李 棟

?

短臺階快速封閉成環(huán)法在軟巖隧道施工中的應(yīng)用

李 棟

（中鐵十八局集團(tuán) 第四工程有限公司，天津 300350）

文章針對蘭新高鐵天平頂隧道施工的實踐，介紹軟弱地質(zhì)條件下兩臺階預(yù)留核心土環(huán)形開挖法，總結(jié)了該短臺階法開挖的工藝流程、操作要點，并借助監(jiān)控量測數(shù)據(jù)所反映出的圍巖變形特點，闡釋了如何通過量測結(jié)果信息進(jìn)行指導(dǎo)施工，進(jìn)而為今后類似工程施工提供借鑒。

軟巖；兩臺階；預(yù)留核心土環(huán)形開挖法；短臺階；快速封閉成環(huán)

隨著國家對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入的加大和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，高速鐵路、公路等建設(shè)已從沿海地區(qū)向西南、西北山嶺區(qū)延伸。在這些地區(qū)修建高速鐵路、公路等有一個顯著的特點，就是隧道建設(shè)較多，而且受自然環(huán)境、氣候、地形、地貌的影響也越來越大[1]。目前隧道的主要開挖方法有全斷面法、臺階法、三臺階七步開挖法、中隔壁法（CD法）、交叉中隔壁法（CRD法）、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等，對于軟弱圍巖、土質(zhì)圍巖等主要采用三臺階七步開挖法、中隔壁法（CD法）、交叉中隔壁法（CRD法）、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法[2]。本隧道根據(jù)地質(zhì)情況采取上下短臺階快速封閉成環(huán)法，取得了良好的效果，保證了業(yè)主工期及架梁通道的暢通。

一、工程概況

蘭新高速鐵路是世界上一次性建成通車?yán)锍套铋L的高速鐵路，是我國中長期高速鐵路規(guī)劃網(wǎng)中八縱八橫高速鐵路網(wǎng)陸橋通道重要組成部分，全長1776公里，東起甘肅蘭州與徐蘭高速鐵路相接，途經(jīng)青海西寧，甘肅張掖、酒泉、嘉峪關(guān)，新疆哈密、吐魯番，西至新疆烏魯木齊，旅客列車設(shè)計最高時速250km/h。

蘭新高鐵天平頂隧道位于青海省民和縣境內(nèi)，洞身穿越低中山體與山間溝谷中，地勢上隧道進(jìn)出口兩端低而洞身部位高，地形起伏大，溝谷與山脊相對高差100m-200m，山體脊部最高高程約2115m，植被發(fā)育較差，該處山體兩側(cè)坡度差異較大，其間溝谷發(fā)育，切割較深，進(jìn)口為黑陰溝，出口為汗水溝，均為季節(jié)性流水。山體上覆第四系風(fēng)積沙質(zhì)黃土，下伏基巖，進(jìn)出口及溝谷坡坎處白堊系基巖裸露。隧道起止里程為：DK77+785-DK81+862，全長4104米，為LXS-2-2標(biāo)段內(nèi)最長的隧道，重點控制性工程，該隧道地質(zhì)復(fù)雜，而且兩洞口，高出溝底22米，溝深壁陡，場地狹窄，沖溝內(nèi)安全風(fēng)險大，難以布置臨時設(shè)施。本文首先主要針對隧道出口端地質(zhì)條件極差段落進(jìn)行分析：

1.該段地質(zhì)情況

以黃土和泥巖為主，全隧均為IV、V級圍巖；地貌為典型的河谷階地，進(jìn)出口段均為濕陷性黃土地質(zhì)，沉降量大；洞身段以泥巖為主，具有膨脹性，尤其在水流的影響下會逐漸軟化膨脹，施工難度大。

2.設(shè)計參數(shù)支護(hù)表（見表1）

表1 設(shè)計支護(hù)參數(shù)表

二、軟巖黃土隧道地層沉降變形的因素分析

1.地層含水率偏低

砂質(zhì)新黃土地層，含水率低，屬高壓縮性、高觸變、高靈敏度、大孔隙比、低強度等軟土特征，巖層具有濕陷性，自穩(wěn)能力差，工程地質(zhì)條件極其復(fù)雜。

