王建軍

(中鐵二十局集團有限公司 陜西西安 710016)

1 引言

隧道開挖后在圍巖中應(yīng)力會重新分布，洞周產(chǎn)生收斂變形，完整性好、強度高的巖石地層最終會調(diào)整到新的應(yīng)力平衡狀態(tài)；而黃土隧道則不同，尤其是結(jié)構(gòu)性較差的黃土，開挖后一般會隨著變形的增大而引起洞室失穩(wěn)。因此，黃土隧道施工中應(yīng)遵循的基本原則是最大限度地保護黃土的天然結(jié)構(gòu)強度[1-2]，防止因變形產(chǎn)生裂縫造成強度損失。

在大斷面和特大斷面黃土隧道施工中通常根據(jù)圍巖穩(wěn)定性靈活選擇多種分部施工方法，但多分部開挖方法施工工序多，支護結(jié)構(gòu)連接的工藝要求高，施工工效低[3-4]，不利于施工安全。為此，在蒙華鐵路黃土隧道施工中對傳統(tǒng)工藝進行優(yōu)化，提出以“快挖、快支、快成環(huán)”為核心的微臺階法施工，規(guī)避傳統(tǒng)施工方法的局限性，達到了加快隧道開挖施工進度、確保隧道施工安全的目的。

2 工程概況

蒙華鐵路鄭莊隧道全長4 335.92 m，為單洞雙線隧道，開挖斷面120 m2，隧道最大埋深約195.5 m。隧道所在范圍內(nèi)地層為上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)新黃土、黏質(zhì)新黃土，中更新統(tǒng)洪積砂質(zhì)老黃土、黏質(zhì)老黃土，三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組砂巖、泥巖，局部區(qū)域分布第四系全新統(tǒng)人工填土素填土，填土中上層滯水較豐富。該隧道正常涌水量為720 m3/d，最大涌水量為2 159 m3/d。隧道縱向Ⅳ級圍巖長3 390 m，占78.18%；Ⅴ級圍巖長922.92 m，占21.29%；Ⅵ級圍巖23 m，占0.53%。鄭莊隧道為全線控制性工程，分為進口、出口兩個工作面。

3 微臺階施工工藝原理

鄭莊隧道Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級圍巖均采用微臺階法開挖，其施工組織按“空間全斷面”施工。微臺階快速施工原理是以三臺階法開挖為基礎(chǔ)，對隧道掌子面各作業(yè)面空間充分利用，實現(xiàn)“空間占滿，時間用足”的高效施工組織。每循環(huán)施工上、中臺階依次開挖，中、下臺階對稱開挖，下臺階與仰拱同時開挖[5]，各臺階同時支護(開挖后即可支護)，再加以利用濕噴機械手等機械化設(shè)備，形成上、中、下臺階同步流水作業(yè)，確保工序銜接，提高施工工效。

該施工技術(shù)在開挖斷面為60～180 m2的軟弱圍巖隧道應(yīng)用效果較好，特別適用于黃土、土石分界、水平巖層隧道以及自穩(wěn)條件較差的Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級圍巖隧道的施工。

4 工藝流程及步驟

(1)工藝流程

洞身開挖采用微臺階快速成環(huán)施工工藝開挖各臺階。根據(jù)工藝特點，上臺階長度預(yù)留4～6 m，臺階高度4 m；中臺階長度預(yù)留4～6 m，臺階高度3.5 m；下臺階高度2.4～2.7 m。初支仰拱與下臺階同步施工，及時封閉成環(huán)[6]。

施工時初支仰拱距上臺階掌子面不大于15 m，并在7 d內(nèi)快速成環(huán)。黃土隧道微臺階快速成環(huán)施工工藝流程見圖1。

圖1 微臺階快速施工工藝流程

(2)施工步驟

第1步:使用帶松土器的挖掘機開挖上臺階。上臺階開挖完成后，進行上臺階格柵鋼架安裝及中臺階開挖。上臺階格柵鋼架安裝時拱腳設(shè)置大墊板(鋁制泡沫墊板)以控制位移及沉降。

第2步:中臺階開挖完成后，及時安裝格柵鋼架，并進行下臺階及初支仰拱開挖，上臺階進行超前支護(?42 mm錨管，長3.5 m)。中臺階格柵鋼架安裝時拱腳設(shè)置大墊板(鋁制泡沫墊板)以控制位移及沉降。

第3步:下臺階及初支仰拱同時開挖，安裝下臺階及初支仰拱格柵鋼架，墻腳設(shè)置縱向槽鋼。

第4步:進行下臺階及初支仰拱安裝，格柵鋼架、鎖腳錨管施工完成后，使用鐵建重工HPS3016S型混凝土濕噴機械手進行噴射混凝土施工。

第5步:下臺階初支及仰拱混凝土完成后回填洞渣，濕噴機械手前移，再分別對上、中臺階進行噴射混凝土施工[7]。

根據(jù)掌子面及周邊圍巖的穩(wěn)定情況，開挖進尺控制要求:上臺階不大于2榀，中、下臺階不大于3榀；每循環(huán)施工時，上、中、下臺階同步作業(yè)，向前推進。

