輸作業(yè)，從而提高上臺階的開挖效果，一般上臺階開挖長度達到20m 即可。開挖施工結束后，立即開始噴、錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護作業(yè)，設置鋼架結構，在鋼架拱腳以上30cm 的高度，緊貼鋼架兩側沿著下部傾角30°設置鎖腳錨桿，并且與錨架穩(wěn)定連接，再進行噴射混凝土施工，達到設計標準[4]。

4.3.2 縱向通道開挖

上臺階開挖達到20m 之后，開始進行中、下臺階的開挖施工。為了使掘進機出渣有足夠的距離，設置縱向通道的形式，采取縱挖的方式，坡度控制在18%以內。兩側的坡度結合實際情況確定，符合地質條件的要求，且該項目設計為粉砂質泥巖隧道，自穩(wěn)性良好，坡比按照1∶0.75 設置。邊坡同為人工刷坡的作業(yè)方式，將現(xiàn)場散落的碎石清理干凈，并噴射3～5cm 厚度的混凝土。

4.3.3 中臺階開挖

將上臺階開挖到規(guī)定尺寸，形成縱向通道后，開始進行中臺階開挖施工。在現(xiàn)場施工中，應用液壓鷹嘴鉤+析挖機的開挖作業(yè)方式，用反鏟挖掘自卸車完成出渣作業(yè)。

4.3.4 下臺階開挖

下臺階開挖應該在上臺階支護結束后，確?；炷翉姸确显O計標準70%后開始進行。下臺階開挖高度按照仰拱、仰拱回填高程、棧橋等確定底部高程參數(shù)，一般控制在3.5m 以內即可。施工現(xiàn)場見圖2。

圖2 開挖施工現(xiàn)場

4.3.5 隧底開挖

經地質條件分析，隧底為泥巖，有部分礫巖材料，使用液壓鷹嘴鉤方式開挖作業(yè)，長度6m 為一個整體結構。開挖后，立即采取支護施工，提高結構的穩(wěn)定性。

5 施工質量控制

5.1 超欠挖的控制措施

其一，通過新奧法開展現(xiàn)場施工，提高結構的施工強度和性能，確保工程的質量效果合格。其二，加強測量檢測，提高精度水平，減小放樣誤差，從而實現(xiàn)超欠挖的控制。其三，落實人員培訓和教育措施，提升專業(yè)技術水平，保持良好的工作習慣，提高專業(yè)技能水平。其四，現(xiàn)場預留輪廓為30～50cm，并且實施二次銑挖作業(yè)。

5.2 地下水及施工用水的控制措施

在軟巖隧道中，水的影響作用巨大，尤其是在工字鋼拱腳軟化后，初支的穩(wěn)定性大幅度下降。軟巖隧道要落實現(xiàn)場水源的控制，在兩側布置縱向排水溝設施，滲水以及裂隙水通過排水溝匯集到洞口集水坑抽排處理。利用PVC 管道排放水，將其引入兩側的排水溝，以免對隧道施工產生不利的影響。

5.3 粉塵及環(huán)水保的控制措施

在檢測開挖作業(yè)環(huán)節(jié)，掘進機工作會產生較多的粉塵，為現(xiàn)場施工帶來不利影響，造成超欠挖的問題。因此，需要制定切實可行的防粉塵措施。在該工程中，現(xiàn)場施工應用抽出式+壓入式通風降塵的效果，將粉塵及時排出去，防止對現(xiàn)場產生影響。同時，在現(xiàn)場設置噴霧設備，進行噴淋降塵處理，用過濾設備將顆粒物清除干凈，避免造成影響[5]。此外，利用設備進行抽排處理，避免出現(xiàn)現(xiàn)場灰塵堆積或者污水淤積的情況，導致安全性不足。

6 結語

三臺階機械開挖技術在某些穩(wěn)定性較高的軟巖隧道內施工具有非常大的優(yōu)勢，通過超前地質預報、監(jiān)控量測等措施，指導機械開挖作業(yè)的順利進行，不會對圍巖造成過大的擾動。為保障結構的穩(wěn)定性，要加強三臺階機械開挖技術研發(fā)，不斷提高技術水平，為隧道項目施工建設奠定基礎。