2.開挖過程中的擾動

圍巖開挖后承載力在迅速下降，機械設(shè)備的每一次開挖動作都會對周圍巖體產(chǎn)生擾動。下臺階開挖過程中會對上一級臺階拱腳造成擾動，進(jìn)而對拱頂造成二次、三次變形。

3.綜合因素的沉降累積效應(yīng)

上下臺階開挖施工引起沉降變形的因素往往是綜合的，涉及到施工的方方面面，這些方面又會相互影響，如控制措施不到位，又會形成沉降的累積效應(yīng)。

三、短臺階快速封閉成環(huán)的理論依據(jù)

1.圍巖的拱橋效應(yīng)

快速封閉成環(huán)對圍巖起到支撐作用，環(huán)形結(jié)構(gòu)的受力變形可以看出，上部下壓，下部上抬，兩邊拱墻只能向外突，但是兩邊圍巖又阻礙了其變形[3]。

2.限制隧道的收斂變形

盡快封閉成環(huán)主要是為了使圍巖荷載盡快均勻分配在支護(hù)環(huán)上，限制隧道圍巖的收斂變形，避免圍巖因為較大變形對圍巖自穩(wěn)能力造成永久性傷害，進(jìn)而提高臨時支護(hù)的安全系數(shù)，防止塌方等意外事故[4]。

3.將圍巖豎向荷載部分轉(zhuǎn)化為橫向荷載

隧道開挖后，迅速造成開挖周圍處于空洞懸空狀態(tài)，快速封閉成環(huán)可以快速使得初期支護(hù)結(jié)構(gòu)和周圍圍巖形成環(huán)狀整體受力結(jié)構(gòu)，并將巖體的豎向荷載部分轉(zhuǎn)化為向兩側(cè)拱墻外側(cè)的橫向荷載，由于兩側(cè)拱墻外側(cè)圍巖同時給于拱墻內(nèi)側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平推力，從而使得轉(zhuǎn)化為兩側(cè)拱墻外側(cè)的橫向荷載和這一水平推力形成平衡狀態(tài)，進(jìn)而從整體上減輕了圍巖的豎向荷載。

四、工藝流程及操作要點

隧道開挖寬度寬14.08m，開挖高度10.35m。采用上下階法開挖，上部弧形開挖預(yù)留核心土，下部兩側(cè)錯開開挖，設(shè)置短臺階，詳見開挖工法示意圖1、2、3。

圖1 兩臺階環(huán)向開挖預(yù)留核心土橫斷面示意圖

圖2 兩臺階環(huán)向開挖預(yù)留核心土縱斷面示意圖（單位：cm）

圖3 兩臺階環(huán)向開挖預(yù)留核心土平正面示意圖（單位：cm）

（一）工藝流程

1.上臺階施工

（1）施作超前導(dǎo)管并注漿；

（2）開挖弧形導(dǎo)坑1部，V級圍巖開挖循環(huán)進(jìn)尺不得大于一榀鋼架間距；

（3）初噴5cm厚度混凝土；

（4）安裝格柵鋼架，焊接縱向連接筋，安裝鋼筋網(wǎng)片，施工鎖腳錨管；

（5）噴射混凝土至設(shè)計厚度；

（6）進(jìn)行下一循環(huán)施工。

2.下臺階施工

（1）當(dāng)上臺階開挖5m后開始開挖中部左側(cè)2-1、2-2，下臺階開挖3m后開始開挖下部右側(cè)3-1、3-2，下臺階左右側(cè)可以同時開挖，但要嚴(yán)格控制循環(huán)進(jìn)尺，V級圍巖一次開挖進(jìn)尺不得大于一榀鋼架間距，同時開挖可以減少上部初支及圍巖的二次擾動[4]；

