張 風

(中鐵十六局集團有限公司 北京 100018)

1 引言

隨著國內高鐵技術的日趨成熟，為滿足國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略需要，近年來西南地區(qū)高鐵建設迅猛發(fā)展。由于西南地區(qū)地形山高溝深，故高鐵線路工程多以橋隧為主。西南地區(qū)隧道工程地質條件極其復雜，圍巖類型變化頻繁，不良地質種類多，隧道工程施工難度大，施工周期長，全線關鍵線路控制工程基本都是長大隧道，如何在軟巖地層中實現(xiàn)安全快速掘進是隧道施工的關鍵性技術。在高速鐵路隧道V級以上圍巖地段，設計針對深埋緩傾軟巖及水平巖層，經(jīng)常采用三臺階七步開挖工法[1]。但采用該工法掘進進尺慢，上臺階、下臺階及仰拱初支封閉時間長，導致隧道拱頂下沉量及周邊收斂值較大，易出現(xiàn)初支開裂、拱架扭曲變形、初支脫落掉塊以致隧道塌方等不良問題。同時由于隧道開挖分步工序多，仰拱及二襯距離掌子面的安全步距也很容易超標。針對上述難題，本文提出了一種兩臺階四步開挖的施工方法，較好地解決了大斷面水平軟巖隧道施工進度慢、變形大、穩(wěn)定性差等難題[2]，既能安全快速通過圍巖較差地段，又能保證施工質量。

2 工程概況

(1)地理位置及結構形式

鄭萬鐵路重慶段位于重慶東北部，全線重點控制工程奉節(jié)隧道位于奉節(jié)縣境內，隧道全長13 472 m，是單洞雙線隧道，最大埋深656 m，其中進口至1＃斜井區(qū)間隧道正洞覆蓋層厚度為4～250 m。線路設計速度為350 km/h，按無砟軌道雙線設計，標準斷面面積為147 m2。

(2)水文地質條件

奉節(jié)隧道進口至1＃斜井正洞區(qū)間長度為2 250 m，地勘揭示均為V級圍巖淺埋段，屬剝蝕丘陵地貌。地表上覆第四系全新統(tǒng)卵石土、碎石土、粉質黏土等，下伏基巖為三疊系中統(tǒng)巴東一段(T2b1)泥灰?guī)r、白云巖夾泥巖。受區(qū)域性的朱衣背斜影響，巖體構造破碎現(xiàn)象嚴重。地表水發(fā)育，地下水主要為基巖裂隙水和巖溶水，具有侵蝕性，環(huán)境作用等級為H2。隧道洞身穿越的主要地層有三層，第一層為<9-2>粉質黏土地層，第二層為<15-7>W4地層(泥灰?guī)r、泥質灰?guī)r夾頁巖地層)，第三層為<15-7>W3地層(泥灰?guī)r、泥質灰?guī)r、頁巖地層)。隧道進口段開挖揭示主要為泥灰?guī)r與頁巖互層或泥灰?guī)r與泥巖互層，沿隧道軸向巖層緩傾，近似水平狀，巖層為薄層狀，節(jié)理裂隙十分發(fā)育，巖層泥質膠結，層間結合較差，個別地段有線狀滲水。

3 大斷面水平軟巖隧道施工特點及難點

奉節(jié)隧道進口段在前期施工過程中，通過圍巖量測監(jiān)測顯示，拱頂沉降大于邊墻收斂變形。拱頂最大沉降量達到70 cm，平均下沉量大于25 cm；邊墻最大收斂值達到50 cm，平均收斂值大于15 cm。隧道圍巖受水的影響較大，剛進洞時水量較小，開挖至2～3倍洞徑后，滲水量變大，圍巖在水的作用下軟化，承載力下降，導致初支開裂，拱架扭曲變形，噴射砼脫落，初支沉降變形最大速率達2 cm/d。開挖過程中，當泥巖及泥灰?guī)r互層時，掌子面自穩(wěn)性較好；泥灰?guī)r與頁巖互層時，掌子面自穩(wěn)性較差，易出現(xiàn)掉塊或坍塌。為有效控制初支變形，通過在實施過程中反復摸索，逐步總結出兩臺階四步法開挖工藝[3]。

4 兩臺階四步法開挖技術

4.1 工藝說明

分步開挖順序和分步開挖立面分別如圖1～圖2所示。

圖1 兩臺階四步法分步開挖順序

圖2 兩臺階四步法開挖立面(單位:m)

(1)第1步:在上一循環(huán)的超前支護防護下，采用周邊弧形弱爆破開挖①部[4]，并及時施作①部臺階周邊的初期支護。先進行混凝土初噴，架立拱部鋼架，打設錨管進行鎖腳；然后鋪設鋼筋網(wǎng)片，并施作徑向錨桿后復噴混凝土至設計厚度；最后架設①部臺階底的 18型鋼臨時橫撐(拱部每2榀鋼架設臨時橫撐一道[5])。

(2)第2步:采用機械或弱爆破開挖②部，施作左側邊墻初期支護。先進行混凝土初噴，接長左側邊墻鋼架，打設錨管進行鎖腳；然后鋪設鋼筋網(wǎng)片，施作徑向錨桿后再復噴混凝土至設計厚度。

(3)第3步:采用機械或弱爆破開挖③部，施作右側邊墻初期支護。先進行初噴混凝土，接長右側邊墻鋼架，打設錨管進行鎖腳；然后鋪設鋼筋網(wǎng)片，施作徑向錨桿后再復噴混凝土至設計厚度。

(4)第4步:采用機械或弱爆破開挖④部，下臺階核心土與仰拱同步開挖，清除隧底虛渣后，先進行混凝土初噴，連接底部鋼架，使初支鋼架閉合成環(huán)；然后立即澆筑仰拱與邊墻基礎混凝土，待仰拱初凝后，澆筑仰拱填充至設計高度[6]。

