謝偉

【摘要】隧道工程建設(shè)中，軟弱圍巖隧道要穿越節(jié)理發(fā)育、圍巖完整性差、圍巖破碎的復(fù)雜地質(zhì)，針對(duì)這一問(wèn)題，在經(jīng)過(guò)隧道建設(shè)者們長(zhǎng)期的施工實(shí)踐和不斷總結(jié)后，形成了大拱腳臺(tái)階法這一施工技術(shù)，保證了隧道工程質(zhì)量和安全。文章對(duì)大拱腳臺(tái)階法工藝流程、施工工藝、操作要點(diǎn)、施工質(zhì)量控制要求進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述，以期為工程實(shí)踐提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】軟弱圍巖隧道；大拱腳臺(tái)階法；施工技術(shù)

1.前言

近年來(lái)，國(guó)家加大了交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，特大長(zhǎng)隧道、軟弱圍巖斷面的隧道相繼出在山嶺地區(qū)現(xiàn)，特別是對(duì)于隧道Ⅴ、Ⅳ級(jí)圍巖來(lái)說(shuō)，施工難度大，而以往采用的傳統(tǒng)礦山法中的三臺(tái)階法、預(yù)留核心土法難以滿足施工安全要求，而CD法、CRD法又因施工復(fù)雜、速度慢常常無(wú)法滿足施工進(jìn)度要求。因此，我們需要研究出一種適用于軟弱圍巖隧道施工的施工工藝，即要求工藝成熟、又要便于操作，來(lái)滿足隧道施工的需要。大拱腳臺(tái)階法在大斷面軟弱圍巖隧道上的成功應(yīng)用，這種技術(shù)也在實(shí)踐中不斷完善，給隧道工程建設(shè)帶來(lái)了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。神華集團(tuán)的大準(zhǔn)鐵路增二線井溝1#隧道，全長(zhǎng)465m，為雙線隧道，隧道圍巖主要為Ⅳ、Ⅴ級(jí)泥灰?guī)r、新黃土，弱膨脹性，自穩(wěn)性極差，對(duì)新黃土及泥灰?guī)r地段采用了大拱腳臺(tái)階法施工，順利、快速通過(guò)了該段軟弱圍巖地段。

2.大拱腳臺(tái)階法概述

2.1 工藝原理

大拱腳臺(tái)階法是將隧道開挖支護(hù)作業(yè)面分為6個(gè)階段施工同時(shí)施工、同時(shí)支護(hù)形成穩(wěn)固支護(hù)整體，逐步向前掘進(jìn)的施工工藝。這種施工工藝的基本原理是將三臺(tái)階施工法的進(jìn)一步優(yōu)化，并借鑒了部分預(yù)留核心土的施工原理，符合隧道新奧法施工對(duì)圍巖變形控制的原理。大拱腳臺(tái)階法施工可以減少三臺(tái)階分步開挖的次數(shù)，能及時(shí)將初期支護(hù)封閉，同時(shí)因?yàn)楣安考皶r(shí)成環(huán)，使邊墻初期支護(hù)能盡早完成，利于控制變形，提高了施工過(guò)程中的安全性。針對(duì)隧道軟弱圍巖承載力不足，大拱腳的精髓就是可通過(guò)擴(kuò)大臺(tái)階鋼架拱腳的受力面積措施來(lái)增大承載力。

采用MIDAS 軟件計(jì)算對(duì)井溝1#隧道新黃土地質(zhì)進(jìn)行受力驗(yàn)算，新黃土采用密度15.2KN/m3，彈性模量e=1.03+e5，泊松比0.3；模型建立采用上部開挖、初期支護(hù)硬化后計(jì)算鋼架底部受力。因?yàn)楫?dāng)上部開挖支護(hù)后進(jìn)行下部開挖時(shí)最容易發(fā)生塌方，此時(shí)采用采用大拱腳進(jìn)行對(duì)鋼架底部加固，防止塌方。應(yīng)力如圖1所示，通過(guò)軟件計(jì)算結(jié)果可知，上拱鋼架底部受力最大，左側(cè)約102KN，右側(cè)約99KN，如不采取加固措施，在下臺(tái)階開挖時(shí)上拱部初期支護(hù)極易變形、坍塌。

圖1 隧道拱部受力圖

2.2工藝優(yōu)勢(shì)

（1）快速便捷。與其他開挖方法相比，大拱腳臺(tái)階法可以使各個(gè)作業(yè)面平行作業(yè)，避免了預(yù)留核心土操作空間小，開挖慢的缺陷。不需要臨時(shí)支護(hù)，滿足機(jī)械化施工的要求。

