王祥

（中鐵十五局集團(tuán)第三工程有限公司，成都 610000）

0 引言

軟弱圍巖高風(fēng)險(xiǎn)黃土隧道是工程建設(shè)中的難題，其地質(zhì)條件復(fù)雜，施工難度大，安全隱患高。因此，尋求一種安全、高效的施工方法成為迫切需要解決的問(wèn)題。微臺(tái)階法作為一種常用的施工方法，在隧道施工中得到了廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的微臺(tái)階法在施工效率和安全性方面仍存在一定的不足，因此，本文旨在探討優(yōu)化后的微臺(tái)階法在軟弱圍巖高風(fēng)險(xiǎn)黃土隧道中的應(yīng)用，以期為類(lèi)似工程提供更為有效、安全的施工方法。

1 工程概況

忠和隧道位于甘肅省蘭州市皋蘭縣忠和鎮(zhèn)，為左右行分離式雙洞長(zhǎng)隧道，隧道凈寬14.75m，凈高5.0m，隧道最大開(kāi)挖寬度為18.2m，最大開(kāi)挖高度為13.1m（含預(yù)留變形量30cm）；右洞起訖樁號(hào)為YK56+115～YK57+450，長(zhǎng)1335m，隧道最大埋深103m；左洞起訖樁號(hào)為ZK55+990～ZK57+420，全長(zhǎng)1430m，隧道最大埋深118m。隧址區(qū)土體主要為上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土、上更新統(tǒng)沖積黃土，風(fēng)積黃土覆蓋在隧址區(qū)山體頂部，隧道洞身起終點(diǎn)淺埋段通過(guò)該地層；沖積黃土下伏于風(fēng)積黃土，隧道洞身全范圍通過(guò)該地層，隧道圍巖為全洞段的純黃土隧道，圍巖級(jí)別均為Ⅴ級(jí)，屬高風(fēng)險(xiǎn)長(zhǎng)大隧道。

2 當(dāng)前存在的主要難題

隧道原掘進(jìn)方案為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，其左洞采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法掘進(jìn)施工了45m（ZK55+990～ZK56+035），施工歷時(shí)48d，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工掘進(jìn)法施工存在如下問(wèn)題：

①雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖斷面較多，對(duì)于拱頂和邊墻的擾動(dòng)多，斷面開(kāi)挖后暴露時(shí)間久，初次支護(hù)閉合的時(shí)間長(zhǎng)[1]，在初支閉合階段中，從監(jiān)控量測(cè)的數(shù)據(jù)來(lái)看，仍然處于較大變形階段，不可控因素隨時(shí)存在，給施工帶來(lái)很大的不確定性，施工安全風(fēng)險(xiǎn)高。

②雙側(cè)壁導(dǎo)坑法由于各施工面均劃分狹小，工序復(fù)雜，施工條件差，限制了大型機(jī)械的使用，施工進(jìn)度緩慢，綜合進(jìn)度指標(biāo)僅為28m/月，無(wú)法保證施工工期，預(yù)計(jì)延誤工期達(dá)4 至6 個(gè)月。

③由于施工工期長(zhǎng)，且無(wú)法實(shí)施大規(guī)模的機(jī)械化施工，故導(dǎo)致成本高，經(jīng)濟(jì)效益差，不利于公司的成本控制。

為了高效、安全且經(jīng)濟(jì)地完成黃土隧道高風(fēng)險(xiǎn)軟弱圍巖段的掘進(jìn)施工，本項(xiàng)目將依據(jù)具體的施工條件和地質(zhì)狀況，對(duì)忠和隧道掘進(jìn)工法進(jìn)行探究與優(yōu)化。

3 掘進(jìn)工法研究和探索

針對(duì)本標(biāo)段淺埋黃土隧道的特性，為確保大斷面黃土隧道的施工安全，對(duì)比了多個(gè)方案，然后權(quán)衡了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，經(jīng)過(guò)方案對(duì)比、優(yōu)化與創(chuàng)新后，采用了微臺(tái)階環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法，該工法可以有效地支撐和穩(wěn)定開(kāi)挖面。核心土在穩(wěn)定開(kāi)挖面方面起著關(guān)鍵作用。微臺(tái)階法施工進(jìn)度較快，施工中無(wú)需架設(shè)大量的臨時(shí)支撐，減少了施工工序，同時(shí)，較大的作業(yè)空間也為大規(guī)模的機(jī)械化施工提供了便利。

4 微臺(tái)階環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法試驗(yàn)段施工及優(yōu)化

