張思凡

（中交四航局第一工程有限公司，廣州510515）

1 引言

隨著國內(nèi)路網(wǎng)建設(shè)的不斷成熟完善，高速公路已成為地區(qū)之間溝通聯(lián)系的重要交通方式。由于我國地形復(fù)雜，因此在高速公路建設(shè)過程中，不可避免地需要修建大量的隧道以滿足通行需求。

在修建隧道時(shí)，軟弱圍巖段的施工處理是重點(diǎn)也是難點(diǎn)，而短臺(tái)階法是軟弱圍巖隧道施工的關(guān)鍵，三臺(tái)階開挖法則由短臺(tái)階法演化發(fā)展而來，由于其具有簡(jiǎn)便、快速的優(yōu)點(diǎn)，因此在隧道建設(shè)中被廣泛應(yīng)用和推廣。

2 工程概況

廣州從化至清遠(yuǎn)連州高速公路項(xiàng)目全線共計(jì)213.648 km，包括公路橋梁、隧道涵洞等工程段，本文只討論該工程涉及的某隧道標(biāo)段的施工。

墩隧道為小凈距、分離式設(shè)計(jì)，單頭掘進(jìn)。其中，左側(cè)段起訖樁號(hào)為ZK176+460～ZK177+895，全長(zhǎng)為1 435 m，右側(cè)段起訖樁號(hào)YK176+465～YK177+910，全長(zhǎng)1 445 m。

施工區(qū)域內(nèi)存在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ等級(jí)的圍巖，其中Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖長(zhǎng)度分別為112.7 m 和649.8 m，對(duì)其采取三臺(tái)階開挖法進(jìn)行施工，隧道的最大埋深為188.9 m，屬于雙線長(zhǎng)隧道。區(qū)段內(nèi)工程地質(zhì)較復(fù)雜，存在褶皺與斷裂構(gòu)造，且以斷層構(gòu)造為主，巖體穩(wěn)定性差，存在不穩(wěn)定、易坍塌、滑坡、采空區(qū)等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

3 三臺(tái)階開挖法隧道施工

3.1 施工原理

三臺(tái)階開挖法由短臺(tái)階法發(fā)展演化而來，實(shí)際上是采用三層短臺(tái)階將開挖斷面劃分為3 個(gè)施工單元進(jìn)行施工，這可以減少開挖斷面的橫截面積，最大限度地保存和利用隧道內(nèi)圍巖的天然承載力[1]。采用大管棚施工（見圖1）和超前小導(dǎo)管施工進(jìn)行洞身初始支護(hù)，加之噴錨支護(hù)等工藝構(gòu)成穩(wěn)固的支護(hù)體系，可達(dá)到控制圍巖變形、防止隧道坍塌、實(shí)現(xiàn)快速平行開挖的效果。

圖1 大管棚施工工藝流程圖

3.2 三臺(tái)階開挖法施工流程

三臺(tái)階開挖法與襯砌配合施工的具體施工流程見圖2。

圖2 三臺(tái)階施工法與襯砌配合施工流程圖

3.3 適用范圍

三臺(tái)階開挖法適用于地質(zhì)復(fù)雜多變的軟弱圍巖段，等級(jí)為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級(jí)的大斷面圍巖，隧道洞口處及淺埋段等區(qū)段的隧道施工。此外，要根據(jù)工程實(shí)際情況設(shè)計(jì)出臺(tái)階的寬度、高度等參數(shù)，采取相應(yīng)的加固措施。

3.4 優(yōu)點(diǎn)

三臺(tái)階開挖法可對(duì)上、中、下3 個(gè)臺(tái)階進(jìn)行平行開挖，平行實(shí)施初期支護(hù)、仰拱，從而提早形成閉環(huán)，并提高工作效率、節(jié)省工期。由于三臺(tái)階開挖法施工空間大，可以合理使用機(jī)械設(shè)備，減少對(duì)拱腳位置的機(jī)械干擾，有利于機(jī)械化施工。該工法操作簡(jiǎn)便，可在復(fù)雜條件下及時(shí)調(diào)整對(duì)應(yīng)的施工方法。

4 施工控制要點(diǎn)