（2）適應(yīng)性高。如出現(xiàn)軟硬圍巖變化、圍巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變等情況時(shí)，可以較為迅速的轉(zhuǎn)換為CD法或CRD法等其他工法進(jìn)行施工。

（3）更安全。大拱腳臺(tái)階法沒(méi)有臨時(shí)支撐或支護(hù)，與CD法或CRD法對(duì)比，避免了拆除臨時(shí)支護(hù)的安全隱患，有效降低了風(fēng)險(xiǎn)。

（4）節(jié)約成本。與傳統(tǒng)施工方法相比，大拱腳施工方法的材料、設(shè)備均為隧道施工常用材料、設(shè)備，便于采購(gòu)，成本低廉，這樣大大節(jié)約了施工成本。

（5）工效快。由于大拱腳臺(tái)階法平行作業(yè)，使前期作業(yè)時(shí)間提前，加快了施工進(jìn)度，縮短施工時(shí)間。

2.3工藝適用范圍

（1）一般適用于Ⅳ、Ⅴ級(jí)軟弱圍巖大斷面隧道、淺埋以及深埋的地質(zhì)情況較好的大斷面隧道。

（2）另外對(duì)于低風(fēng)險(xiǎn)、低濃度瓦斯隧道， 也可應(yīng)用。

3.大拱腳臺(tái)階法開挖工序說(shuō)明

隧道開挖分步工藝見(jiàn)圖2。

（1）利用上一循環(huán)架立的鋼架，施作隧道拱部?42mm超前小導(dǎo)管，小導(dǎo)管長(zhǎng)3.5m，重疊2m，然后在拱部超前支護(hù)后進(jìn)行上部弧形導(dǎo)坑的環(huán)形開挖，預(yù)留長(zhǎng)度為3～5m，寬度為隧道開挖寬度的1/3到1/2之間的核心土。開挖后立即施作上部初期支護(hù)，具體做法：先噴射4cm厚的混凝土，上面掛鋼筋網(wǎng)，并架設(shè)鋼架，然后人工開挖施作大拱腳系統(tǒng)支護(hù)，同時(shí)注意在鋼架兩側(cè)邊沿45度傾角設(shè)鎖腳錨桿，將鎖腳錨桿與鋼架焊牢，施工置徑向錨桿后再次噴射混凝土至設(shè)計(jì)厚度。開挖循環(huán)進(jìn)尺為一榀鋼架，間距0.8m。

（2）在滯后部位約3～5 m后，進(jìn)行左側(cè)部中臺(tái)階的開挖。開挖高度一般為3.5～4m，按初期支護(hù)鋼架間距確定。開挖后立即施作下部初期支護(hù)，具體做法同上部初期支護(hù)的施作。

（3）在滯后部位約2～3m后，進(jìn)行右側(cè)部中臺(tái)階的開挖，右側(cè)部中臺(tái)階的開挖支護(hù)方式同左側(cè)部中臺(tái)階。

（4）見(jiàn)圖2，開挖上臺(tái)階④部位、中臺(tái)階⑤部位，在滯后部位約3～4m后，依次進(jìn)行上臺(tái)階④部位、中臺(tái)階⑤部位的開挖，開挖進(jìn)尺與臺(tái)階循環(huán)進(jìn)尺一致。

（5）見(jiàn)圖2，開挖隧底⑥部位，在滯后⑤部位約4～5m后，開挖⑥部位剩余部分，開挖后先噴4cm厚混凝土，安裝仰拱鋼架，將仰拱鋼架與左右側(cè)落地鋼架連接牢固，再次噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。為了不影響車輛進(jìn)出，應(yīng)及時(shí)施作仰拱并進(jìn)行仰拱回填，仰拱分段開挖長(zhǎng)度一般3榀拱架。

（a）大拱腳臺(tái)階法施工工序橫斷面

（b）大拱腳臺(tái)階法施工工序縱斷面

圖2 大拱腳臺(tái)階法開挖分步工藝

大拱腳臺(tái)階法初期支護(hù)施工工藝流程見(jiàn)圖3

圖3 大拱腳臺(tái)階法初期支護(hù)施工工藝流程

4.操作要點(diǎn)