（2）初噴5cm厚度混凝土；

（3）安裝格柵鋼架，焊接縱向連接筋，安裝鋼筋網(wǎng)片，施工鎖腳錨管；

（4）噴射混凝土至設(shè)計厚度；

（5）進(jìn)行下一循環(huán)施工。

3.仰拱施工

（1）當(dāng)下臺階施工長度達(dá)到3m后開始仰拱5部開挖；

（2）安裝鋼架、噴射混凝土，初支形成閉合環(huán)。

五、工法特點

1.有效控制初期支護(hù)變形

采用兩臺階預(yù)留核心土環(huán)形開挖，減少了對圍巖的擾動次數(shù)，通過監(jiān)控量測資料反映初期支護(hù)在施工完成后只發(fā)生一次突變，隧道初期支護(hù)變形時間減短，初期支護(hù)封閉成環(huán)時間明顯減短，二襯緊跟掌子面施工，確保施工安全。

2.施工工序減少

兩臺階預(yù)留核心土環(huán)形開挖法相比較三臺階七步開挖法，施工工序明顯減少，工人作業(yè)時間減少，施工進(jìn)度加快，工費成本減少，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

3.施工進(jìn)度加快

采用兩臺階預(yù)留核心土環(huán)形開挖施工后，初期支護(hù)封閉成環(huán)時間快，二襯緊跟掌子面施工，隧道施工進(jìn)度加快。采用三臺階七步開挖法月進(jìn)尺20m，采用二臺階預(yù)留核心土環(huán)形開挖法后，每月進(jìn)尺30m，進(jìn)度加快50%。

六、適用范圍

1.適用于隧道同多地層巖性為石炭系上統(tǒng)砂巖，山坡坡面分布有第四系粉土、細(xì)角礫土、粗角礫土等軟弱圍巖地段。

2.適用于可采用三臺階七步開挖法施工的隧道。

七、開挖工作原理

通過人工配合機械開挖的工作原理進(jìn)行開挖，減小對初期支護(hù)的擾動，先開挖周邊環(huán)向土，預(yù)留中部核心土后對巖面進(jìn)行初噴，再進(jìn)行初期支護(hù)，最后施工鎖腳錨管及復(fù)噴。

1.開挖斷面設(shè)置

通過合理的布置開挖臺階長度、預(yù)留核心土長度、高度、環(huán)形開挖寬度等，有效的組織現(xiàn)場施工，從而達(dá)到控制初期支護(hù)變形、加快施工進(jìn)度的作用，兩臺階預(yù)留核心土環(huán)形開挖法施工工藝流程圖如圖4所示。

圖4 兩臺階預(yù)留核心土環(huán)形開挖法施工工藝圖

2.操作要點

（1）操作要點最重要的原則就是“緊支護(hù)、快封閉”，即支護(hù)緊跟開挖面，及時封閉，這是增強圍巖承載力和控制變形的有效手段。圍巖開挖后承載力在迅速下降，圍巖自穩(wěn)能力隨時間增長急劇降低，必須及時支護(hù)，盡快使初期支護(hù)封閉成環(huán)[5]。

（2）針對臺階法施工，下臺階開挖施工過程中之前開挖的上部存在二次、三次變形的特性，施工過程中要嚴(yán)格控制鎖腳錨管的施工質(zhì)量，包括施工角度、焊接質(zhì)量、施作長度、灌漿質(zhì)量，同時在下臺階開挖完成后要及時完成支護(hù)封閉，減小二次、三次變形量。

（3）摒棄傳統(tǒng)干噴工藝，推行濕噴工藝，采用大型機械手噴射混凝土，保證隧道初期支護(hù)的早期強度，對控制隧道開挖支護(hù)完成后的變形控制至關(guān)重要。

（4）嚴(yán)格控制超欠挖，減少對周邊圍巖的擾動，以保證開挖完成后圍巖的自穩(wěn)能力。

（5）在保證掌子面穩(wěn)定的情況下，遵循新奧法施工“少擾動、早支護(hù)、勤量測、緊封閉”的基本原則，盡量減小各臺階的長度，以便盡早完成初期支護(hù)封閉成環(huán)。

