張永安

（中鐵二局第四工程有限公司，四川 成都 610300）

客運專線黃土隧道三臺階七步開挖技術(shù)及沉降控制

張永安

（中鐵二局第四工程有限公司，四川 成都 610300）

黃土隧道圍巖強度較低，沉降量大，選擇合理的開挖方法是確保隧道施工安全和快速施工的關(guān)鍵。采用三臺階七步開挖法能夠很好的控制圍巖變形，確保安全的同時滿足快速施工的要求。

黃土隧道；開挖；沉降

1 工程概況

本標段位于甘肅省定西市和榆中縣境內(nèi)，全長25.966km，其中隧道8座，累計長度為21.923km，占據(jù)整個標段的84.4%。隧道安全、快速施工對本項目的工期、成本起到?jīng)Q定性作用。隧道所處地層主要為第四系上更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土，具有Ⅳ級自重濕陷性，濕陷土層厚度約15～25cm。第四系中更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土、砂質(zhì)黃土和中砂。上第三系泥巖，遇水易軟化，具弱膨脹性。

1.1 黃土隧道的特點

黃土隧道由于土質(zhì)較松、強度較低一般采用機械配合人工開挖的方法就能滿足施工要求。洞口淺埋段容易發(fā)生地表沉降，造成邊仰坡失穩(wěn)。暗洞通過合理預留沉降量及增加輔助措施來控制隧道沉降，進而確保施工的安全、有序。

1.2 隧道斷面尺寸

本客專設計時速為250km/h，正洞采用雙線隧道，凈空為12.82m（寬）×8.68m（高）。結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

圖1 隧道斷面圖

1.3 開挖工法的選擇

三臺階七步法主要適用于具有一定的穩(wěn)定性，強度一般的圍巖。圍巖級別一般在Ⅳb～Ⅴa之間。該工法能夠很好的滿足地質(zhì)條件，確保施工過程中的人員安全以及快速施工的要求。因此，本標段黃土隧道主要采用三臺階七步開挖法。

2 三臺階七步開挖施工流程

施做地質(zhì)超前預報→施做錨桿→上部弧形導坑的開挖及初期支護→左右錯位開挖中臺階及初期支護→左右錯臺開挖下臺階及初期支護→最后施工混凝土仰拱使初期支護封閉成環(huán)→根據(jù)監(jiān)控量測信息反饋，施做防水層，澆筑二襯混凝土。

三臺階七步法施工工序，如圖2所示。第1步，拱部弧形導坑的開挖：在拱部超前支護施工完畢后，進行開挖。環(huán)向開挖其上部弧形導坑，預留中部的核心土，長度不能小于3m，單側(cè)臺階寬度不能小于2m。開挖循環(huán)進尺應該根據(jù)圍巖等級確定，Ⅴ級圍巖不得超過1榀/循環(huán)，Ⅳ級不得大于2榀/循環(huán)。開挖過后立即初噴3～5cm混凝土，并立即進行系統(tǒng)支護。在鋼架拱腳之上30cm高度處，在工字鋼兩邊按傾角30°的方向打設鎖腳錨桿。最后復噴混凝土至設計厚度。第2、3步，左、右側(cè)中臺階開挖：開挖進尺不得大于2榀鋼架/循環(huán)，開挖高度按照3m控制，左、右側(cè)臺階錯開寬度為2～3m，開挖后立即初噴3～5cm混凝土，并立即進行系統(tǒng)支護，在鋼架拱腳之上30cm高度處，在工字鋼兩邊按傾角30°的方向打設鎖腳錨桿。最后復噴混凝土至設計厚度。第4、5步，左、右側(cè)下臺階開挖：開挖進尺不得大于2榀鋼架/循環(huán)，開挖高度按照3m控制，左、右側(cè)臺階錯開寬度為2～3m，開挖后立即初噴3～5cm混凝土。開挖后應立即進行系統(tǒng)支護，在鋼架拱腳以上30cm高度處，在工字鋼兩邊按傾角30°的方向打設鎖腳錨桿。最后復噴混凝土至設計厚度。第6步，開挖核心土：上臺階、中臺階、下臺階分別開挖核心土，開挖進尺與各臺階循環(huán)進尺保持一致。第7步，隧底開挖：每循環(huán)開挖長度不能大于3m，開挖后及時封閉成環(huán)。完成兩個隧底開挖、支護循環(huán)后，進行仰拱混凝土澆筑。

圖2 三臺階七步法施工工序圖

3 三臺階七步開挖施工控制重點

目前，客運專線黃土隧道主要采用三臺階七步法，為防止施工過程中發(fā)生初支侵限、確保施工人員安全，加快施工進度。三臺階七步開挖法需要重點做好以下幾點：①上臺階開挖過程中Ⅴ級圍巖不得大于1榀/每循環(huán)，Ⅳ級圍巖不得大于2榀/循環(huán)，邊墻開挖進尺不得大于2榀/循環(huán)，各臺階左右兩側(cè)應錯開至少兩榀鋼架以上；②隧底開挖前必須完成鋼架鎖腳錨桿（管）的施工，確保鎖腳錨桿與鋼架之間可靠連接，確實起到鎖腳的效果和作用。隧底開挖循環(huán)進尺不大于3m/環(huán)。初期支護封閉成環(huán)位置距離掌子面的距離不應大于30m。二襯離掌子面的距離Ⅳ圍巖不得大于90m，Ⅴ級圍巖不得大于70m；③嚴格控制開挖過程中的臺階高度。上臺階高度嚴格按照5m