采用大拱腳臺(tái)階法進(jìn)行開挖前，必須先進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，本隧道因無(wú)地下水，采用TSP203長(zhǎng)距離物探法配合超前水平鉆孔進(jìn)行預(yù)報(bào)即可，石質(zhì)地段采用弱爆破，新黃土地質(zhì)采用小型機(jī)械開挖，并加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)。為使鋼架基礎(chǔ)穩(wěn)定性得到保證，臺(tái)階長(zhǎng)度應(yīng)盡量縮短，同時(shí)在不同工序交接部位，應(yīng)立即在末端施作鎖腳錨桿。為了使?jié)M足要求的支護(hù)體系及時(shí)形成，初期支護(hù)要快速封閉，仰拱和襯砌也要同步作業(yè)。

4.1超前小導(dǎo)管施作

超前小導(dǎo)管一般采用的是熱軋無(wú)縫鋼管，鋼管直徑42mm、長(zhǎng)3.5m、壁厚3.5mm，環(huán)向間距在30到50cm之間，搭接長(zhǎng)度≥1m。鉆孔的外向插入角度在10°到 12°之間，根據(jù)具體施工作業(yè)要求可略微調(diào)整，鉆孔直徑≧45mm，鉆孔方向應(yīng)平順并與圍巖保持垂直。超前小導(dǎo)管施作位置見(jiàn)圖2（a）①部位，總數(shù)目有38根。

4.2臺(tái)階的開挖

臺(tái)階開挖前要先進(jìn)行輪廓線的放樣，具體是依據(jù)開挖的尺寸和形狀按設(shè)計(jì)規(guī)范要求來(lái)確定。同時(shí)為了避免因圍巖的實(shí)際變形量超過(guò)預(yù)留變形量而導(dǎo)致的初期支護(hù)的侵限，在隧道周邊應(yīng)預(yù)留變形量，變形量大小依隧道圍巖的地質(zhì)條件而定。

4.3混凝土的第一次噴射

混凝土的第一次噴射應(yīng)在開挖后及時(shí)進(jìn)行。采用高壓風(fēng)將整個(gè)巖面吹干凈，并設(shè)控制標(biāo)尺來(lái)控制噴射混凝土厚度，如工作面上出現(xiàn)滲水，應(yīng)埋設(shè)盲管做好引排水。噴砼作業(yè)時(shí)應(yīng)從拱腳自下而上進(jìn)行噴射，避免上部噴射回彈。噴嘴與受噴巖面之間的距離保持在1到2米，噴嘴與受噴的巖面應(yīng)垂直。

4.4鋼筋網(wǎng)和系統(tǒng)錨桿施作

鋼筋網(wǎng)制作材料根據(jù)設(shè)計(jì)要求一般為直徑8mm的HPB235圓鋼，網(wǎng)格尺寸為15 cm×15cm，搭接長(zhǎng)度為1到 2個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)片之間采用點(diǎn)焊或綁扎連接，鋼筋保護(hù)層厚度≧4 cm。徑向錨桿應(yīng)在第一次噴射混凝土后及時(shí)進(jìn)行施作，錨桿要在末端鋪設(shè)墊板，并與鋼筋網(wǎng)牢固連接。系統(tǒng)錨桿的設(shè)置在拱部，設(shè)計(jì)采用帶排氣裝置的中空注漿錨桿，邊墻采用直徑22mm，長(zhǎng)4 m的砂漿錨桿。

4.5 鋼架安裝

鋼架安裝前必須先清除拱腳雜物，保證鋼架底腳落在牢固地基上。鋼架架設(shè)前均應(yīng)預(yù)先設(shè)好定位系筋，以確保鋼架位置準(zhǔn)確安設(shè)，系筋一端錨入圍巖并用砂漿錨固，另一端與鋼架焊接。鋼架拼裝時(shí)，鋼架間的連接板螺栓必須密貼連接，鋼架連接不得焊接。初期支護(hù)時(shí)采用I20a型鋼鋼架，相鄰鋼架采用HRB400直徑22mm鋼筋進(jìn)行橫向連接，間距1m，縱向間距為每榀0.8m，斜向內(nèi)側(cè)布置。進(jìn)行隧道上部弧形導(dǎo)坑開挖時(shí)，先預(yù)留安裝大拱腳鋼架的支撐凹槽，預(yù)留位置在大拱腳連接板處。然后進(jìn)行大拱腳系統(tǒng)支護(hù)施作，同時(shí)在鋼架兩側(cè)邊沿45度傾角設(shè)長(zhǎng)4m的鎖腳錨桿，每環(huán)設(shè)8根，牢固焊接鎖腳錨桿與鋼架，增加拱腳的支撐力。

