【摘要】鐵路隧道設(shè)計(jì)斷面尺寸都很大，雙線隧道一般開挖斷面都在140平方米左右，在這種斷面情況下一般設(shè)計(jì)都是采用臺(tái)階法開挖較為普遍，臺(tái)階法開挖隧道經(jīng)常不可避免出現(xiàn)拱腳懸空。三臺(tái)階施工的基礎(chǔ)上改變原來中、下臺(tái)階左右錯(cuò)開分部開挖的傳統(tǒng)開挖方式，把各臺(tái)階斷面都開挖成斜角。采取即保證施工安全，又不讓各工作面閑置，更不讓各開挖面長時(shí)暴露，自由變形的施工方法，各臺(tái)階斷面與隧道中線成一定交角不垂直，保證了拱腳錯(cuò)開開挖支護(hù)施工。

【關(guān)鍵詞】隧道；大斷面；三臺(tái)階；開挖技術(shù)

0 引言

目前鐵路隧道設(shè)計(jì)斷面尺寸都很大，雙線隧道一般開挖斷面都在140平方米左右，在這種斷面情況下一般設(shè)計(jì)都是采用臺(tái)階法開挖較為普遍，在采用的普通的三臺(tái)階法施工中，大多由于工序繁多，一個(gè)循環(huán)時(shí)間過長，施工進(jìn)度緩慢。特別是在Ⅳ、Ⅴ級軟弱圍巖下施工，施工支護(hù)速度與變形有較大的關(guān)系，往往由于支護(hù)不及時(shí)、臺(tái)階過長、拱腳懸空等導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)產(chǎn)生較大變形，更有甚者產(chǎn)生安全事故。三臺(tái)階斜角同步開挖工法，就是在形成三臺(tái)階斜角同步開挖工作面后，能夠快速開挖、快速支護(hù)，避免左右拱架腳懸空、克服初支不及時(shí)、臺(tái)階過長這些通病，使隧道在軟弱圍巖

情況下快速掘進(jìn)，給后續(xù)工序二襯快速提供工作面，以便進(jìn)行襯砌施工，縮短軟弱圍巖自由變形時(shí)間，限制其變形空間。從而達(dá)到隧道快速施工的目的。因此，在南廣鐵路筆架隧道、六沾鐵路三聯(lián)隧道，通過認(rèn)真分析Ⅳ、Ⅴ級軟弱圍巖和普通三臺(tái)階施工工法情況，通過對各臺(tái)階各道工序認(rèn)真組織和臺(tái)階形式的改變，總結(jié)提出了一套新的施工方法，軟弱圍巖隧道三臺(tái)階斜角同步開挖施工工法，此工法在臺(tái)階法基礎(chǔ)上調(diào)整了臺(tái)階形式和各臺(tái)階各工序組織模式，有利于控制拱頂沉降及預(yù)防掉拱事故，保證施工時(shí)不會(huì)同地段初期支護(hù)左右兩側(cè)同時(shí)懸空，且臺(tái)階距離短，能及時(shí)封閉成環(huán)，相比臺(tái)階法其更具安全性；與其它三臺(tái)階七、六部開挖法相比，此工法減少了許多臨時(shí)支護(hù)，更經(jīng)濟(jì)，且施工作業(yè)速度快，所以施工進(jìn)度相比之下也有很大突破；因此有必要對該工法進(jìn)行研究，為類似工程提供借鑒。

1 軟弱圍巖三臺(tái)階斜角施工技術(shù)特點(diǎn)

1.1采用三個(gè)臺(tái)階同時(shí)開挖同時(shí)起爆，施工各個(gè)工序安排組織嚴(yán)密，各道工序安排銜接要求高，才能達(dá)到快速施工的目的。

1.2各個(gè)臺(tái)階斷面與隧道中心不垂直，成一定交角，保證各個(gè)臺(tái)階同時(shí)一次性開挖后，同一榀拱架腳左右拱架腳不同時(shí)懸空，爆破震動(dòng)撓動(dòng)次數(shù)少?！吧俜植俊踩?、快速施工”在臺(tái)階施工過程中加強(qiáng)支護(hù)效果對控制隧道變形至關(guān)重要[8]。

1.3各個(gè)臺(tái)階不宜過長，長了不宜形成三個(gè)臺(tái)階同時(shí)開挖的工作環(huán)境。臺(tái)階長度短，初期支護(hù)閉合成環(huán)快、轉(zhuǎn)渣方便，仰拱和拱墻襯砌能及時(shí)跟進(jìn)，較早形成穩(wěn)定的支護(hù)體系。由于各個(gè)臺(tái)階各道工序組織嚴(yán)密，相互協(xié)調(diào)配合程度高，必須具有較強(qiáng)的管理措施，才能發(fā)揮工法的優(yōu)勢。