初期支護封閉成環(huán)后，根據(jù)圍巖監(jiān)控量測結果，分析確定二次襯砌施作時機。拆除臨時橫撐，利用模板臺車一次性灌注拱部及邊墻襯砌混凝土。

4.2 工藝參數(shù)確定

(1)上臺階開挖長度

隧道開挖作業(yè)線所需長度為開挖作業(yè)臺架長度＋飛石影響的長度；隧道出渣作業(yè)線所需長度為渣堆長度＋裝渣機＋出渣車及出渣車調頭長度；噴錨初支作業(yè)線所需長度為噴錨機械手＋砼運輸車＋初支作業(yè)長度。綜合考慮以上各工序大型機械設備作業(yè)需求長度和圍巖變形控制要求，確定采用機械噴錨作業(yè)長度作為上臺階控制的最短長度[7]。對于圍巖地質較好地段，臺階長度可適當加長，有利于隧道施工組織；對于圍巖地質較差地段以及深埋軟巖地層段，要求盡量將臺階長度縮短，減少圍巖變形，確保施工安全。

(2)上臺階開挖高度

傳統(tǒng)軟巖隧道開挖采用的CRD法、雙側壁導坑法和三臺階七步開挖工法，雖然每次開挖對圍巖擾動小，但工序轉換次數(shù)多，初支封閉成環(huán)時間長，最終導致初支沉降反而較大；同時由于每次開挖斷面小，也不利于組織大型機械化作業(yè)，施工進度較慢，工期很難保證。采用兩臺階四步開挖法可將上臺階開挖至拱腰以下，上臺階高度滿足各類機械化作業(yè)要求，大大提高了施工效率，不僅加快了進度，同時也能使初期支護快速封閉成環(huán)，確保了施工安全步距[8]。

經(jīng)綜合分析研究確定，上臺階長度宜控制在25～30 m，高度宜控制在6.5～7.5 m，每循環(huán)開挖進尺按1.2 m控制；下臺階開挖至拱腳位置，左右兩側分步開挖，先左側、后右側，左右兩側要錯開2～3 m，不允許在同一個斷面；隧底仰拱開挖緊跟下臺階，中間核心土同步進行，開挖滯后右側下臺階保持在2 m以上，且不超過5 m，保證仰拱初支及時封閉成環(huán)，嚴格控制圍巖變形[9]。

4.3 工序流水作業(yè)

(1)鉆爆作業(yè)線

軟巖隧道以機械開挖為主，盡量減少對隧道圍巖擾動，局部可采用弱爆破、短進尺，控制周邊眼及抵抗線間距，周邊眼采取間隔裝藥。上臺階、左右下臺階及隧底仰拱和中間預留核心土可同時鉆孔、同時起爆，最大限度減少通風排煙時間。

(2)出渣作業(yè)線

上臺階出渣采取“兩臺裝渣機＋出渣車”出渣。上臺階出渣完成利用挖機清理掌子面期間，進行下臺階出渣，出渣車停在48 m長仰拱棧橋前拱橋位置[10]，利用挖機出渣；仰拱出渣，借用仰拱棧橋前搭板作為通道出渣。

(3)初支作業(yè)線

上臺階出渣完成進行排險后，首先初噴拱墻四周及掌子面4～10 cm厚混凝土，然后架設上臺階鋼拱架；左右下臺階及仰拱出渣完成后，同步連接下臺階及仰拱初支拱架，使初支盡早封閉成環(huán)。待上臺階施工超前小導管后，再依次完成上臺階、下臺階、仰拱噴錨混凝土。

4.4 質量保證措施

(1)加強地質預報和超前支護

可選取超前探孔、TSP、加深炮孔等方式對前方圍巖提前進行地質探測，根據(jù)探測結果和實際開挖掌子面的自穩(wěn)性分析，動態(tài)調整超前支護導管的長度、環(huán)向間距和縱向搭接長度，并及時進行注漿加固，確保開挖掌子面的穩(wěn)定。

(2)掌子面采取加固措施

上臺階開挖時，對掌子面圍巖較差地段，要弧形開挖預留核心土，等拱架架設完成后再開挖核心土；對掌子面圍巖較好地段，也可不留核心土，但開挖后需及時噴射混凝土進行封閉，防止掌子面掉塊或滑塌。

(3)拱腳處理

拱腳開挖時，采取機械開挖至拱腳標高以上30 cm，剩余部分采取人工鑿除，避免拱腳基礎松動，導致初支承載力不足[11]。

(4)加強滲涌水引排

由于隧道圍巖以泥質灰?guī)r與泥巖及頁巖互層為主，該地層遇水極易軟化，為此在初支施作時要設置徑向鋼花管引排滲涌水，以減小對初支的局部壓力，保證初期支護的穩(wěn)定性。

5 結束語

兩臺階四步開挖法介于兩臺階與三臺階之間，與傳統(tǒng)三臺階七步開挖法相比，主要具有以下優(yōu)點:

(1)由于開挖分步減少，對隧道圍巖擾動次數(shù)降低，上臺階加臨時橫撐，下臺階和仰拱初期支護能及時封閉，拱頂沉降變形由原來的30 cm以上降至20 cm以內，前期初支開裂及鋼架扭曲變形問題得到較好地控制[12]。

(2)分成上、下兩臺階，加大了上臺階高度和長度，便于組織大型設備機械化作業(yè)，無論是開挖出渣還是噴錨支護，施工效率提升明顯，每月進尺由原來的不足30 m提高至50 m以上，最高達到70 m，極大地加快了進度，確保了工期要求。