4.1 試驗(yàn)段的選擇

為保障忠和隧道工程的安全、質(zhì)量和進(jìn)度，并為施工提供真實(shí)、有效的數(shù)據(jù)，我們選擇忠和隧道進(jìn)口左洞ZK56+035～ZK56+075 作為微臺(tái)階環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法試驗(yàn)段。目的是檢驗(yàn)此工法在本忠和隧道地質(zhì)條件下的適用性，并為其在全隧道施工中的推廣提供依據(jù)。通過(guò)實(shí)施試驗(yàn)段，以評(píng)估和驗(yàn)證工法的可行性，找出施工中出現(xiàn)的問(wèn)題并及時(shí)采取對(duì)策。此外，評(píng)估材料、人員、設(shè)備和工藝對(duì)工程質(zhì)量和安全的影響程度。我們借此積累經(jīng)驗(yàn)，不斷加強(qiáng)管理并優(yōu)化工程質(zhì)量和安全。本試驗(yàn)段的目的是驗(yàn)證開(kāi)挖方法是否能滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，同時(shí)確定開(kāi)挖進(jìn)尺等參數(shù)。

4.2 優(yōu)化后的施工參數(shù)及該工法關(guān)鍵技術(shù)

①微臺(tái)階環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法試驗(yàn)段嚴(yán)格按照“先探測(cè)、管超前、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)、早襯砌”的原則組織施工[2]，在實(shí)施過(guò)程中加強(qiáng)變形監(jiān)控量測(cè)。

②開(kāi)挖方式采用機(jī)械配合人工開(kāi)挖，先進(jìn)行預(yù)注漿超前小導(dǎo)管施工。外環(huán)永久初期支護(hù)采用HW175 型鋼+φ8雙層鋼筋網(wǎng)片+噴射C25 混凝土。初期支護(hù)采用噴射混凝土支護(hù)和型鋼拱架相結(jié)合的支護(hù)形式，型鋼拱架、鋼筋網(wǎng)由鋼筋加工場(chǎng)集中加工，人工安裝鋼架，型鋼拱架由縱向連接筋和鎖腳錨管（下臺(tái)階拱腳隔榀打設(shè)規(guī)格為Ф108×6mm，L=6m 的微型鋼管樁）進(jìn)行固定并壓注M20 水泥砂漿，安裝雙層鋼筋網(wǎng)片，采用濕噴工藝噴射混凝土施工，初期支護(hù)緊跟開(kāi)挖面且及時(shí)施作，以減少圍巖暴露時(shí)間，抑制圍巖變形，防止圍巖在短期掉塊，要求開(kāi)挖完成后及時(shí)支護(hù)[3]。

③開(kāi)挖上臺(tái)階長(zhǎng)5m，中臺(tái)階長(zhǎng)3～5m，下臺(tái)階長(zhǎng)3～5m；上臺(tái)階開(kāi)挖進(jìn)尺1 榀拱架間距；中下臺(tái)階每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺為2 榀鋼拱架、仰拱初支循環(huán)進(jìn)尺3m、仰拱及填充進(jìn)尺5m、模筑二襯10.4m；中下部臺(tái)階左右兩側(cè)掘進(jìn)至少錯(cuò)開(kāi)3m，掘進(jìn)后及時(shí)噴砼；初支封閉段與掌子面距離不大于30m，二次襯砌與掌子面距離嚴(yán)格控制在60m 內(nèi)。在下臺(tái)階開(kāi)挖初支完成后，對(duì)隧道基底采取旋噴樁加固措施，再開(kāi)挖仰拱，仰拱每循環(huán)開(kāi)挖長(zhǎng)度不大于3m。仰拱開(kāi)挖完成后及時(shí)安裝仰拱初支鋼拱架，盡快澆筑仰拱初支混凝土，從而力求縮短全洞初支封閉成環(huán)時(shí)間。

4.3 施工次序

①開(kāi)挖之前進(jìn)行超前小導(dǎo)管支護(hù)，采用φ60×5mm 預(yù)注漿無(wú)縫鋼管，外插角根據(jù)實(shí)際施工做動(dòng)態(tài)調(diào)整，搭接長(zhǎng)度不得小于1.5m，環(huán)向間距40cm。②采用弧形開(kāi)挖預(yù)留核心土法開(kāi)挖上臺(tái)階1 部，施作Ⅰ初期支護(hù)。③開(kāi)挖中（左）臺(tái)階2 部，施作中臺(tái)階左側(cè)Ⅱ初期支護(hù)。④與2 部錯(cuò)開(kāi)至少3m 開(kāi)挖中（右）臺(tái)階3 部，施作中臺(tái)階右側(cè)Ⅱ初期支護(hù)。⑤開(kāi)挖上、中臺(tái)階核心土4 部。⑥開(kāi)挖下（左）臺(tái)階5 部，施作下臺(tái)階左側(cè)Ⅲ初期支護(hù)。⑦與5 部錯(cuò)開(kāi)至少3m 開(kāi)挖下（右）臺(tái)階6 部，施作下臺(tái)階右側(cè)Ⅲ初期支護(hù)。⑧開(kāi)挖下臺(tái)階核心土7 部，施作仰拱Ⅳ初期支護(hù)。⑨施作全斷面仰拱二次襯砌Ⅴ。⑩施作全斷面仰拱填充Ⅵ。?施作全斷面拱、墻二次襯砌Ⅶ。