2 施工工藝流程及安排要點(diǎn)

進(jìn)行材料、資源、安全設(shè)施準(zhǔn)備→上、中、下臺(tái)階鉆眼和裝藥→三個(gè)臺(tái)階同時(shí)起爆→上臺(tái)階扒渣同時(shí)下臺(tái)階出渣→上臺(tái)階錨桿鋼架安裝同時(shí)中臺(tái)階轉(zhuǎn)渣下臺(tái)階出渣→中臺(tái)階扒渣完成→中臺(tái)階錨桿鋼架安裝同時(shí)下臺(tái)階出渣→下臺(tái)階出渣完成→上、中臺(tái)階噴射混凝土同時(shí)下臺(tái)階錨桿鋼架安裝，待下臺(tái)階拱架安裝完成，使用上臺(tái)階噴射混凝土設(shè)備進(jìn)行下臺(tái)階噴射混凝土→進(jìn)入上中下臺(tái)階鉆眼。施工工藝流程圖如圖1所示。

3 工藝控制要點(diǎn)及措施

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

在軟弱圍巖隧道施工中，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)主要采用超前地質(zhì)鉆探、地質(zhì)雷達(dá)、TSP綜合預(yù)報(bào)的方法，利用地質(zhì)鉆機(jī)對開挖前進(jìn)行30～50m的鉆探，根據(jù)鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中鉆速和所取得的芯樣對開挖面前方較短距離內(nèi)的地質(zhì)情況進(jìn)行判斷，為提高其預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度，與TSP、地質(zhì)雷達(dá)、地質(zhì)素描校對使用。當(dāng)發(fā)現(xiàn)地質(zhì)有變化，立即進(jìn)行取樣進(jìn)行試驗(yàn)和加強(qiáng)監(jiān)測頻率等，每循環(huán)對開挖面地質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)查記錄，填寫隧道地質(zhì)調(diào)查表，繪制開挖斷面地質(zhì)素描圖。與設(shè)計(jì)地質(zhì)情況相符地段每10m繪制一套包括起止點(diǎn)里程開挖斷面、兩側(cè)邊墻及隧道底部地質(zhì)素描圖；與設(shè)計(jì)地質(zhì)情況有出入的地段每5m繪制一套包括起止點(diǎn)里程開挖面、兩側(cè)邊墻及隧道底部地質(zhì)素描圖[3]。

3.2 超前支護(hù)

超前支護(hù)根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)和規(guī)范相關(guān)要求進(jìn)行，并根據(jù)圍巖掉塊和地質(zhì)預(yù)報(bào)情況進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

3.3 開挖、初期支護(hù)步驟及注意事項(xiàng)

（1）開挖組織：為了確實(shí)能夠遵循軟弱圍巖“短進(jìn)尺、多循環(huán)、早封閉”的原則，施工組織是關(guān)鍵，三個(gè)臺(tái)階開挖后，通風(fēng)找頂完成，初噴后，應(yīng)安排下臺(tái)階出渣上臺(tái)階采用挖機(jī)進(jìn)行扒渣；與此同時(shí)，洞外組織支護(hù)材料和人員，預(yù)備上臺(tái)階進(jìn)行支護(hù)，待上臺(tái)階扒渣完成，下臺(tái)階出渣暫停，讓上臺(tái)階進(jìn)料完成后下臺(tái)階再繼續(xù)出渣；上臺(tái)階在進(jìn)行錨桿、拱架安裝的同時(shí)挖機(jī)把中臺(tái)階渣倒到下臺(tái)階。下臺(tái)階出渣要保證在上臺(tái)階安裝拱架完成時(shí)基本同時(shí)完成，確保及時(shí)進(jìn)行噴射混凝土作業(yè)。三臺(tái)階斜角同步開挖法開挖主要工序安排銜接見表1。

