李國棟

（山西路恒交通勘察設(shè)計咨詢有限公司，山西 太原 030031）

三臺階開挖法在軟弱圍巖隧道中的應(yīng)用

李國棟

（山西路恒交通勘察設(shè)計咨詢有限公司，山西 太原 030031）

以青海省樂都縣高廟鎮(zhèn)的隧道為例，介紹了在隧道開挖過程中具體的施工概況。三臺階開挖法作為一種快速簡便的隧道施工新技術(shù)，已在我國隧道施工中得到越來越多的應(yīng)用，它的工作機理和計算方法的研究還不夠完善，通過對高廟隧道的施工詳細描述了三臺階開挖法在軟巖隧道中的應(yīng)用、具體施工辦法及優(yōu)點。根據(jù)具體施工情況，闡述了施工的開挖方法、三臺階施工法的具體施工步驟、人工配置、測量控制、監(jiān)控等方面情況。

三臺階開挖法；新奧法；三結(jié)合原則

當(dāng)今社會發(fā)展日新月異，高速鐵路和公路的修建對線路、線形的要求越來越高，越來越追求直線化。山嶺地區(qū)修建鐵路想滿足時速要求，就難免要修建多條隧道，許多軟巖隧道仍然是施工中的難點。按照新奧法施工原理，短臺階法是軟巖隧道施工的關(guān)鍵，由短臺階法變化而來的三臺階法用在軟巖隧道中，既安全又能提高進度，是值得推廣和使用的開挖方法。

三臺階法又稱弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法。核心土用來支擋開挖工作面，方便及時施作拱部初期支護，延長開挖作業(yè)面的穩(wěn)定。預(yù)留的核心土及下部開挖，在拱部初期支護后才能進行，施工安全性可以得到保障?；⌒螌?dǎo)坑開挖進尺0.5～1.0m。

弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法，能提前使支護結(jié)構(gòu)形成閉合斷面，優(yōu)點在于可以有效地控制隧道的內(nèi)空變位速度和變位量，有效控制地表下沉量?；⌒螌?dǎo)坑預(yù)留核心土法，分成上、中、下3個臺階進行施工，上、中、下斷面并行施工。在并行施工中控制開挖步距，上、中臺階長度為3～5m，中、下臺階長度為5～10m。以最早形成閉合斷面為前提，3個臺階長度可根據(jù)實際情況，靈活調(diào)整。

隧道工程在整個道路施工工程中占有極其重要的地位，針對目前國內(nèi)處理軟弱圍巖隧道的方法和借鑒一些工程實例，結(jié)合我國處理同類圍巖的施工經(jīng)驗，最終選擇三臺階開挖法作為隧道支護方案展開論述。三臺階開挖法在我國已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，積累了許多寶貴的施工經(jīng)驗，這也是我國大多數(shù)地區(qū)選擇三臺階開挖法作為軟弱圍巖支護方案的一個重要原因。

1 工程概況

1.1 隧道概況

隧址位于青海省樂都縣高廟鎮(zhèn)，洞身穿過湟水河左側(cè)高階地形，周邊沖溝發(fā)育，起伏較大，穿越地質(zhì)以砂卵石土質(zhì)為主，最大埋深約75m。起訖里程DK100+355～DK101+545，全長1 190m，進口400m位于直線上，出口800m位于半徑為3 500m的曲線上。線路縱坡為5.2‰單面上坡。通過既有線蘭青一線鐵路，省道及鄉(xiāng)村水泥道路相通，交通便利。

1.2 地質(zhì)概況

通過地層主要為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土、沖積砂質(zhì)黃土、沖積粗圓礫土、卵石土，山體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地下水系豐富，地質(zhì)條件較差。砂卵石土質(zhì)隧道為國家二級科研課題，該項目施工是國家科技研究項目的實體展現(xiàn)，同時安全貫通，也是本隧道作為課題的關(guān)鍵。

2 施工方法

2.1 開挖方法

依據(jù)新奧法原理組織施工，DK100+355～DK101+485采用三臺階法（弧形導(dǎo)坑留核心土法），DK101+485～DK101+545采用三臺階法(襯砌緊跟法)。

采用人工配合機械開挖，如需爆破時采用松動爆破，弧形邊緣人工整修，盡最大限度控制開挖輪廓圓順，弧形邊緣平整。開挖中加強對作業(yè)面的地質(zhì)素描和超前地質(zhì)預(yù)報工作。減少機械作業(yè)對圍巖的擾動，初期支護立即跟進。

本隧道全線為Ⅴ級圍巖，變形量預(yù)留8 cm。

2.1.1 三臺階法施工

DK100+355～DK101+485采用上部弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法施工?；⌒螌?dǎo)坑留核心土法施工示意圖，如圖1所示。