開(kāi)挖次序如圖1、圖2、圖3 所示。

圖1 微臺(tái)階施工開(kāi)挖預(yù)留核心土平面示意圖

圖2 微臺(tái)階施工開(kāi)挖預(yù)留核心土立面示意圖

圖3 微臺(tái)階環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土開(kāi)挖立面示意圖

5 施工臺(tái)車(chē)創(chuàng)新和優(yōu)化

①微臺(tái)階法施工通常采用的普通臺(tái)車(chē)，存在無(wú)法同時(shí)作業(yè)上下臺(tái)階從而導(dǎo)致施工周期長(zhǎng)、工作人員工作量大的問(wèn)題。為此，我們的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)臺(tái)車(chē)進(jìn)行了研究，優(yōu)化和改進(jìn)后，研發(fā)了隧道微臺(tái)階法施工用的自行式微臺(tái)階法專用臺(tái)車(chē)，有效縮短施工周期、降低工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，自行式開(kāi)挖臺(tái)車(chē)包括臺(tái)架主體、從臺(tái)架主體上部延伸出來(lái)的上、下懸挑平臺(tái)和位于臺(tái)架主體底部四角的臺(tái)架走輪裝置，臺(tái)架主體由橫梁、縱梁、立柱、支撐斜梁共同搭設(shè)成“門(mén)”型框架并留有過(guò)車(chē)通道。②臺(tái)車(chē)行走機(jī)構(gòu)、工作爬梯設(shè)置于臺(tái)車(chē)后端，以平衡前端的懸挑工作平臺(tái)，避免臺(tái)車(chē)傾覆。專用臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。③懸挑平臺(tái)縱向主梁之間、主梁與臺(tái)車(chē)立柱間采取銷(xiāo)接方式，以便于現(xiàn)場(chǎng)的施工人員可以根據(jù)實(shí)際施工情況調(diào)整平臺(tái)懸挑長(zhǎng)度和平臺(tái)數(shù)量。

圖4 自行式微臺(tái)階法專用臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)比現(xiàn)有的普通臺(tái)車(chē)，能更適用于微臺(tái)階法施工，保證上下臺(tái)階的同時(shí)鉆孔、出碴、支護(hù)，彌補(bǔ)了微臺(tái)階施工的短板，有效縮短施工周期的同時(shí)彌補(bǔ)了微臺(tái)階施工缺乏相應(yīng)開(kāi)挖臺(tái)車(chē)的短板。

6 施工工藝要點(diǎn)

①施工實(shí)踐表明：微臺(tái)階環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法開(kāi)挖速度在保證施工安全質(zhì)量的情況下應(yīng)越快越好。上臺(tái)階預(yù)留核心土面積必須大于50%。開(kāi)挖掌子面與仰拱作業(yè)面要控制在30m 以內(nèi)，保證每隔一天開(kāi)挖一次仰拱，并且當(dāng)天24 小時(shí)內(nèi)完成仰拱初支，襯砌及填充施工。微臺(tái)階環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法施工時(shí)，旋噴樁施做在下臺(tái)階施工完成后立即進(jìn)行。旋噴樁施工完成后，即可開(kāi)挖仰拱，使仰拱盡早閉合成環(huán)。②上臺(tái)階按輪廓線環(huán)向開(kāi)挖，保留核心土，以機(jī)械為主人工為輔進(jìn)行開(kāi)挖，人工配合挖掘機(jī)向下刨土。開(kāi)挖后立即進(jìn)行支護(hù)，并構(gòu)成穩(wěn)固的支護(hù)體系，核心土面積應(yīng)大于斷面面積50%。③通過(guò)變形監(jiān)控量測(cè)來(lái)掌握圍巖和支護(hù)的變形情況，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)和預(yù)留變形量，以確保施工安全。④開(kāi)挖施工注意工序銜接，緊湊安排，減少圍巖暴露時(shí)間，避免引起圍巖失穩(wěn)。⑤留足作業(yè)空間，核心土長(zhǎng)度控制在3～5m，寬度為隧道開(kāi)挖寬度的2/3。⑥根據(jù)隧道圍巖地質(zhì)情況，嚴(yán)格控制每進(jìn)尺開(kāi)挖長(zhǎng)度，每次開(kāi)挖長(zhǎng)度一般為0.5～0.75m，開(kāi)挖后立即初噴3～5cm 砼以減少圍巖暴露時(shí)間。⑦嚴(yán)格按設(shè)計(jì)及規(guī)范要求加工制作和架設(shè)鋼架，鋼架架設(shè)在堅(jiān)實(shí)基面上，并加墊硬支撐，與鎖腳錨管焊接牢固。⑧超挖部位采用同標(biāo)號(hào)砼回填密實(shí)，嚴(yán)禁初期支護(hù)背后存在空洞。必要時(shí)進(jìn)行充填注漿，保證初期支護(hù)與圍巖密貼。⑨在掌子面進(jìn)行“品”字形超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，依據(jù)鉆孔情況分析地質(zhì)條件，立即調(diào)整施工方案。⑩超前支護(hù)嚴(yán)格根據(jù)設(shè)計(jì)施工，外插角和搭接長(zhǎng)度滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