5 微臺階快速施工技術(shù)要點

5.1 支護參數(shù)選擇

黃土隧道每10 m進行一次地質(zhì)素描，特殊地質(zhì)適度加密。綜合地質(zhì)調(diào)查情況對圍巖級別進行判定，并結(jié)合監(jiān)控量測數(shù)據(jù)對圍巖級別進行修正，選定合理的支護參數(shù)。根據(jù)蒙華鐵路蒙陜段施工經(jīng)驗，選取支護參數(shù)見表1。

表1 黃土隧道開挖支護參數(shù)

5.2 施工誤差及預(yù)留變形量設(shè)置

施工誤差一般按5 cm考慮，預(yù)留變形量根據(jù)不同圍巖地質(zhì)情況結(jié)合監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進行綜合判定。施工誤差與預(yù)留變形量的累計值初始設(shè)置一般原則:Ⅳ土按照10 cm進行設(shè)置；Ⅴa土按照12 cm進行設(shè)置；Ⅴb土按照15 cm進行設(shè)置；洞口段(40 m范圍)、淺埋偏壓、富水黃土和含水砂層段按照20 cm進行設(shè)置；Ⅵ級圍巖、初支大變形段和正洞與輔助坑道交叉口段按照30 cm進行設(shè)置。

以上數(shù)值僅適用初始設(shè)置，需及時根據(jù)初支成環(huán)后監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析情況進行修正。

5.3 洞口段開挖

洞口段采用三臺階法開挖，根據(jù)地質(zhì)條件、周邊環(huán)境選擇合適的輔助措施。隧道洞口段(含輔助坑道)在開挖長度達到1～1.5倍洞徑時，初支必須全斷面封閉成環(huán)形成鎖口圈。

5.4 洞身開挖施工

洞身開挖以機械施工為主，人工為輔進行。沿隧道開挖輪廓線環(huán)向開挖，人工修整后確認開挖輪廓滿足設(shè)計要求，進行拱架、網(wǎng)片安裝。

上臺階每循環(huán)開挖進尺1～2榀拱架間距，上臺階長度保持4～6 m，高度4 m；中臺階每循環(huán)開挖2榀，中臺階控制長度為4～6 m，高度為3.5 m；下臺階及初支仰拱同步開挖，每循環(huán)開挖進尺不大于2榀，下臺階高度控制在2.4～2.7 m。下臺階及初支仰拱開挖完成后及時封閉成環(huán)，與掌子面距離控制在1～1.5倍洞徑，滿足鐵建重工HPS3016S型混凝土濕噴機械手工作半徑。

5.5 洞身支護施工

(1)超前支護

為保證隧道拱部圍巖穩(wěn)定，確保施工安全，黃土隧道超前預(yù)支護可采用?42 mm超前小導(dǎo)管、?60 mm超前長導(dǎo)管、?42 mm超前密排小導(dǎo)管、?89 mm短管棚＋超前小導(dǎo)管和?108 mm或?159 mm大管棚等。

(2)鋼架及網(wǎng)片加工、安裝

初期支護鋼架采用格柵鋼架類型。為確保達到快速施工目的，鋼格柵應(yīng)盡量采用工廠化、機械化加工的組織模式，嚴(yán)格按設(shè)計要求落實加工工藝標(biāo)準(zhǔn)，做到“一次成型、杜絕次品”。

各部開挖完成后，分單元安裝鋼架，施作鎖腳錨管、縱向連接鋼筋，鋪掛鋼筋網(wǎng)，然后噴射混凝土至設(shè)計厚度。蒙華鐵路黃土隧道常見襯砌類別有Ⅳ土、Ⅴa土、Ⅴb土，設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 格柵鋼架設(shè)計參數(shù)

鋼架安裝作業(yè)應(yīng)在掌子面開挖完成后立即進行，并堅持“兩緊跟”原則，即鋼架緊跟掌子面且距掌子面距離不宜大于20 cm；初支仰拱緊跟下臺階鋼架同時封閉成環(huán)。

鋼架在全環(huán)封閉之前需按要求置于穩(wěn)固的地基上，安裝前應(yīng)清除各節(jié)鋼架底腳下的虛渣及雜物，采用5 cm厚泡沫鋁墊板、C25混凝土墊塊或木質(zhì)墊板進行支墊，保證拱腳支墊密實。為避免鋼架拱腳處受圍巖應(yīng)力變化及爆破沖擊變形較大，造成拱腳處鋼架變形連接困難，鋁質(zhì)墊板、混凝土墊板宜支墊于黃土土質(zhì)地層，木質(zhì)墊板宜支墊于石質(zhì)地層。當(dāng)基底強度不足時，采用加設(shè)槽鋼的方法增強基腳的承載力。