控制，中臺階高度為3m、下臺階高度為3m。核心土長度不能小于3m，臺階左右兩側(cè)必須錯開布置，單側(cè)臺階的寬度應大于2m。

4 開挖方法的選擇

客運專線黃土隧道開挖采用挖機配合人工開挖的方法進行施工。開挖常用的機械設備有挖掘機、松土器、銑挖機。三種機械有各自的特點及適用部位。為確保施工質(zhì)量及進度，合理選擇開挖機械尤為重要。

4.1 挖掘機開挖

挖掘機直接開挖是客運專線黃土隧道最常用的開挖方法，主要適用于Ⅴ級圍巖。該圍巖土體較松、強度較低。通常采用挖機配合人工開挖即可滿足現(xiàn)場施工的要求，開挖速度控制在3.5h/m較為適合。若掌子面圍巖是強度較高、整體性較好的泥巖時，挖機開挖較為困難，施工進度不能滿足要求時，考慮采用松土器進行施工。

4.2 松土器開挖

松土器是一種具有破碎堅硬土層同時具備翻動功能的一種裝置，通常安裝在挖機大臂上進行作業(yè)。挖機松土器通常叫做斗鉤，上部結(jié)構(gòu)為耳孔，分別與斗桿和鏟斗缸相鉸接，齒尖前端有硬合金堆焊的齒帽，是一種整體式的松土齒。當液壓缸的活塞桿伸出時，推動齒尖強制插入并翻動土壤。開挖作業(yè)時先采用挖機松土器將堅硬的土層松動過后，再換裝上挖機斗進行開挖。開挖速度控制在4～5h/m較為適合。若圍巖強度更高，松土器開挖較為困難，施工進度不能滿足要求時，則考慮更換為銑挖機。

4.3 銑挖機開挖

銑挖機是一種高效破除堅硬土層、代替挖斗的一種機械裝備。黃土隧道施工中，銑挖機適用于堅硬泥巖的開挖作業(yè)。通過試驗銑挖機和松土器配合進行開挖施工，開挖施工時間可以控制在3～4h/m，通常上臺階全部采用銑挖機開挖，中、下臺階先利用松土器翻動中部土層，然后再使用銑挖機修邊作業(yè)，開挖時間均約為1.5h。上臺階開挖過后及時架立鋼架，以節(jié)約施工時間。采用銑挖機進行周邊的銑削施工對超欠挖的控制效果較好。

5 沉降控制措施

黃土地層地質(zhì)特性之一便是自重濕陷性，土體松散且承載能力較差。黃土隧道施工時，沉降量大、沉降周期長，極易造成初支侵陷，后期運營發(fā)生仰拱面開裂、無砟道床板開裂等嚴重事故。因此沉降量控制也是黃土隧道施工技術(shù)的一個重點。

5.1 洞口防沉降措施

黃土隧道洞口段施工時，遇到淺埋、偏壓、斷層等不良地質(zhì)情況時，在嚴格按照設計施工過后，往往仍然會出現(xiàn)地表開裂、拱頂下沉、邊坡滑移等情況。因此，就必須按照現(xiàn)場實際情況增加必要的工程措施。主要措施有，在沉降量較大，但地表未出現(xiàn)開裂，邊仰坡沒有失穩(wěn)垮塌的趨勢時，通常的做法是采用加大預留沉降量的辦法，同時加強地表沉降觀測；在邊仰坡有失穩(wěn)的趨勢時，采用沿置重力式擋墻的辦法防止邊仰坡繼續(xù)下滑，進而確保進洞安全。

5.2 洞內(nèi)防沉降措施

洞內(nèi)沉降量較大時，不僅要加大預留沉降量，還要快速支護、及時封閉成環(huán)，必要時采取單工序作業(yè)，嚴格控制安全步距。通過增設一些輔助措施來控制過大沉降，如設置擴大拱腳，拱腳下設置縱向槽鋼。以增大拱腳接觸面的受力面積，從而有效的控制沉降量。

6 結(jié)束語

根據(jù)客運專線黃土隧道的地質(zhì)特點，在三臺階七步開挖法中應重點做好以下工作：①做好洞口地表沉降控制，保證洞口邊仰坡的穩(wěn)定從而確保進洞安全；②嚴格控制開挖進尺、核心土長度以及臺階高度，保證隧道安全步距在規(guī)定的范圍之內(nèi)；③加強施工過程中的監(jiān)控量測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整預留沉降量，從而指導施工。

[1]龔彥峰,肖明清.我國高速鐵路隧道技術(shù)要點與有關(guān)建議[J].鐵道工程學報,2014,(12):67-71.

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2096-2789（2016）11-0077-02