（6）嚴(yán)格控制臺階交界處鋼架連接質(zhì)量和初期支護(hù)混凝土質(zhì)量，對螺栓連接質(zhì)量、噴混回彈料清理進(jìn)行重點控制，消除薄弱環(huán)節(jié)，保證初期支護(hù)強度。

八、監(jiān)控量測

監(jiān)控量測是隧道施工中監(jiān)視圍巖和支護(hù)穩(wěn)定性，通過量測數(shù)據(jù)分析指導(dǎo)現(xiàn)場施工的重要技術(shù)手段，是判斷設(shè)計參數(shù)、施工工藝工法是否滿足要求的重要依據(jù)。本項目對隧道監(jiān)控量測主要從地表沉降、拱頂沉降、水平收斂三項監(jiān)測指標(biāo)來進(jìn)行監(jiān)測分析并指導(dǎo)施工[6]。

1.監(jiān)測管理值

采用變形總量、變形速率、變形時態(tài)曲線特征三項指標(biāo)，外加初期支護(hù)表觀現(xiàn)象觀察情況進(jìn)行施工安全管理。

（1）管理等級及施工作態(tài)（見表2）

表2 管理等級及工作狀態(tài)

（2）變形總量管理值（見表3）

表3 黃土地段變形總量管理值 單位：mm

拱頂下沉總量小于75mm，或者水平收斂總量小于35mm，或者地表沉降總量小于90mm，無預(yù)警，處于正常施工狀態(tài)；拱頂下沉總量75～150mm，或者水平收斂總量35～50mm，或者地表沉降總量90～180mm，黃色預(yù)警，需加強監(jiān)控量測頻率，關(guān)注變形發(fā)展，調(diào)整施工組織，使隧道變形趨于穩(wěn)定，并制定相應(yīng)的應(yīng)急處置方案；當(dāng)拱頂下沉總量大于等于150mm，或者水平收斂總量大于等于50mm，或者地表沉降總量大于等于180mm時，屬紅色預(yù)警，需暫停施工，加強監(jiān)測，啟動應(yīng)急預(yù)案，采取相應(yīng)的工程措施。

（3）變形速率管理值（見表4）

表4 黃土地段變形速率管理值 單位：mm/d

拱頂日下沉小于10mm，或者日水平收斂小于5mm，或者日地表沉降小于10mm，無預(yù)警，處于正常施工狀態(tài)；拱頂日沉降10～20mm，或者日水平收斂5～10mm，或者日地表沉降10～20mm，屬黃色預(yù)警，需加強監(jiān)控量測頻率，關(guān)注變形發(fā)展，調(diào)整施工組織，使隧道變形趨于穩(wěn)定，并制定相應(yīng)的應(yīng)急處置方案；拱頂日下沉大于等于20mm，或者日水平收斂大于等于20mm，或者日地表沉降大于等于20mm時，屬紅色預(yù)警，需暫停施工，加強監(jiān)測，啟動應(yīng)急預(yù)案，采取相應(yīng)的工程措施。

（4）變形時態(tài)曲線特征（見圖5）

正常 ????????????? 預(yù)警二級 ????????????? 預(yù)警一級

隨著時間的延長，變形速率越來越小，直至變形速率為零，變形總量趨于穩(wěn)定，無預(yù)警，可以正常施工；當(dāng)時間延長，變形速率不變，變形總量均勻增加時，屬黃色預(yù)警，需加強監(jiān)控量測頻率，關(guān)注變形發(fā)展，調(diào)整施工組織，使隧道變形趨于穩(wěn)定，并制定相應(yīng)的應(yīng)急處置方案；當(dāng)時間延長，變形速率越來越大，變形總量急劇增減時，屬紅色預(yù)警，需需暫停施工，加強監(jiān)測，啟動應(yīng)急預(yù)案，采取相應(yīng)的工程措施。

2.監(jiān)控數(shù)據(jù)分析處理

本文主要通過天平頂隧道DK77+125斷面和拱頂下沉監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析，來反映施工過程中各個階段圍巖及初期支護(hù)變形情況（見圖6）。