4.6混凝土的第二次噴射

鋼架安裝完成后，再次進(jìn)行混凝土噴射至設(shè)計(jì)厚度。同初噴混凝土?xí)r一樣，首先將設(shè)計(jì)厚度標(biāo)記出來(lái)。厚度標(biāo)記可利用錨桿外露長(zhǎng)度部件或是在鋼拱架上焊接標(biāo)注刻度的短鋼筋。每層混凝土噴射厚度宜在5到6cm之間，一次噴射厚度過(guò)大會(huì)削弱顆粒間的凝聚力，導(dǎo)致噴層脫落或使噴層與圍巖面產(chǎn)生空隙；厚度過(guò)小則會(huì)使粗骨料彈回。噴射拱部時(shí)一般每層5～6cm，時(shí)間間隔為15～ 20m in。噴射作業(yè)應(yīng)分片進(jìn)行，這樣可以保證質(zhì)量并提高功效。為避免回彈物附著在未進(jìn)行噴射巖面上而影響粘結(jié)力，應(yīng)按照由下而上呈“S”形方式噴射；進(jìn)行噴射前先找平初噴面的凹處，然后將噴頭成螺旋形均勻緩慢移動(dòng)，以確?；炷帘砻嫫巾?、疏松且無(wú)空鼓裂縫，平整度符合標(biāo)準(zhǔn)。

4.7仰拱施作

采用全幅分段施工進(jìn)行隧道底部開挖時(shí)，隧道底部上方鋪設(shè)長(zhǎng)16～18m，單幅寬1.2m的仰拱棧橋，棧橋每幅由4根I36型鋼和防滑鋼板焊成。為確保施工安全，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行仰拱初期支護(hù)和混凝土澆筑，讓支護(hù)盡快閉合成環(huán)，使其能整體受力，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。仰拱混凝土澆筑長(zhǎng)度與拱墻襯砌長(zhǎng)度盡量相同，施工時(shí)應(yīng)保證仰拱施工縫與拱墻施工縫盡量在同一斷面上。仰拱混凝土應(yīng)采用全幅分段澆筑，不留縱向施工縫，變形縫和仰拱施工縫要設(shè)置止水帶。仰拱填充混凝土澆筑前必須將仰拱表面的積水和雜物清理干凈。

5.大拱腳臺(tái)階法施工監(jiān)控量測(cè)

隧道施工監(jiān)控量測(cè)是指通過(guò)對(duì)圍巖的受力變形狀態(tài)的了解，來(lái)判斷初期支護(hù)和圍巖穩(wěn)定性和安全性是否滿足要求，然后將這些信息進(jìn)行及時(shí)的反饋并做好相應(yīng)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，同時(shí)還可作為優(yōu)化支護(hù)參數(shù)的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)初期支護(hù)和圍巖的動(dòng)態(tài)管理。隧道施工監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目分為選測(cè)項(xiàng)目和必測(cè)項(xiàng)目。選測(cè)項(xiàng)目的選取按照《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。必測(cè)項(xiàng)目見(jiàn)表1。監(jiān)控量測(cè)采用 “五點(diǎn)法”進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每個(gè)斷面設(shè)置1個(gè)拱頂下沉測(cè)點(diǎn)，2條凈空變化基線。Ⅴ級(jí)圍巖監(jiān)控量測(cè)斷面間距5m，初始讀數(shù)必須在開挖后12 h內(nèi)完成，測(cè)讀時(shí)間和量測(cè)頻次必須嚴(yán)格照《鐵路隧道施工規(guī)范》要求執(zhí)行，根據(jù)量測(cè)結(jié)果對(duì)開挖預(yù)留變形量進(jìn)行調(diào)整，避免初支侵入二次襯砌的范圍。

序號(hào)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目測(cè)量方法和儀表

1 洞內(nèi)、外人工觀察

2 二次襯砌前凈空變化（拱架、拱腳） 收斂?jī)x、隧道激光斷面儀、全站儀測(cè)量等測(cè)量?jī)x器

3 初期支護(hù)拱頂下沉水準(zhǔn)量測(cè)，全站儀

4 地表下沉水量量測(cè)，全站儀

表1監(jiān)控量測(cè)必測(cè)項(xiàng)目

6.大拱腳臺(tái)階法質(zhì)量控制要點(diǎn)

（1）工序安排和循環(huán)進(jìn)尺的確定要合理，如圍巖長(zhǎng)時(shí)間暴露，將會(huì)導(dǎo)致圍巖穩(wěn)定性遭到破壞，所以在開挖后應(yīng)立即進(jìn)行混凝土的第一次噴射，減少圍巖暴露的時(shí)間。

