文/謝偉 神華集團(tuán)蒙東鐵路有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021000

大拱腳臺(tái)階法施工技術(shù)在隧道軟弱圍巖施工中的應(yīng)用

文/謝偉 神華集團(tuán)蒙東鐵路有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021000

隧道工程建設(shè)中，軟弱圍巖隧道要穿越節(jié)理發(fā)育、圍巖完整性差、圍巖破碎的復(fù)雜地質(zhì)，針對(duì)這一問(wèn)題，在經(jīng)過(guò)隧道建設(shè)者們長(zhǎng)期的施工實(shí)踐和不斷總結(jié)后，形成了大拱腳臺(tái)階法這一施工技術(shù)，保證了隧道工程質(zhì)量和安全。文章對(duì)大拱腳臺(tái)階法工藝流程、施工工藝、操作要點(diǎn)、施工質(zhì)量控制要求進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述，以期為工程實(shí)踐提供借鑒。

軟弱圍巖隧道；大拱腳臺(tái)階法；施工技術(shù)

1.前言

近年來(lái)，國(guó)家加大了交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，特大長(zhǎng)隧道、軟弱圍巖斷面的隧道相繼出在山嶺地區(qū)現(xiàn)，特別是對(duì)于隧道Ⅴ、Ⅳ級(jí)圍巖來(lái)說(shuō)，施工難度大，而以往采用的傳統(tǒng)礦山法中的三臺(tái)階法、預(yù)留核心土法難以滿(mǎn)足施工安全要求，而CD法、CRD法又因施工復(fù)雜、速度慢常常無(wú)法滿(mǎn)足施工進(jìn)度要求。因此，我們需要研究出一種適用于軟弱圍巖隧道施工的施工工藝，即要求工藝成熟、又要便于操作，來(lái)滿(mǎn)足隧道施工的需要。大拱腳臺(tái)階法在大斷面軟弱圍巖隧道上的成功應(yīng)用，這種技術(shù)也在實(shí)踐中不斷完善，給隧道工程建設(shè)帶來(lái)了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。神華集團(tuán)的大準(zhǔn)鐵路增二線(xiàn)井溝1#隧道，全長(zhǎng)465m，為雙線(xiàn)隧道，隧道圍巖主要為Ⅳ、Ⅴ級(jí)泥灰?guī)r、新黃土，弱膨脹性，自穩(wěn)性極差，對(duì)新黃土及泥灰?guī)r地段采用了大拱腳臺(tái)階法施工，順利、快速通過(guò)了該段軟弱圍巖地段。

2.大拱腳臺(tái)階法概述

2.1 工藝原理

大拱腳臺(tái)階法是將隧道開(kāi)挖支護(hù)作業(yè)面分為6個(gè)階段施工同時(shí)施工、同時(shí)支護(hù)形成穩(wěn)固支護(hù)整體，逐步向前掘進(jìn)的施工工藝。這種施工工藝的基本原理是將三臺(tái)階施工法的進(jìn)一步優(yōu)化，并借鑒了部分預(yù)留核心土的施工原理，符合隧道新奧法施工對(duì)圍巖變形控制的原理。大拱腳臺(tái)階法施工可以減少三臺(tái)階分步開(kāi)挖的次數(shù)，能及時(shí)將初期支護(hù)封閉，同時(shí)因?yàn)楣安考皶r(shí)成環(huán)，使邊墻初期支護(hù)能盡早完成，利于控制變形，提高了施工過(guò)程中的安全性。針對(duì)隧道軟弱圍巖承載力不足，大拱腳的精髓就是可通過(guò)擴(kuò)大臺(tái)階鋼架拱腳的受力面積措施來(lái)增大承載力。

采用MIDAS 軟件計(jì)算對(duì)井溝1#隧道新黃土地質(zhì)進(jìn)行受力驗(yàn)算，新黃土采用密度15.2KN/m3，彈性模量e=1.03+e5，泊松比0.3；模型建立采用上部開(kāi)挖、初期支護(hù)硬化后計(jì)算鋼架底部受力。因?yàn)楫?dāng)上部開(kāi)挖支護(hù)后進(jìn)行下部開(kāi)挖時(shí)最容易發(fā)生塌方，此時(shí)采用采用大拱腳進(jìn)行對(duì)鋼架底部加固，防止塌方。應(yīng)力如圖1所示，通過(guò)軟件計(jì)算結(jié)果可知，上拱鋼架底部受力最大，左側(cè)約102KN，右側(cè)約99KN，如不采取加固措施，在下臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)上拱部初期支護(hù)極易變形、坍塌。