4.1 臺(tái)階布置

臺(tái)階的布置主要考慮臺(tái)階的長(zhǎng)度與高度2 個(gè)參數(shù)。其中，臺(tái)階的長(zhǎng)度對(duì)洞體開挖有較大的影響。主要有以下2 個(gè)原因：（1）臺(tái)階的長(zhǎng)度如果過短不僅會(huì)給鉆機(jī)布置帶來困難，而且無法保證巖心土的穩(wěn)定固位，不能為隧洞工作面提供良好的支撐，從而導(dǎo)致隧洞工作面變形增加甚至垮塌；（2）臺(tái)階的長(zhǎng)度如果太長(zhǎng)會(huì)增加混凝土翻渣工作量，造成混凝土澆筑不方便，延長(zhǎng)洞口初始支護(hù)形成閉環(huán)的時(shí)間，導(dǎo)致圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形較大。此外，臺(tái)階的高度設(shè)置要綜合考慮機(jī)械設(shè)備的布置與操作空間以及隧道結(jié)構(gòu)和鋼架加工的便利性。

根據(jù)長(zhǎng)期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目對(duì)臺(tái)階長(zhǎng)度和高度給出特定參數(shù)設(shè)置：（1）上層臺(tái)階的高度為3.5 m，長(zhǎng)度為5 m，左右兩側(cè)錯(cuò)開2 m；（2）中間臺(tái)階的高度為3 m，長(zhǎng)度為5 m，左右兩側(cè)錯(cuò)開2 m；（3）下臺(tái)階的臺(tái)階高2.64 m。

4.2 襯砌施工

在掘進(jìn)過程中，由于掌子面的“空間效應(yīng)”，其附近的圍巖會(huì)產(chǎn)生變形和位移，待圍巖變形和初始支護(hù)基本穩(wěn)定之后應(yīng)對(duì)隧道進(jìn)行二次襯砌。二次襯砌需依據(jù)新奧法原理進(jìn)行，并按照仰拱和填充、拱墻次序施作以及墻拱澆筑的施工順序施工。

4.2.1 二次襯砌的施工時(shí)間

二次襯砌的施工時(shí)間按照以下3 點(diǎn)確定：

1）在現(xiàn)場(chǎng)圍巖發(fā)生變形以及應(yīng)力釋放后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)結(jié)果和設(shè)計(jì)要求確定二次襯砌的時(shí)間。

2）隧道圍巖的變形位移速率顯著降低。

3）初始支護(hù)的裂縫不再延展且圍巖的累計(jì)位移和變形已達(dá)最大相對(duì)位移的80%以上。

4.2.2 二次襯砌的施工要點(diǎn)

在二次襯砌施工過程中，需注意以下3 個(gè)要點(diǎn)：

1）在進(jìn)行二次襯砌施工之前，應(yīng)清理存在的基礎(chǔ)雜物、浮壓艙物，檢查防水板之間的重疊寬度和安裝質(zhì)量，并按照現(xiàn)行的質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)收，對(duì)于不符合要求的部分，安排返工修理[2]。

2）拆除初始襯砌混凝土變形縫處的止水帶保護(hù)膜并涂刷混凝土界面劑；采用12 m 全斷面液壓整體模板臺(tái)車進(jìn)行二次襯砌工作，并在安裝襯砌臺(tái)車時(shí)保證其位置的準(zhǔn)確性和連接牢靠穩(wěn)固，以防止移動(dòng)，襯砌模板臺(tái)車前端裝有帶安全氣囊的鋼塞模板。

3）模板接縫應(yīng)整齊、光滑，堵緊擋頭板與初襯之間的縫隙，并按設(shè)計(jì)實(shí)施防水隔離設(shè)施。混凝土澆筑由混凝土泵操作，從下到上對(duì)稱分層，先澆入墻體再澆入拱門。

4.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)及參數(shù)

由于隧道工程的圍巖穩(wěn)定與隧道開挖面形狀有密切關(guān)聯(lián)，因此合理確定開挖面形狀可以充分利用圍巖自身的承載能力，改善隧道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，從而以較小的開挖支護(hù)成本換取較大的圍巖穩(wěn)定性。反之，若開挖形狀不合理則會(huì)造成隧道圍巖受力不均，造成局部應(yīng)力集中，不利于圍巖穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)造成坍塌等工程事故。

經(jīng)過設(shè)計(jì)分析，項(xiàng)目隧道采用曲墻仰拱斷面進(jìn)行施工。通過對(duì)鋼框架的應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和分析，該截面形狀可以減少應(yīng)力集中，改善塑性區(qū)受力狀態(tài)，對(duì)減少隧道的水平和垂直位移有著較好的效果。