圖1 弧形導(dǎo)坑留核心土法施工示意圖

上臺階開挖超前中臺階3～5 m，開挖后及時封閉掌子面，素噴8 cm混凝土，開始施做錨桿、鎖腳錨管和超前支護。中臺階距下臺街5～10 m，中、下臺階開挖，素噴混凝土后施做錨桿和鎖腳錨管。挖掘機配合運土車出碴，復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度。

采用風(fēng)鎬，人工對弧形導(dǎo)坑進行開挖。遇到堅硬地質(zhì)時，輔以弱爆破，中下導(dǎo)及仰拱部位，采用控制爆破開挖，進尺間距不超3m。用噴混凝土封閉作業(yè)面，然后采用復(fù)合支護進行加強。預(yù)留核心土距拱頂1.5 m，坡腳距拱腳2.5 m。上中導(dǎo)開挖后，將洞碴扒至下導(dǎo)，裝載機裝碴，自卸車出碴。

按規(guī)范圍巖量測，實行動態(tài)化管理，根據(jù)實際調(diào)整參數(shù)。

每一循環(huán)進尺為67 cm，循環(huán)時間290min，月進尺為90m。

施工注意事項：①邊墻開挖時，左、右交錯施工，3個作業(yè)面平行作業(yè)，仰拱實行短開挖、早支護，及時形成環(huán)向封閉；②加強抽排水，嚴防失穩(wěn)。

2.1.2 實際應(yīng)用

DK101+485～DK101+545段，隧道通過地層主要為風(fēng)積砂質(zhì)黃土,有三級非自重濕陷性。由于土質(zhì)比較松散，開挖支護比較困難，進尺5～6 m，及時封閉掌子面，施作仰拱和二襯。

三臺階法配合襯砌緊跟法施工，在局部特殊地質(zhì)段，因結(jié)構(gòu)失穩(wěn)因素較大，循環(huán)進尺控制在0.67 m，循環(huán)時間480min,每天進尺2.0m，由于此方法在本隧道施工中應(yīng)用較少，所以不做過多敘述。

2.2 襯砌施工

隧道二次襯砌按照“新奧法原理”，在圍巖及初期支護變形基本穩(wěn)定后進行施工。二次襯砌按照先仰供和填充、后拱墻的次序施作,墻、拱整體澆筑。二次襯砌施工時間必須滿足下列要求：①隧道周邊位移速率有明顯減緩趨勢；②Ⅴ級圍巖應(yīng)在圍巖較大范圍的變形和應(yīng)力釋放后，根據(jù)施工現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果和設(shè)計要求確定二次襯砌施作時間；③初期支護表面的裂隙不再繼續(xù)發(fā)展；累計位移值已達到極限相對位移值的80%以上。

隧道二次襯砌前，必須先清理基底雜物、積水和浮碴；檢查防水板搭接寬度、搭接縫質(zhì)量、與圍巖接觸程度等，對不符合設(shè)計及《客運專線鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗收暫行標準》規(guī)定的應(yīng)予以返工整修，直至達到要求；拆除上組襯砌砼施工縫（變形縫）處止水（條）帶保護膜，涂刷砼界面劑；襯砌臺車采用9.0m長全斷面液壓整體模板臺車，安裝襯砌模板臺車時必須保證位置準確，連接牢靠，嚴防走動，襯砌模板臺車前端裝設(shè)帶氣囊的鋼制擋頭模板，擋頭模板應(yīng)按襯砌斷面制作，模板接頭應(yīng)整齊平順；擋頭板與初襯間隙應(yīng)嵌堵緊密，按設(shè)計施做防水隔離設(shè)施。砼澆注采用砼輸送泵作業(yè)，由下向上、對稱分層、先墻后拱灌注。

3 隧道排水

高廟隧道施工中，DK100+470～DK100+865段出現(xiàn)大量涌水，本隧道施工遵循以混凝土自防水為主體，加強預(yù)防可能滲水的部位，采取措施控制混凝土裂縫的開展，增強混凝土的抗?jié)B性能，并輔以注漿和防水層加強。

隧道洞口設(shè)置截水溝和排水溝，截水溝設(shè)置在邊、仰坡以外，距邊、仰坡不得小于5m，按設(shè)計要求施工。隧道反坡施工時，洞外路塹側(cè)溝做成2‰的反坡，并在洞門外1～1.5m處設(shè)橫向截水盲溝一道，以攔截洞外水流入隧道。洞內(nèi)順坡排水水溝斷面滿足隧道中滲漏水和施工廢水的排出需要，在富水地帶根據(jù)需要加強水溝鋪砌或用管槽代替。排水溝經(jīng)常清理。洞內(nèi)反坡施工時，根據(jù)坡度、水量和設(shè)備情況布置管路和泵站，一次或分段接力排出洞外。集水坑的容積按實際排水量確定，位置確定應(yīng)考慮減少施工干擾。配備抽水機的能力應(yīng)大于排水量20%以上，并應(yīng)有備用臺數(shù)。