表1 軟弱圍巖隧道三臺(tái)階斜角同步開挖法主要工序安排銜接表

序號關(guān)鍵工序平行作業(yè)工序安排銜接示意圖備注

1測量放線

2上臺(tái)階鉆眼、裝藥起爆

3中臺(tái)階鉆眼、裝藥起爆

4下臺(tái)階鉆眼、裝藥起爆

5通風(fēng)清危初噴

4上臺(tái)階轉(zhuǎn)渣

5中臺(tái)階轉(zhuǎn)渣

6下臺(tái)階出渣

7上臺(tái)階錨桿、拱架安裝

8中臺(tái)階錨桿、接拱腳

9下臺(tái)階錨桿、接拱腳

10噴射混凝土

（2）開挖出渣方式：根據(jù)圍巖情況對于土質(zhì)隧道采用挖掘機(jī)開挖，人工配合修邊；對于石質(zhì)隧道采用鉆眼爆破，在進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)時(shí)，要按照控制爆破進(jìn)行震動(dòng)驗(yàn)算。出渣挖機(jī)配合裝載機(jī)裝渣，自卸汽車運(yùn)輸。挖掘機(jī)在中臺(tái)階平臺(tái)上對上、中臺(tái)階進(jìn)行轉(zhuǎn)渣，并將洞渣轉(zhuǎn)至下臺(tái)階，并配合裝載機(jī)（裝載機(jī)在下臺(tái)階）進(jìn)行裝渣、自卸汽車運(yùn)輸；上、中臺(tái)階轉(zhuǎn)渣完后挖掘機(jī)在中臺(tái)階對下臺(tái)階左右兩側(cè)剩余渣（裝載機(jī)很難裝的渣）進(jìn)行挖并裝車，同時(shí)裝載機(jī)在下臺(tái)階裝渣、自卸汽車運(yùn)輸。

（3）開挖、初期支護(hù)步驟：

1）在拱部超前支護(hù)的保護(hù)下，對上臺(tái)階進(jìn)行開挖，開挖到工法要求的三個(gè)臺(tái)階長度后，進(jìn)行中臺(tái)階開挖、下臺(tái)階開挖，形成三臺(tái)階斜角同步開挖的工作面；三臺(tái)階斜角同步開挖透視圖見圖2所示，三臺(tái)階斜角同步開挖步驟圖3所示。

2）根據(jù)圍巖情況，土質(zhì)隧道采用挖機(jī)開挖，人工修整的方式從上臺(tái)階到下臺(tái)階逐步進(jìn)行開挖和支護(hù)，中、下臺(tái)階形成斜角；對于石質(zhì)隧道采用鉆眼爆破的形式同時(shí)對三個(gè)臺(tái)階進(jìn)行鉆眼爆破開挖，中、下臺(tái)階形成斜角。

3）進(jìn)行上臺(tái)階的初噴、拱架架立、鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，初噴時(shí)出渣、轉(zhuǎn)渣稍作停頓；同時(shí)挖掘機(jī)把中臺(tái)階開挖的渣轉(zhuǎn)至下臺(tái)階，并配合裝載機(jī)進(jìn)行下臺(tái)階出渣；

4）進(jìn)行上臺(tái)階鎖腳錨管、超前小導(dǎo)管施工；同時(shí)進(jìn)行中臺(tái)階左右側(cè)兩個(gè)側(cè)墻工作面初噴、拱架架立、掛鋼筋網(wǎng)，下臺(tái)階左右側(cè)初噴、架立拱架；此時(shí)隧道出渣已經(jīng)完成，所有噴射混凝土的機(jī)具、設(shè)備、風(fēng)水電等均已就位；

5）進(jìn)行上臺(tái)階噴射混凝土施工；同時(shí)中臺(tái)階左右側(cè)進(jìn)行鎖腳錨管、錨桿鉆安；下臺(tái)階左右側(cè)掛鋼筋網(wǎng)、鉆安錨桿及鎖腳錨管；進(jìn)行中下臺(tái)階左右拱腳四個(gè)工作面噴射混凝土施工。

圖2 三臺(tái)階斜角同步開挖法開挖透視圖

圖3 三臺(tái)階斜角同步開挖法開挖工序圖

3.4仰拱施工

（1）隧底開挖

隧底開挖采用全幅分段施工，上面鋪設(shè)仰拱棧橋，仰拱棧橋長16～18m，單幅寬1.2m，每幅由工鋼和防滑鋼板焊成，棧橋放在隧道中部。隧底每循環(huán)開挖長度控制在2～3榀拱架間距。如仰拱施工滯后，初支仰拱距上臺(tái)階開挖面的距離超過35m時(shí)，應(yīng)停止上臺(tái)階工作面的開挖或跳槽進(jìn)行隧底開挖。

（2）仰拱初期支護(hù)

