陶益勝，田 發(fā)，劉雪東，謝斌福

(中國(guó)建筑土木建設(shè)有限公司，北京 100073)

0 前 言

縱觀現(xiàn)階段的隧道工程施工技術(shù)，三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法頗具代表性，其在強(qiáng)風(fēng)化的硬巖、風(fēng)化強(qiáng)度高的軟巖中均具有可行性，可以促進(jìn)側(cè)墻初期支護(hù)的成型，有效控制圍巖變形，預(yù)留的大尺寸核心土可發(fā)揮出支撐作用，用于維持掌子面圍巖的穩(wěn)定性，同時(shí)在軟弱圍巖地層大斷面隧道的拱頂沉降、地表沉降、圍巖應(yīng)力、塑性區(qū)擴(kuò)展面積及深度控制方面要優(yōu)于三臺(tái)階七步法。對(duì)于構(gòu)筑安全施工環(huán)境、保證工程質(zhì)量具有重要的作用。

1 工程概況

某雙線單洞高速鐵路隧道工程，起訖里程DK126+547～DK127+258，全長(zhǎng)711 m。隧道共有5個(gè)淺埋段，埋深均在30 m以內(nèi)。地質(zhì)勘察結(jié)果顯示，地表為溝谷，強(qiáng)風(fēng)化厚度5～15 m。全強(qiáng)風(fēng)化帶現(xiàn)場(chǎng)的水文條件特殊，同時(shí)具有地表水和地下水均強(qiáng)烈活動(dòng)的特點(diǎn)。由于地質(zhì)、水文方面的特殊性，不利于隧道建設(shè)工作的順利開(kāi)展，潛在諸多安全隱患，易誘發(fā)坍方通頂?shù)仁鹿省?/p>

2 隧道工程施工狀況概述及臺(tái)階法的提出

各隧道工程的圍巖地質(zhì)條件、水文條件等方面均有獨(dú)特性，對(duì)應(yīng)的開(kāi)挖方法不盡相同。現(xiàn)階段，隧道開(kāi)挖的常見(jiàn)方法包含全斷面法、臺(tái)階法、三臺(tái)階法、三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法等。相比之下，臺(tái)階法的應(yīng)用較為廣泛，但施工期間可能會(huì)出現(xiàn)拱腳變形現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為以下兩種形式：①拱腳的水平收斂變形；②拱腳的豎向沉降變形。在既有的隧道工程建設(shè)中，工程人員高度重視水平收斂變形，并采取針對(duì)性的防控措施，易忽視豎向沉降變形，但兩者均是隧道工程建設(shè)中的重點(diǎn)內(nèi)容。

值得肯定的是，隨著隧道建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，技術(shù)研究持續(xù)深入，工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)愈發(fā)豐富，相繼有更多前沿的方法被提出、被應(yīng)用。其中，臺(tái)階法頗具代表性，較之于以往的方法，其施工方式更為合理，在維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面有重要的作用，總體來(lái)看該項(xiàng)技術(shù)具有安全有效、質(zhì)量可靠、經(jīng)濟(jì)高效等多重優(yōu)勢(shì)[1]。

3 臺(tái)階法施工技術(shù)

三臺(tái)階七步法在隧道工程中占據(jù)舉足輕重的地位，其實(shí)施的是機(jī)械為主、人工為輔的模式，富有秩序性地開(kāi)挖[2]。

掌子面用混凝土封閉，對(duì)沖溝進(jìn)行反壓回填處理，根據(jù)工程要求施作超前管棚和下導(dǎo)管，起到加固的作用；組織超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，根據(jù)掌握的掌子面前方地質(zhì)條件合理規(guī)劃后續(xù)的工作；上臺(tái)階開(kāi)挖采取環(huán)形開(kāi)挖的方法，適當(dāng)擴(kuò)大拱腳，提高穩(wěn)定性；初期支護(hù)設(shè)置到位、上臺(tái)階施工5 m后及時(shí)預(yù)留核心土，起到支撐作用；設(shè)初期支護(hù)，增強(qiáng)穩(wěn)定性，組織中臺(tái)階左側(cè)開(kāi)挖作業(yè)，依然在開(kāi)挖量達(dá)到5 m后預(yù)留核心土；設(shè)置初期支護(hù)，組織下臺(tái)階右側(cè)的開(kāi)挖，進(jìn)度達(dá)到2～3 m后預(yù)留核心土；經(jīng)過(guò)前述施工后，開(kāi)挖下臺(tái)階左側(cè)；及時(shí)施作初期支護(hù)，并密切關(guān)注下臺(tái)階的開(kāi)挖進(jìn)度，待該部分開(kāi)挖量達(dá)到10～20 m時(shí)，開(kāi)始進(jìn)入仰拱開(kāi)挖環(huán)節(jié)，此部分的長(zhǎng)度按3 m控制，盡可能縮短暴露于外界的時(shí)間，即在開(kāi)挖后的8 h內(nèi)予以封閉，隨后將鋼筋綁扎到位，組織仰拱混凝土澆筑施工；后續(xù)及時(shí)施作拱墻襯砌。