4 工人配置

本隧道施工所需勞動力人員安排：①隧道進口勞動力人員，共計160人；②隧道出口勞動力人員，共計160人；③其他后勤工、養(yǎng)路工、衛(wèi)生清潔工、雜工等人員，共計40人。

本次投入施工勞動力人員共計320人，高峰期達400人。根據(jù)施工需要合理安排施工人員上場計劃。

所在隧道施工工作人員正式施工前應(yīng)進行技術(shù)和安全培訓(xùn)。施工中各工種及工作內(nèi)容應(yīng)相應(yīng)固定，以使其熟練程度達到最佳。交接班在現(xiàn)場，接班者應(yīng)提前到現(xiàn)場，準備接班。

洞外砼供料人員采取三班作業(yè)，人員配置設(shè)在拌和站。

5 測量控制

①平面控制網(wǎng)復(fù)測；②附合導(dǎo)線測設(shè)：導(dǎo)線全長閉合差≤±1/30 000；③高程控制：觀測精度符合偶然誤差±2mm，全中誤差±4mm，往返閉合差≤±8兩次觀測誤差超限時重測。

6 監(jiān)控

采用BJSD-2型激光隧道限界檢測斷面儀和NA28水準儀等進行周邊水平收斂和拱頂下沉量測。凈空水平收斂量測和拱頂下沉量測列為必測項目，必要時在隧底增設(shè)隧底上鼓量測及地表沉降量測項目。

量測斷面間距，本隧道取10m。

7 結(jié)束語

隧道工程是一個綜合性、實踐性和地區(qū)性特征很強的巖土工程問題，隧道工程設(shè)計應(yīng)結(jié)合地區(qū)特征（如氣候狀況、環(huán)境特征、水文地質(zhì)）、工程特點和實踐經(jīng)驗進行，成功的隧道工程設(shè)計遵循的原則是“理論導(dǎo)向、量測定量、經(jīng)驗判斷”三者結(jié)合的原則。

依據(jù)經(jīng)驗和理論分析，隧道圍護體系失效一般原因主要由三方面原因造成：一是因為內(nèi)在設(shè)計不合理因素導(dǎo)致支護體系失穩(wěn)（如整體穩(wěn)定、抗傾覆、抗隆起安全性小，支護結(jié)構(gòu)強度、剛度不足破壞等）而引起隧道失穩(wěn)；二是因為外界環(huán)境變化（如雷雨天氣、超載、水滲入）引發(fā)隧道失穩(wěn)；三是因為施工因素（如支護結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量達不到設(shè)計要求、挖土不合理、挖土擾動支護結(jié)構(gòu)等）引發(fā)的隧道失穩(wěn)。為了防止隧道失穩(wěn)主要應(yīng)從支護結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工等方面加以控制，以及通過施工監(jiān)測來預(yù)防巖體失穩(wěn)。軟土地區(qū)支護結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)采用適合的計算理論，在這方面理論研究較多，也比較成熟。軟巖隧道開挖設(shè)計宜采用“時空效應(yīng)”，進行挖土設(shè)計和安全控制是非常有必要的，這也是工程經(jīng)驗所證明的。如在隧道支護和施工方案設(shè)計過程中應(yīng)依據(jù)隧道“時空效應(yīng)”理論，采取了合理的開挖方案和完善的隧道施工監(jiān)測技術(shù)，是保證隧道安全有效實施的關(guān)鍵。

目前，三臺階開挖法在國內(nèi)軟巖隧道工程中得到廣泛應(yīng)用，通過實踐了解了三臺階開挖法在具體軟巖支護工程中的成功應(yīng)用，掌握了軟巖隧道的設(shè)計與施工情況，并對三臺階開挖法在軟巖隧道工程中的應(yīng)用進行了總結(jié)。

[1]中華人民共和國行業(yè)標準.JTGD70-2004 公路隧道設(shè)計規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

Application of Three Steps Excavation Method in Soft Rock Tunnel

LiGuodong

Qinghai Province the of Ledu County Gaomiao town the tunnel,for example,introduced in the tunnel excavation construction process of concrete.Three- step excavation method as a quick and easy tunnel construction newtechnologies, more and more applications in tunnel construction in China, its working mechanism and calculation method is still not perfect, by of Gaomiao tunnel construction a detailed description of the three- step tunneling method in soft rock tunnel, concrete construction methods and advantage.According to the concrete construction, illustrates construction excavation method, three step construction methods of concrete steps, manual configuration, measurement and control,monitoring and other aspects.

three- step excavation method;newAustrian tunneling method;three- pronged principle

U 455.41+1

A

1000-8136（2013）02-0033-03

（編輯：王靜）