隧底開挖后，及時(shí)清除虛渣、雜物、泥漿、積水，然后安裝鋼架和縱向連接筋，噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度，使初期支護(hù)及時(shí)閉合成環(huán)。

（3）仰拱混凝土澆筑

仰拱應(yīng)超前拱墻襯砌，其超前距離宜保持2～3倍襯砌循環(huán)作業(yè)長度，二襯仰拱距上臺(tái)階開挖面的距離應(yīng)≤50m。仰拱每循環(huán)澆筑長度與拱墻每循環(huán)襯砌長度相同，具體尺寸取決于模板臺(tái)車長度，施工時(shí)應(yīng)保證仰拱與拱墻施工縫在同一斷面[5]。仰拱成型采用浮放模板支架。仰拱混凝土應(yīng)分段全幅澆筑，一次成型，不留縱向施工縫，仰拱施工縫和變形縫應(yīng)施作止水帶。仰拱表面應(yīng)平順、不積水。

（4）仰拱填充混凝土澆筑

仰拱填充混凝土應(yīng)在仰拱混凝土終凝后澆筑，澆筑前應(yīng)清除仰拱表面的雜物和積水，連續(xù)澆筑，一次成型，不留縱向施工縫。仰拱填充表面坡度應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，應(yīng)平順、排水通暢、不積水。到達(dá)要求強(qiáng)度后移走棧橋，對填充面應(yīng)回填0.5～1.0m保護(hù)層，再進(jìn)行通車。

3.5拱墻二襯施工

Ⅳ、Ⅴ級圍巖隧道應(yīng)根據(jù)圍巖和支護(hù)量測的變形速率來確定二次襯砌的施作時(shí)間，還要根據(jù)變形速率來確定二次襯砌的脫模時(shí)間。

拱墻二次襯砌采用全斷面整體鋼模襯砌臺(tái)車、拱墻一次灌筑混凝土，施工前按設(shè)計(jì)要求施作防水層、二襯鋼筋。拱墻二襯距上臺(tái)階開挖面的距離應(yīng)≤90m。

3.6監(jiān)控量測

根據(jù)隧道地質(zhì)情況、施工方法、斷面情況制定監(jiān)控量測實(shí)施方案，制定監(jiān)控量測控制基準(zhǔn)值，成立監(jiān)控量測工作小組，及時(shí)掌握先進(jìn)儀器設(shè)備使用和后期處理軟件的應(yīng)用。但使用全站儀進(jìn)行地表沉降、拱頂下沉、凈空變化等須使用高精密全站儀，測距精度不低于0.5mm，以保證量測精度。

1）收斂量測：將量測記錄及時(shí)輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，繪制洞內(nèi)各測點(diǎn)的位移-時(shí)間的關(guān)系曲線，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及回歸分析，分析開挖上、中、下臺(tái)階時(shí)，支護(hù)全環(huán)閉合后，變形趨于平緩。收斂值大部分均應(yīng)控制在控限標(biāo)準(zhǔn)的75%就趨于穩(wěn)定，且后施工的隧道與先施工的隧道變形相差不大，說明施工方法支和護(hù)參數(shù)是安全可行的。

2）拱頂沉降和地表下沉量測：隧道地表下沉與控限標(biāo)準(zhǔn)比較不應(yīng)超過80%，拱頂沉降主要是在施工中下臺(tái)階初支仰拱時(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯速度增大現(xiàn)象，應(yīng)重點(diǎn)控制，應(yīng)達(dá)到初支仰拱施作完，明顯趨于平穩(wěn)。

4 勞動(dòng)力組織與工作內(nèi)容

單作業(yè)面單循環(huán)施工作業(yè)人員配備見表2，以下人員配置是施工現(xiàn)場工作面所需作業(yè)人員及必要的現(xiàn)場管理人員的配置[6]。

表2 單作業(yè)面單循環(huán)施工作業(yè)人員配備表

作業(yè)內(nèi)容所需人數(shù)備 注

上臺(tái)階

開挖初支23打鉆、裝藥，施作超前小導(dǎo)管、系統(tǒng)錨桿、鋼筋網(wǎng)片、拱架、鎖腳錨管、噴射混凝土等。

中臺(tái)階

開挖初支9打鉆、裝藥，施作系統(tǒng)錨桿、鋼筋網(wǎng)片、接拱腳、鎖腳錨管等。

下臺(tái)階

開挖初支8打鉆、裝藥，施作鋼筋網(wǎng)片、接拱腳、鎖腳錨管等。

挖掘機(jī)司機(jī)1把上臺(tái)階、中臺(tái)階開挖的渣轉(zhuǎn)至下臺(tái)階，并協(xié)助裝載機(jī)出渣。

裝載機(jī)司機(jī)1裝渣。

自卸汽車司機(jī)4根據(jù)運(yùn)距所需車輛而定。

合計(jì)46

說明：該表只包含開挖、初支工序生產(chǎn)人員。

5 實(shí)施效果評價(jià)