圖1 隧道拱部受力圖

2.2 工藝優(yōu)勢(shì)

（1）快速便捷。與其他開(kāi)挖方法相比，大拱腳臺(tái)階法可以使各個(gè)作業(yè)面平行作業(yè)，避免了預(yù)留核心土操作空間小，開(kāi)挖慢的缺陷。不需要臨時(shí)支護(hù)，滿(mǎn)足機(jī)械化施工的要求。

（2）適應(yīng)性高。如出現(xiàn)軟硬圍巖變化、圍巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變等情況時(shí)，可以較為迅速的轉(zhuǎn)換為CD法或CRD法等其他工法進(jìn)行施工。

（3）更安全。大拱腳臺(tái)階法沒(méi)有臨時(shí)支撐或支護(hù)，與CD法或CRD法對(duì)比，避免了拆除臨時(shí)支護(hù)的安全隱患，有效降低了風(fēng)險(xiǎn)。

（4）節(jié)約成本。與傳統(tǒng)施工方法相比，大拱腳施工方法的材料、設(shè)備均為隧道施工常用材料、設(shè)備，便于采購(gòu)，成本低廉，這樣大大節(jié)約了施工成本。

（5）工效快。由于大拱腳臺(tái)階法平行作業(yè)，使前期作業(yè)時(shí)間提前，加快了施工進(jìn)度，縮短施工時(shí)間。

2.3 工藝適用范圍

（1）一般適用于Ⅳ、Ⅴ級(jí)軟弱圍巖大斷面隧道、淺埋以及深埋的地質(zhì)情況較好的大斷面隧道。

（2）另外對(duì)于低風(fēng)險(xiǎn)、低濃度瓦斯隧道，也可應(yīng)用。

3.大拱腳臺(tái)階法開(kāi)挖工序說(shuō)明

隧道開(kāi)挖分步工藝見(jiàn)圖2。

圖2 大拱腳臺(tái)階法開(kāi)挖分步工藝

（1）利用上一循環(huán)架立的鋼架，施作隧道拱部?42mm超前小導(dǎo)管，小導(dǎo)管長(zhǎng)3.5m，重疊2m，然后在拱部超前支護(hù)后進(jìn)行上部弧形導(dǎo)坑的環(huán)形開(kāi)挖，預(yù)留長(zhǎng)度為3～5m，寬度為隧道開(kāi)挖寬度的1/3到1/2之間的核心土。開(kāi)挖后立即施作上部初期支護(hù)，具體做法：先噴射4cm厚的混凝土，上面掛鋼筋網(wǎng)，并架設(shè)鋼架，然后人工開(kāi)挖施作大拱腳系統(tǒng)支護(hù)，同時(shí)注意在鋼架兩側(cè)邊沿45度傾角設(shè)鎖腳錨桿，將鎖腳錨桿與鋼架焊牢，施工置徑向錨桿后再次噴射混凝土至設(shè)計(jì)厚度。開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺為一榀鋼架，間距0.8m。

（2）在滯后部位約3～5 m后，進(jìn)行左側(cè)部中臺(tái)階的開(kāi)挖。開(kāi)挖高度一般為3.5～4m，按初期支護(hù)鋼架間距確定。開(kāi)挖后立即施作下部初期支護(hù)，具體做法同上部初期支護(hù)的施作。

（3）在滯后部位約2～3m后，進(jìn)行右側(cè)部中臺(tái)階的開(kāi)挖，右側(cè)部中臺(tái)階的開(kāi)挖支護(hù)方式同左側(cè)部中臺(tái)階。

（4）見(jiàn)圖2，開(kāi)挖上臺(tái)階④部位、中臺(tái)階⑤部位，在滯后部位約3～4m后，依次進(jìn)行上臺(tái)階④部位、中臺(tái)階⑤部位的開(kāi)挖，開(kāi)挖進(jìn)尺與臺(tái)階循環(huán)進(jìn)尺一致。

（5）見(jiàn)圖2，開(kāi)挖隧底⑥部位，在滯后⑤部位約4～5m后，開(kāi)挖⑥部位剩余部分，開(kāi)挖后先噴4cm厚混凝土，安裝仰拱鋼架，將仰拱鋼架與左右側(cè)落地鋼架連接牢固，再次噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。為了不影響車(chē)輛進(jìn)出，應(yīng)及時(shí)施作仰拱并進(jìn)行仰拱回填，仰拱分段開(kāi)挖長(zhǎng)度一般3榀拱架。