3.1 上臺(tái)階的開(kāi)挖支護(hù)

1)取Φ42 mm、壁厚3.5 mm、長(zhǎng)3.55 m的超前小導(dǎo)管，將其打設(shè)至拱部120°范圍內(nèi)，外插角5°～10°，環(huán)向間距40 mm。

2)上臺(tái)階開(kāi)挖實(shí)施機(jī)械作業(yè)的模式，即利用挖掘機(jī)高效開(kāi)挖，單個(gè)循環(huán)的長(zhǎng)度以0.8～1.0 m為宜；機(jī)械開(kāi)挖后安排施工人員精細(xì)化修邊，保證開(kāi)挖質(zhì)量；此后噴射40 mm厚的混凝土，用此方法有效封閉作業(yè)面。

3)混凝土噴射施工后，將系統(tǒng)錨桿打設(shè)至指定位置，緊密掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片。系統(tǒng)錨桿按照1 m×1 m的間距有序布設(shè)到位；用Φ8 mm的鋼筋制作鋼筋網(wǎng)片，間距為200 mm×200 mm。

4)鋼架以I20a型鋼為原材料搭設(shè)成型，環(huán)向用鋼板螺栓進(jìn)行連接處理，以保證穩(wěn)定性，縱向則用Φ42 mm鋼管連接。在設(shè)置超前小導(dǎo)管時(shí)，以焊接的方法將其尾端穩(wěn)定連接在鋼架上[3]。

5)鋼架成型后施作鎖腳錨管，材料選用的是長(zhǎng)度為4 m的Φ42 mm鋼管。

6)待錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼架設(shè)置到位后噴射C25混凝土。經(jīng)過(guò)上臺(tái)階的施工后，構(gòu)成穩(wěn)定可靠的承載拱。

3.2 中臺(tái)階左側(cè)和下臺(tái)階右側(cè)邊墻開(kāi)挖支護(hù)

1)隨著施工進(jìn)程的推進(jìn)，上臺(tái)階超前中臺(tái)階3～5 m后，以交錯(cuò)開(kāi)挖的方式施工中臺(tái)階左側(cè)和下臺(tái)階右側(cè)，單次開(kāi)挖量為1～2榀，確保左右兩側(cè)暴露的初支結(jié)構(gòu)有足夠的穩(wěn)定性(即不可同時(shí)處于懸空狀態(tài)，否則穩(wěn)定性難以得到保證)。中臺(tái)階開(kāi)挖高度約為4.5 m，為保證開(kāi)挖安全和開(kāi)挖質(zhì)量，分上、下兩次有序開(kāi)挖，期間由施工人員適時(shí)修邊。此后繼續(xù)中臺(tái)階下部的開(kāi)挖作業(yè)。

2)中臺(tái)階的下部修邊工作落實(shí)到位后噴射混凝土，厚度控制在40 mm，采取此方法盡快封閉作業(yè)面。隨后將系統(tǒng)錨桿打設(shè)到位，掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片。

3)及時(shí)安裝拱架，復(fù)噴混凝土。

3.3 仰拱開(kāi)挖支護(hù)

下臺(tái)階開(kāi)挖量達(dá)到25 m時(shí)進(jìn)行仰拱開(kāi)挖，此部分分兩次完成，單次開(kāi)挖長(zhǎng)度按3 m控制，隨后再于仰拱處設(shè)置初期支護(hù)結(jié)構(gòu)[4]；合理協(xié)調(diào)工序，盡快澆筑仰拱混凝土，成型后將仰拱棧橋搭設(shè)成型；經(jīng)過(guò)前述施工后繼續(xù)開(kāi)挖掌子面。