7 微臺(tái)階工法在忠和隧道應(yīng)用的評(píng)估

7.1 工藝先進(jìn)性方面

支護(hù)系統(tǒng)參數(shù)類(lèi)似的情況下，在開(kāi)挖工法為微臺(tái)階的情況下設(shè)計(jì)支護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定、安全。以初期支護(hù)全斷面閉合為監(jiān)測(cè)周期，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工的最大拱頂沉降和周邊收斂值為70mm、52.7mm；采用微臺(tái)階法施工的最大拱頂下沉和周邊收斂為47.4mm、25.4mm，且其收斂變形速度更快趨于穩(wěn)定。微臺(tái)階法成環(huán)速度快，因此圍巖整體變形過(guò)程時(shí)間較短，所以其變形數(shù)值較雙側(cè)壁導(dǎo)坑法小。同時(shí)，微臺(tái)階環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法不需要設(shè)置多個(gè)導(dǎo)坑，也沒(méi)有需要拆除的臨時(shí)拱架，因此土體擾動(dòng)較少，使得沉降收斂值更小，圍巖更加安全穩(wěn)定。

7.2 施工工藝復(fù)雜程度方面

從施工復(fù)雜程度和進(jìn)度角度來(lái)看，微臺(tái)階環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法相較于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法具有顯著優(yōu)勢(shì)。它不僅簡(jiǎn)化了許多繁瑣的工序，利于現(xiàn)場(chǎng)施工人員快速掌握施工工藝并實(shí)施。且該工法還能更好地適應(yīng)大型機(jī)械的使用，改善了施工條件，提高施工效率。

7.3 施工進(jìn)度方面

微臺(tái)階環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法相比于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法而言，仰拱閉合時(shí)間更短，更符合早封閉的施工要求，且微臺(tái)階環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法相比于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，開(kāi)挖工序少，且合理利用機(jī)械設(shè)備，加快了施工速度。

經(jīng)測(cè)算，微臺(tái)階環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法掘進(jìn)綜合進(jìn)度為60m/月，確保了忠和隧道的掘進(jìn)工期。

7.4 經(jīng)濟(jì)效率方面

因微臺(tái)階環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土法較雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工進(jìn)度快，機(jī)械化施工程度高，臨時(shí)支護(hù)設(shè)施少，故也能顯著提高工程效益，經(jīng)測(cè)算，能降低掘進(jìn)支護(hù)的成本約26%。

8 結(jié)束語(yǔ)

忠和隧道的施工實(shí)踐表明，采用微臺(tái)階法開(kāi)挖隧道，縮小了各工序銜接時(shí)間，加快了施工進(jìn)度，減少了人員、設(shè)備窩工，更有效的控制了仰拱與掌子面之間的安全步距，顯著降低了隧道施工的安全風(fēng)險(xiǎn)，安全管理和文明施工都得到了極大的提高。這些成果對(duì)于保障施工質(zhì)量和安全、提高施工效率具有重要意義，并為未來(lái)研究提供了有價(jià)值的參考。在未來(lái)的研究中，擬進(jìn)一步深入探討該方法在其他類(lèi)似工程中的應(yīng)用和改進(jìn)，以及引入更多的新技術(shù)和新材料提高隧道工程的施工質(zhì)量和效率。