大拱腳臺(tái)階法初期支護(hù)施工工藝流程見(jiàn)圖3

個(gè)人安全防護(hù)物品。

（3）持證上崗，特種設(shè)備操作人員、專(zhuān)職安全員、爆破人員必須經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)并取得國(guó)家監(jiān)管部門(mén)頒發(fā)的合格證書(shū)。

（4）對(duì)于特殊地質(zhì)條件，應(yīng)加強(qiáng)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估管理，保證針對(duì)性的預(yù)防措施的落實(shí)。

（5）落實(shí)安全生產(chǎn)責(zé)任制，細(xì)化安全考核辦法，加強(qiáng)日常安全檢查的力度，制定一定獎(jiǎng)懲措施。

（6）進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)安全技術(shù)交流，建立快速反應(yīng)機(jī)制和隧道施工應(yīng)急預(yù)案，并定期進(jìn)行應(yīng)急演練。

（7）詳細(xì)掌握隧道設(shè)計(jì)地質(zhì)資料，在施工時(shí)做好瓦斯、CO等有害氣體檢測(cè)工作。

（8）隧道內(nèi)搭設(shè)的臨時(shí)工作臺(tái)必須放置穩(wěn)妥，堅(jiān)固牢靠，而且工作臺(tái)應(yīng)當(dāng)設(shè)有梯子和安全防護(hù)桿。

（9）嚴(yán)格遵守現(xiàn)行《爆破安全規(guī)程》有關(guān)規(guī)定，對(duì)隧道爆破作業(yè)和火工品進(jìn)行安全管理。特別是存在瓦斯風(fēng)險(xiǎn)的隧道，在施工作業(yè)中應(yīng)符合《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定。對(duì)于地層含有瓦斯的隧道施工區(qū)段，要采用煤礦許用安全炸藥、雷管。

8.總結(jié)

與傳統(tǒng)施工方法相比，大拱腳臺(tái)階法有著較為明顯的優(yōu)勢(shì)，特別是對(duì)于施工空間大，機(jī)械化程度高的軟弱圍巖大斷面隧道。應(yīng)用這種方法操作簡(jiǎn)單，作業(yè)速度快，經(jīng)濟(jì)安全，有效地提高了開(kāi)挖質(zhì)量，使其成為了軟弱復(fù)雜地質(zhì)條件下大斷面隧道的主要施工方法。隨著隧道工程建設(shè)的需求在不斷增多，要求也越來(lái)越高，只有不斷總結(jié)傳統(tǒng)施工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和成功實(shí)踐應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)造更好的施工技術(shù)，才能滿(mǎn)足工程建設(shè)的要求，做好隧道工程建設(shè)。

［1］關(guān)寶樹(shù)，趙勇.軟弱圍巖隧道施工技術(shù).人民交通出版社,2011.

［2］土木學(xué)會(huì).隧道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[盾構(gòu)篇]及解說(shuō).中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2011.

［3］吳多云.高速鐵路淺埋隧道施工方案優(yōu)化及監(jiān)測(cè)分析.湖南科技大學(xué),2011.

［4］李勇，周宇. 三臺(tái)階法在山嶺隧道淺埋段中的應(yīng)用.山西建筑,2010.

［5］朱正國(guó)，李正良.軟弱圍巖隧道臺(tái)階法施工中拱腳穩(wěn)定性及其控制技術(shù).巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012.

［6］趙東順.大斷面軟弱圍巖隧道開(kāi)挖施工淺析.西部交通科技,2011.

［7］李奎河.高速鐵路軟弱圍巖隧道施工技術(shù)要點(diǎn)探討.山西建筑,2012.

謝偉（1983-），工程師，現(xiàn)任神華集團(tuán)蒙東鐵路有限責(zé)任公司工程部工程師。2004年畢業(yè)于邵陽(yáng)學(xué)院，2004-2011年在中鐵十一局集團(tuán)工作，一直從事鐵路工程施工技術(shù)管理，2010年獲得邵陽(yáng)學(xué)院土木專(zhuān)業(yè)本科學(xué)歷，2011年調(diào)入神華集團(tuán)鐵路系統(tǒng)工作，從事鐵路基建管理工作，發(fā)表過(guò)《溫福鐵路鰲江特大橋鋼套箱堵水成功》、《大準(zhǔn)鐵路清水河隧道塌方治理》、《淺談軌道工程施工技術(shù)的應(yīng)用》等論文。