項(xiàng)目通過對(duì)掌子面和頁腳圍巖進(jìn)行加固、提高鋼拱架的剛度以及選用抗拉性能強(qiáng)的混凝土用于噴射形成初始支撐結(jié)構(gòu)，提升了初始支護(hù)的穩(wěn)定性[3]。主要有以下4 個(gè)方案：

1）軟弱圍巖段，由于其自穩(wěn)能力差，本項(xiàng)目采取了預(yù)留核心土的三臺(tái)階開挖法進(jìn)行施工。

2）通過用鎖腳錨管代替錨桿在鋼架底部30 cm 位置斜45°向下打入，并用U 形鋼筋與鋼架滿焊。

3）雙層布置縱向的連接筋和鋼筋網(wǎng)。

4）將水大面積地噴灑到15～20 cm 厚的混凝土或塌陷的掌子面圍巖上，以增強(qiáng)鋼架的穩(wěn)定性，減少圍巖的變形和位移。

4.4 隧道排水

地下水會(huì)造成巖體的軟化和松散，大大降低圍巖自身的穩(wěn)定性，從而造成圍巖的變形和破壞，因此必須加強(qiáng)對(duì)隧道施工過程中地下水的防水和排水處理。本項(xiàng)目以混凝土自身防水為主，同時(shí)對(duì)可能滲水的重點(diǎn)部位進(jìn)行防水加固，以增強(qiáng)其抗?jié)B性，預(yù)防滲水的破壞。

滲透軟管埋入滲流段的初始支護(hù)階段，需要在初始支護(hù)與模制混凝土襯砌之間鋪設(shè)1 層PVC 板，并通過半圓形彈簧將初始支護(hù)的表面滲水排出。此外，還會(huì)在較大的滲流段鉆探滲水，將埋設(shè)的軟管引入縱向排水管中。在富水區(qū)，則用地質(zhì)鉆頭鉆進(jìn)超前引水孔，提前引水并降低水壓。同時(shí)，需在隧道入口處設(shè)置排水溝、截水溝，以排出洞內(nèi)的水和攔截洞外水流。

4.5 施工設(shè)備及用工配置

隧道開挖施工的主要設(shè)備有空壓機(jī)、風(fēng)鉆；隧道施工的初期支護(hù)設(shè)備有濕噴機(jī)械手；隧道二襯及防水板施工的主要設(shè)備有防水板鋪設(shè)臺(tái)架、全斷面液壓臺(tái)車、全液壓自行走式棧橋、混凝土輸送地泵。

項(xiàng)目施工的人員安排：（1）在進(jìn)口和出口配置130 名勞務(wù)人員，施工時(shí)進(jìn)出口不同步進(jìn)行，單側(cè)掘進(jìn)，其他后勤、養(yǎng)護(hù)及雜工共計(jì)50 人；（2）本次施工投入人員310 人，根據(jù)施工計(jì)劃合理安排每個(gè)班組的施工人員。

4.6 隧道的施工監(jiān)測(cè)

在施工過程中動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道圍巖，可以更好地了解圍巖受力狀態(tài)、變形位移等工程參數(shù)，以便有針對(duì)性地調(diào)整隧道圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)，保證圍巖一直處在安全工作狀態(tài)，防止工程事故的發(fā)生。

針對(duì)項(xiàng)目區(qū)段內(nèi)隧道地質(zhì)類型和圍巖特點(diǎn)，除上述設(shè)備外，還選擇了對(duì)地表沉降量、支護(hù)結(jié)構(gòu)狀態(tài)、水平位移和隧道拱頂下沉量以及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等項(xiàng)目參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，項(xiàng)目選擇性地監(jiān)測(cè)了圍巖內(nèi)部的壓力和位移、錨桿的軸力以及支護(hù)襯砌的應(yīng)力。

5 結(jié)語

隧道工程具有施工期長(zhǎng)、作業(yè)環(huán)境差的特點(diǎn)，與地區(qū)巖土地質(zhì)具有很強(qiáng)的相關(guān)性，其中軟弱圍巖段的施工一直是隧道工程的重、難點(diǎn)。通過隧道工程實(shí)踐，從三臺(tái)階開挖法的工作原理、工作流程和工作要點(diǎn)等方面，對(duì)三臺(tái)階開挖法在軟弱圍巖中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述，為類似地質(zhì)條件的隧道工程處理提供參考。