在新建南廣鐵路筆架山隧道出口于2009年5月1開工，6月1日進(jìn)入正洞開挖施工，于11年7月10日順利完成隧道出口IDK341+199.9～I(xiàn)DK342+775共1575.1m的隧道開挖施工，采用三臺(tái)階七步法施工309米，采用三臺(tái)階斜角開挖法施工了456m，采用上下臺(tái)階施工352.1m，采用全斷面施工了458m。三臺(tái)階斜角開挖施工情況見圖4 所示。

在施工中對三臺(tái)階七步開挖法改進(jìn)為三臺(tái)階斜角開挖法后嚴(yán)格按照三臺(tái)階斜角開挖工法進(jìn)行施工，嚴(yán)格按照制訂的監(jiān)控量測方案進(jìn)行量測，根據(jù)量測信息及時(shí)調(diào)整預(yù)留變形量和支護(hù)參數(shù)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)施工，順利地穿過了奧陶系中統(tǒng)縮尾群千枚巖夾變質(zhì)砂巖和（F4）破碎帶及其影響帶，在施工中未發(fā)生塌方和施工質(zhì)量、安全事故，平均每天進(jìn)尺Ⅳ級圍巖4m/d，Ⅴ級圍巖2m/d。

通過新建南廣鐵路筆架山隧道出口工區(qū)軟弱圍巖段采用的三臺(tái)階斜角開挖施工工程證明了有效性和實(shí)用性。

6 結(jié)論與體會(huì)

采用三臺(tái)階斜角能有效地控制隧道變形，使工程施工處于安全、可控狀態(tài)，在保證安全的前提下加快進(jìn)度節(jié)省人工、機(jī)械費(fèi)，從而節(jié)約了資金。三個(gè)臺(tái)階同步開挖，而且同一榀拱架拱腳不同時(shí)懸空，保證了安全的前提下，單洞單口開挖支護(hù)平均進(jìn)度指標(biāo)可達(dá)80～120m/月。而且能夠確保有充足時(shí)間進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。該方法克服了斷面大的軟弱圍巖隧道自穩(wěn)能力差、初期支護(hù)變形大、施工開挖支護(hù)時(shí)間長等施工難題，實(shí)現(xiàn)了安全、經(jīng)濟(jì)、快速修建大跨軟弱圍巖隧道，對今后Ⅳ、Ⅴ級圍巖隧道和類似工程設(shè)計(jì)施工具有指導(dǎo)作用。此施工方法豐富了隧道開挖施工方法，雖然三個(gè)臺(tái)階同步開挖，由于是中、下臺(tái)階斷面與隧道中線斜交形成斜角，導(dǎo)致同一榀拱架拱腳不同時(shí)懸空，縮短了圍巖暴露時(shí)間，提高了隧道施工安全性，提高了隧道開挖支護(hù)施工技術(shù)水平。此施工方法與同類圍巖的三臺(tái)階七步法、三臺(tái)階六步法相比，減少了施工工序投入，并且方便機(jī)械化施工，可多作業(yè)面平行施工，提高了機(jī)械設(shè)備的綜合利用率、進(jìn)度快、工效高，其工期和經(jīng)濟(jì)效益明顯。

參考文獻(xiàn)：

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[5] 洪開榮等著《山區(qū)高速公路隧道施工關(guān)鍵技術(shù)》2011 人民交通出版社

[6] 中鐵隧道集團(tuán)有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路工程項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)化施工管理手冊》2010 洛陽 中鐵隧道集團(tuán)有限公司發(fā)布

[7] 經(jīng)規(guī)標(biāo)準(zhǔn)[2007]119號 鐵路大斷面隧道三臺(tái)階七步開挖法施工作業(yè)指南[s]. 北京 中國鐵道出版社，2009.

[8] 李文江等.軟巖隧道施工方法數(shù)值分析[J].隧道建設(shè)，2010，30（2）：137-141.

作者簡介： 楊濤，男，1976年出生湖南省邵陽市，1999年畢業(yè)于長沙鐵道學(xué)院國際貿(mào)易專業(yè)，本科，工程師，現(xiàn)從事工程管理工作。