（2）為了確保隧道開挖施工安全，需要超前小導(dǎo)管的支撐保護(hù)，所以對(duì)超前小導(dǎo)管的外插角的控制尤為嚴(yán)格，參照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表2），外插角應(yīng)控制在10度到15度之間。

（3）隧道周邊要預(yù)留一定變形量，并堅(jiān)持“人工開挖為主，機(jī)械為輔，弱爆破，強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)”的原則，保證圍巖穩(wěn)定和施工安全。

（4）拱腳的穩(wěn)定程度直接影響著隧道垂直方向的變形控制，所以確保拱腳的穩(wěn)定很重要。為了增大拱腳的承載力，可在隧道上部增設(shè)鋼架拱腳，還可在鋼架拱底緊貼鋼架兩側(cè)邊沿45度角設(shè)鎖腳錨管，并將其與鋼架牢固焊接，確保鋼架基礎(chǔ)穩(wěn)定。

（5）鋼架加工制作及架設(shè)應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和鋼架底腳基礎(chǔ)的牢固規(guī)范要求，上下斷面初期支護(hù)鋼架應(yīng)平順連接，螺栓連接也要密貼牢固。另外要保證鋼架底腳基礎(chǔ)的牢固，嚴(yán)格禁止懸空。

（6）及時(shí)跟進(jìn)仰拱，確保仰拱與掌子面距離不超過(guò)30 m。

表2 質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)

7.大拱腳臺(tái)階法施工安全措施

（1）嚴(yán)格遵守建設(shè)單位安全管理的要求，認(rèn)真貫徹執(zhí)行國(guó)家關(guān)于安全生產(chǎn)的法律法規(guī)。

（2）加強(qiáng)全員安全教育，為爆破、支護(hù)、出碴等重大危險(xiǎn)源的操作人員配備（下轉(zhuǎn)）（上接）個(gè)人安全防護(hù)物品。

（3）持證上崗，特種設(shè)備操作人員、專職安全員、爆破人員必須經(jīng)過(guò)專業(yè)培訓(xùn)并取得國(guó)家監(jiān)管部門頒發(fā)的合格證書。

（4）對(duì)于特殊地質(zhì)條件，應(yīng)加強(qiáng)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估管理，保證針對(duì)性的預(yù)防措施的落實(shí)。

（5）落實(shí)安全生產(chǎn)責(zé)任制，細(xì)化安全考核辦法，加強(qiáng)日常安全檢查的力度，制定一定獎(jiǎng)懲措施。

（6）進(jìn)行專項(xiàng)安全技術(shù)交流，建立快速反應(yīng)機(jī)制和隧道施工應(yīng)急預(yù)案，并定期進(jìn)行應(yīng)急演練。

（7）詳細(xì)掌握隧道設(shè)計(jì)地質(zhì)資料，在施工時(shí)做好瓦斯、CO等有害氣體檢測(cè)工作。

（8）隧道內(nèi)搭設(shè)的臨時(shí)工作臺(tái)必須放置穩(wěn)妥，堅(jiān)固牢靠，而且工作臺(tái)應(yīng)當(dāng)設(shè)有梯子和安全防護(hù)桿。

（9）嚴(yán)格遵守現(xiàn)行《爆破安全規(guī)程》有關(guān)規(guī)定，對(duì)隧道爆破作業(yè)和火工品進(jìn)行安全管理。特別是存在瓦斯風(fēng)險(xiǎn)的隧道，在施工作業(yè)中應(yīng)符合《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定。對(duì)于地層含有瓦斯的隧道施工區(qū)段，要采用煤礦許用安全炸藥、雷管。

8.總結(jié)

與傳統(tǒng)施工方法相比，大拱腳臺(tái)階法有著較為明顯的優(yōu)勢(shì)，特別是對(duì)于施工空間大，機(jī)械化程度高的軟弱圍巖大斷面隧道。應(yīng)用這種方法操作簡(jiǎn)單，作業(yè)速度快，經(jīng)濟(jì)安全，有效地提高了開挖質(zhì)量，使其成為了軟弱復(fù)雜地質(zhì)條件下大斷面隧道的主要施工方法。隨著隧道工程建設(shè)的需求在不斷增多，要求也越來(lái)越高，只有不斷總結(jié)傳統(tǒng)施工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和成功實(shí)踐應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)造更好的施工技術(shù)，才能滿足工程建設(shè)的要求，做好隧道工程建設(shè)。

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