圖6 DK77+125斷面拱頂下沉監(jiān)控量測變形時態(tài)曲線特征圖

數(shù)據(jù)分析顯示，開挖過程中每一次擾動，隧道拱頂初支都會出現(xiàn)沉降突變，隨著擾動過程完成和仰拱封閉成環(huán)后數(shù)據(jù)逐漸趨于穩(wěn)定，變形時態(tài)曲線正常，結(jié)合其他洞口數(shù)據(jù)分析，仰拱成環(huán)是沉降和收斂數(shù)據(jù)趨穩(wěn)的分水嶺，仰拱成環(huán)后隧道施工安全基本可控。

九、結(jié)語

蘭新高速鐵路的建成，使新疆與內(nèi)地間形成一條高質(zhì)量、大能力的高速鐵路通道，大幅縮短了行車時間，是中國西北高寒風(fēng)沙區(qū)域修建的首條高速鐵路，為該類區(qū)域發(fā)展高速鐵路積累了寶貴的探索經(jīng)驗。對蘭新高速鐵路天平頂隧道臺階法施工總結(jié)如下：

（1）減少材料成本投入，通過減少開挖過程中的預(yù)留沉降量，從而減少鋼支撐用量、噴射混凝土用量、二次襯砌模筑混凝土用量的成本投入。加快施工進(jìn)度，是軟弱圍巖循環(huán)進(jìn)尺由1榀/天，提高到2榀/天。從而加快施工進(jìn)度減少人力、機械設(shè)備投入。

（2）采用臺階法施工時，在下臺階施工過程中，會對上部已經(jīng)完成初支造成二次、三次擾動，相應(yīng)過程中會出現(xiàn)變形監(jiān)測指標(biāo)值突變的情況，因此下部開挖不能滯后上部施工時間太長，臺階長度不宜過長，以利于變形過大時及時封閉成環(huán)；根據(jù)本工程經(jīng)驗值，仰拱封閉成環(huán)距離掌子面距離控制在一倍洞徑范圍內(nèi)較為合適；

（3）根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析，在隧道初期支護(hù)封閉成環(huán)后，各項監(jiān)測指標(biāo)值逐步趨于穩(wěn)定，可見隧道初支快速封閉成環(huán)對控制隧道圍巖級和支護(hù)變形，保證隧道施工安全具有顯著效果；

（4）本隧道Ⅴ級圍巖淺埋及軟弱段采用中導(dǎo)洞-兩臺階留核心土法開挖是安全可行的,中導(dǎo)洞-兩臺階留核心土法適用于雙向四車道連拱隧道中圍巖級別不差于Ⅴ級的軟弱及淺埋偏壓段。

[1]王飛.大斷面雙連拱隧道施工方案優(yōu)化分析[J].公路工程，2016（05）：35-37.

[2]楊元洪，劉昆赟.連拱隧道中隔墻的優(yōu)化與分析[J].中國水運（下半月），2015（02）：48-50.

[3]鄧少軍，陽軍生，張學(xué)民，鐘放平.淺埋偏壓連拱隧道施工數(shù)值模擬及方案比選[J].地下空間與工程學(xué)報，2005（06）：78-80.

[4][6]毛華榮.連拱隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全與施工方案合理性研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2016.

Application of Short Step Fast Closed Loop Method in Construction of Soft Rock Tunnel

LI Dong

（China Railway eighteen Bureau Group Fourth Engineering Co., Ltd., Jinnan, Tianjin 300350, China）

According to the practice of ceiling tunnel construction in Lanzhou-Xinjiang High-speed Railway, this paper introduces the ring excavation method to retain the core soil of two steps under the condition of weak geological conditions, and summarizes the process and operation of short step excavation. Based on deformation characteristics reflected by monitoring data, it expands the ways to guide the construction by measuring the results and provides references for the future similar project constructions.

soft rock; two steps; retaining core soil ring excavation method; short step; fast closed loop

U455.7

A

1008—6129（2018）01—0056—08

2018—01—17

李棟（1987—），甘肅西和人，中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，助理工程師。