3.4 核心土的開(kāi)挖

核心土是臺(tái)階法施工中的重點(diǎn)部分，合理預(yù)留核心土后可起到反壓的作用，以便后續(xù)施工的順利進(jìn)行。進(jìn)入上臺(tái)階開(kāi)挖環(huán)節(jié)時(shí)同步挖除核心土?？壳耙粋?cè)的中臺(tái)階需跟到上臺(tái)階核心土的尾部，全程協(xié)同推進(jìn)；上臺(tái)階核心土和對(duì)應(yīng)臺(tái)階的土體可被同步挖除，經(jīng)此環(huán)節(jié)的施工后噴錨網(wǎng)支護(hù)。各臺(tái)階施工時(shí)均要先開(kāi)挖兩側(cè)拱腳，隨后方可挖除核心土，若由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制或其他原因而導(dǎo)致中、下臺(tái)階不得不挖除核心土，出于安全層面的考慮，需確保拱架底部有1 m或更多的部分得到土體反壓覆蓋處理。嚴(yán)格控制各臺(tái)階的開(kāi)挖長(zhǎng)度，不宜過(guò)大，否則不利于支護(hù)工作的順利開(kāi)展，也會(huì)對(duì)工序循環(huán)秩序造成不良影響。對(duì)于噴射混凝土，需使用到噴錨料，此類材料可將其臨時(shí)堆放在中臺(tái)階中部的平臺(tái)處。

3.5 監(jiān)控量測(cè)

開(kāi)挖施工的復(fù)雜度較高、隱蔽性較強(qiáng)，需要密切關(guān)注圍巖的實(shí)際狀態(tài)和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以保證開(kāi)挖作業(yè)的順利開(kāi)展。除了提供有關(guān)隧道的信息資料外，還需要立足于實(shí)際情況，及時(shí)做好地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作，同時(shí)以科學(xué)的方法加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)工作的開(kāi)展。集多重信息于一體，動(dòng)態(tài)化調(diào)整支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)，營(yíng)造良好的施工環(huán)境[5]。此外，準(zhǔn)確計(jì)算量測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)反饋，形成暢通的信息溝通機(jī)制，做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、盡快處理問(wèn)題，保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和施工安全。在地質(zhì)信息的收集方面可采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法。

3.6 三臺(tái)階七步法施工注意事項(xiàng)

工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，三臺(tái)階七步法如果充分應(yīng)用到大型機(jī)械設(shè)備，可提高施工效率。但在大斷面隧道施工中，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性，需要高度重視各項(xiàng)細(xì)節(jié)，以保證三臺(tái)階七步法的合理應(yīng)用。

1)合理控制臺(tái)階的長(zhǎng)度至關(guān)重要，合適長(zhǎng)度的臺(tái)階能夠?yàn)闄C(jī)械設(shè)備的高效運(yùn)行創(chuàng)設(shè)良好的條件，也有利于提升大斷面隧道的安全性。在實(shí)際施工中，需緊密結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，靈活控制臺(tái)階的長(zhǎng)度，例如遇到地質(zhì)條件較差的施工環(huán)境時(shí)，較為可行的方法是盡量縮短臺(tái)階的長(zhǎng)度。

2)在三臺(tái)階七步法施工中，變形控制主要依賴隧道兩側(cè)的拱腳而實(shí)現(xiàn)，因此為了保證隧道的穩(wěn)定性(最大限度減小變形量)，則需要充分考慮拱腳的穩(wěn)定性，以可行的方法盡可能提高其穩(wěn)定性。為此，可采取增設(shè)鎖腳錨桿的方法，將該構(gòu)件插向拱腳的斜下方，切實(shí)發(fā)揮出拱腳的承載力優(yōu)勢(shì)。

3)大斷面圍巖變形的預(yù)留初始值相對(duì)較大，在實(shí)際施工中需要緊扣具體的環(huán)境，客觀分析變形量，富有針對(duì)性地做出調(diào)整，做好此方面的工作后能夠?yàn)楹笃谝r砌混凝土施工創(chuàng)設(shè)良好的條件，以免出現(xiàn)超方問(wèn)題。

4)大斷面圍巖的完整性欠佳，以破碎狀為主，易失穩(wěn)，施工時(shí)需要以可行的方法阻止地表水下滲，否則在水的侵蝕作用下土體的自重有所增加，此時(shí)隧道支護(hù)變形量較大，不利于正常施工。不僅于此，針對(duì)大斷面軟弱圍巖的裂隙水，需聯(lián)合應(yīng)用排、堵、防多重方法，有效疏導(dǎo)。

4 鉆爆設(shè)計(jì)

4.1 裝藥結(jié)構(gòu)

1)周邊眼。合理選擇裝藥結(jié)構(gòu)，有效控制裝藥量，盡可能保證炸藥孔深的均勻分布，以免圍巖遭到擾動(dòng)。為此，可采取不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，炸藥選用Φ22 mm的2號(hào)抗水炸藥，不耦合系數(shù)控制在1.4～2.0。

2)其他眼。包含底板眼、掘進(jìn)眼、掏槽眼等，較為適宜的是采用Φ32 mm的藥卷，并且需要選擇連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。