在上、中臺階拱腳處采用10 cm砂墊層防護，可減少后續(xù)施工拱架節(jié)點混凝土清理難度，既保證了施工質(zhì)量，也提高了工效。

(3)鎖腳錨管安裝

拱架安裝后在拱腳處打設(shè)鎖腳錨桿。格柵平面應(yīng)垂直于隧道中線，其傾斜度不大于2°，鋼格柵的任何部位偏離鉛垂面不應(yīng)大于±5 cm[8]。鋼格柵與定位系筋焊接成整體，定位系筋采用?16螺紋鋼筋，長度1 m，環(huán)向間距1 m。垂直環(huán)向巖面打入圍巖，采用?40鉆頭的螺旋鉆鉆孔，孔內(nèi)塞入錨固劑進行錨固；鋼格柵間縱向采用?22螺紋鋼筋將拱架連接成為整體，使格柵鋼架處于整體受力狀態(tài)。

鎖腳錨管采用?42 mm、δ＝5 mm熱軋無縫鋼管，錨管長4.0 m，外插角30°～45°。上、中、下臺階鋼架連接點每處2根，分別布置于鋼架兩側(cè)，并采用L型鋼筋與鋼架焊接連接，施工時便于錨管頂送入孔，鋼管前端宜做成尖錐狀。

上、中臺階鎖腳錨管鉆孔采用長短鉆桿交替方式保證施作角度及深度，先用長2 m短鉆桿完成鉆孔，再改用4 m長鉆桿完成剩余鉆孔深度，最后風(fēng)槍頂送錨管入孔；下臺階鎖腳錨管采用自制簡易平臺施工，保證施工角度及質(zhì)量。

(4)噴射混凝土施工

為確保隧道初期支護噴射混凝土能快速施工，隧道噴射混凝土施工全部采用濕噴工藝。使用鐵建重工HPS3016S型濕噴機械手能達到快速施工、保證質(zhì)量的要求。

HPS3016S型混凝土噴射機械手集行走、泵送和噴射混凝土三大功能于一體[9]，性能穩(wěn)定，操作簡單，具有生產(chǎn)率高、回彈率低、施工質(zhì)量高的特點，可廣泛應(yīng)用于各種井巷、隧道施工中含鋼纖維或聚合物纖維混凝土的泵送和噴射。

與小型噴射設(shè)備綜合對比分析，噴射機械手具有作業(yè)效率大幅提高、作業(yè)環(huán)境明顯改善、實體質(zhì)量更加穩(wěn)定、作業(yè)安全性更高等多方面優(yōu)勢。

5.6 施工人員配備

根據(jù)技術(shù)特點，采用微臺階施工工藝時，單作業(yè)面施工一般需要38人左右，人員分配和調(diào)整應(yīng)按不同工種配齊、配足，嚴(yán)格工序轉(zhuǎn)換搭接管理，每循環(huán)作業(yè)應(yīng)確保搭接時間不小于30 min。

6 工效對比分析

黃土隧道采用微臺階法施工既保證了安全，又提高了施工進度，工序轉(zhuǎn)化快，減少了施工投人，節(jié)約了成本[10]。以鄭莊隧道Ⅴb土(鋼架間距0.6 m/榀，上臺階1榀掘進)施工為例，38個勞務(wù)人員完成每0.6 m洞身開挖、初期支護等施工用時6.2 h，與傳統(tǒng)方法相比較可節(jié)約工時69.7%(見表3)。

表3 工效指標(biāo)對比

實際應(yīng)用證明，該技術(shù)在Ⅴb土施工中對比傳統(tǒng)工藝，每循環(huán)節(jié)省2.8 h。黃土隧道微臺階快速成環(huán)施工工藝確保每天施工2.3 m(3.9個循環(huán))，而傳統(tǒng)工藝一般每天僅能施工1.6 m(2.7個循環(huán))。相比之下，施工進度有效提高，使隧道整體施工工期縮短。

7 結(jié)束語

蒙華鐵路黃土隧道采用以“快挖、快支、快成環(huán)”為核心的三臺階法施工，強調(diào)“兩緊跟”(初期支護格柵鋼架緊貼掌子面；初期支護仰拱及時封閉成環(huán)緊跟下臺階)措施[11-12]。初期支護噴射混凝土采用高效的濕噴機械手作業(yè)，有效利用施工作業(yè)空間，實現(xiàn)了支護結(jié)構(gòu)在最短的時間發(fā)揮有效作用的目的。與傳統(tǒng)工藝相比，具有施工機械化程度高、質(zhì)量可靠、作業(yè)環(huán)境安全、施工效率高、施工成本低等特點，具有明顯的經(jīng)濟效益。