3)起爆順序。為了保證爆破開(kāi)挖效果并減小不良擾動(dòng)作用，將底板眼分為兩段分開(kāi)起爆?？傮w上，按照掏槽眼→掘進(jìn)眼→二臺(tái)眼→內(nèi)圈眼→底板眼→周邊眼的順序起爆。

4.2 爆破作業(yè)

1)測(cè)量放線。由專員合理操作全站儀，結(jié)合工程要求測(cè)放出各炮眼的具體位置。在距離開(kāi)挖面50 m處埋設(shè)中線樁，按照100 m的間隔依次設(shè)置臨時(shí)水準(zhǔn)點(diǎn)。為了保證爆破效果，每次測(cè)量放線時(shí)均詳細(xì)檢查上一次爆破情況，針對(duì)施工期間記錄的數(shù)據(jù)展開(kāi)分析，動(dòng)態(tài)修正爆破參數(shù)。

2)鉆孔。以測(cè)量放線結(jié)果為準(zhǔn)在指定位置鉆孔，未經(jīng)許可不得隨意改動(dòng)位置，亦不可隨意調(diào)整炮孔的數(shù)量。鉆孔采用的是定位鑿巖臺(tái)車，安排該設(shè)備就位，調(diào)整好臺(tái)車鉆桿的姿態(tài)，以便順利鉆進(jìn)。

5 施工質(zhì)量問(wèn)題的防控措施

1)于軟弱圍巖地段開(kāi)挖時(shí)，為保證施工安全，需要嚴(yán)格控制開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺，以上、下臺(tái)階為例，前者以1榀鋼架間距為宜，后者不大于2榀鋼架間距。此外，遵循“先護(hù)后挖”的原則，用適量的超前小導(dǎo)管增強(qiáng)支護(hù)效果。爆破時(shí)不可避免存在擾動(dòng)作用，為此可采取弱爆破技術(shù)，對(duì)于埋深較淺的施工地段，還需充分考慮到周邊地面建筑物的防護(hù)要求，盡可能減小爆破對(duì)周邊環(huán)境造成的不良影響。

2)施工期間加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，以此及時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)施工情況，進(jìn)而根據(jù)信息展開(kāi)分析，明確結(jié)構(gòu)穩(wěn)定程度、圍巖應(yīng)力等情況，以便更為合理地施工。此外，基于已掌握的現(xiàn)場(chǎng)信息制定風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急預(yù)案，以備不時(shí)之需。若現(xiàn)場(chǎng)存在異常狀況則及時(shí)做出響應(yīng)，盡快發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并予以處理，使隧道施工恢復(fù)正常狀態(tài)。

3)在拆除臨時(shí)支護(hù)時(shí)需要加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，判斷是否會(huì)對(duì)后續(xù)的施工造成影響。此外，注重對(duì)施工工序的協(xié)調(diào)，及時(shí)跟進(jìn)仰拱和二襯施工。對(duì)于臨時(shí)支護(hù)混凝土的拆除需要加強(qiáng)防護(hù)，不可因?yàn)榇隧?xiàng)工作的開(kāi)展而導(dǎo)致初支結(jié)構(gòu)受到擾動(dòng)性影響。

4)圍巖變形現(xiàn)象的出現(xiàn)將加劇現(xiàn)場(chǎng)施工安全隱患，不利于正常施工，為此，在施工中需注意：①遵循“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)、早封閉”的基本原則；②檢測(cè)上臺(tái)階噴射混凝土的強(qiáng)度，實(shí)測(cè)值達(dá)到設(shè)計(jì)值的70%后才具備開(kāi)挖下臺(tái)階的條件；③可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，以分左、右兩部分錯(cuò)開(kāi)開(kāi)挖的方式施工下臺(tái)階，且及時(shí)采取支護(hù)措施；④根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖等級(jí)，靈活控制仰拱與掌子面的距離，例如：Ⅲ級(jí)圍巖≤90 m、Ⅳ級(jí)圍巖≤50 m、V級(jí)圍巖≤40 m。

6 結(jié)束語(yǔ)

大斷面軟弱圍巖隧道的施工條件特殊，質(zhì)量要求較高，通過(guò)三臺(tái)階七步法的應(yīng)用可取得良好的應(yīng)用效果，能夠?qū)崿F(xiàn)施工安全、質(zhì)量可靠、經(jīng)濟(jì)高效的目的，由此說(shuō)明三臺(tái)階七步法具有可行性。在類似的隧道工程中，工程人員需從現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)、水文等基礎(chǔ)條件出發(fā)，制定具有可行性的三臺(tái)階七步法開(kāi)挖施工方案，再根據(jù)特定的流程有條理地開(kāi)展施工，保證隧道施工質(zhì)量。

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