三臺階七步流水作業法在特長隧道中的應用

陳 永

1 工程概況

太古高速公路西山隧道位于呂梁山脈東翼的石千峰山北麓,屬全線重點、難點、控制性工程,為目前全國在建最長公路隧道。隧道設計為兩座雙行單洞,左線全長為 13 654 m,右線全長為13 570m,中鐵十二局集團承建的太古高速公路S2標段起訖里程為K 0+900～K7+550,路線全長6.65 km,其主要工程西山隧道進口端左線隧道全長 6 544m,右線隧道全長 6 540m,1號豎井全長 346.8m,1號斜井全長763m,坡度為 25°,隧道圍巖為第四系黃土、碎石土、石炭系薄～中厚狀泥(頁)巖、砂巖和奧陶系中統峰峰組()角粒狀、團塊狀、蜂窩狀泥灰巖、石灰巖、白云質灰巖,隧道地質條件復雜,施工區存在瓦斯、涌水、17條斷裂破碎帶與采空區。工程工期為 34個月(含冬季施工),由于隧道地質復雜,獨頭掘進距離長等因素,造成施工工期十分緊張。

西山隧道進口工區承擔左右洞各 4.5 km的施工任務,任務重,戰線長、通風排煙難度大,左右線洞口各 700m圍巖均為Ⅴ級加強段與Ⅴ級深埋段,施工過程中要通過 11條斷裂破碎帶,如何在保證安全與質量的前提下快速順利的通過洞口段加強段圍巖對工程工期起著決定性的作用。

2 施工方法的優化

2.1 雙側壁導坑法的缺點

1)限制了大型施工機械的使用,降低了工效。

2)在軟、硬圍巖相間的隧道,施工方法的調整時間很長。

3)臨時施工支護多,投入大,不經濟。

4)施工中工序間相互干擾較大。

2.2 三臺階七步作業法施工特點

三臺階七步開挖法是以弧形導坑開挖留核心土為基本模式,分上、中、下三個臺階七個開挖面,各部位的開挖與支護采用沿隧道縱向錯開,并行推進的隧道施工方法,它具有如下技術特點:

1)施工空間大,方便機械化施工,可以多作業面平行作業,部分軟巖或土質地段可以采用挖掘機直接開挖,功效較高。

2)在地質條件發生變化時,便于靈活及時地轉換施工工序,調整施工方法。

3)適應不同跨度和多種斷面形式,初期支護操作便捷。

4)在臺階法施工開挖的基礎上,預留核心土左右錯開開挖利于工作面的穩定。

5)當圍巖變形較大或突變時,在保證安全和滿足凈空要求的前提下,可盡快調整閉合時間。

西山隧道左右線進口段Ⅴ級加強段圍巖設計開挖方法為雙側壁導坑法,我部在經過對設計圖紙與圍巖情況的多方面的研究與考慮后,在確保安全與質量的前提下,通過優化施工方案,加強初期支護,決定用三臺階七步流水作業法取代設計的雙側壁導坑開挖方法。

3 施工過程

3.1 三臺階七步作業法

三臺階七步作業法開挖步驟見圖 1。

3.2 三臺階七步流水法的施工步驟

第 1步:開挖上部弧形導坑:在拱部超前支護后進行,環向開挖上部弧形導坑,預留核心土,核心土長度宜為 3m～5m,寬度宜為隧道開挖寬度的 1/3～1/2。開挖循環進尺應根據初期支護鋼架間距確定,最大不得超過1.5 m,開挖后立即初噴3 cm～5 cm混凝土封閉。上臺階開挖矢跨比應大于 0.3,開挖后應及時進行噴、錨、網系統支護。

第 2,3步:開挖左、右側中臺階:開挖高度一般為 3 m～3.5m,左、右側臺階錯開2m～3m,開挖后立即初噴3 cm～5 cm混凝土封閉,及時進行噴、錨、網系統支護。

第 4,5步:開挖左、右側下臺階:開挖高度一般為 3 m～3.5m,左、右側臺階錯開2m～3m,開挖后立即初噴3 cm～5 cm混凝土封閉,及時進行噴、錨、網系統支護。

第 6步:開挖核心土:分別開挖上、中、下臺階預留核心土,開挖進尺與各臺階循環進尺相一致。

第7步:隧底開挖:每循環開挖長度宜為2m～3m,開挖后及時施作仰拱初期支護,完成兩個隧底開挖、支護循環后,及時施作仰拱,仰拱分段長度宜為 4m～6m。

4 三臺階七步開挖法施工控制要點

1)三臺階七步開挖法施工應做好工序銜接,工序安排應緊湊,盡量減少圍巖暴露時間,避免因長時間暴露引起圍巖失穩。a.全斷面初期支護閉合時間宜控制在 15 d左右。b.仰拱距上臺階距離應控制在 30m～40m。c.二次襯砌距上臺階距離應控制在 60m以內。2)在滿足作業空間和臺階穩定的前提下,應盡量縮短臺階長度,核心土長度應控制在 3 m～5m,寬度宜為隧道開挖寬度的 1/3～1/2。3)三臺階七步開挖法施工應嚴格控制開挖長度,根據圍巖地質情況,合理確定循環進尺,每次開挖長度不得超過1.5m;開挖后立即初噴3 cm～5 cm混凝土,以減少圍巖暴露時間。4)嚴格按設計要求施作超前支護,控制好超前支護外插角,嚴格按注漿工藝加固地層,保證隧道開挖在超前支護的保護下施工。5)隧道周邊部位應預留 30 cm人工開挖,其余部位應采用機械開挖,局部需要爆破時,必須采用弱爆破,不得超挖。施工時應嚴格控制裝藥量,減少對圍巖的擾動。6)中、下臺階左、右側開挖應錯開,嚴禁對開,左右側錯開距離宜為 2m～3m。7)鋼架應嚴格按設計及規范要求加工制作和架設。鋼架應架設在堅實基面上,嚴禁拱(墻)腳懸空或采用虛碴回填,鋼架應與鎖腳錨桿(管)焊接牢固。8)隧道超挖部位必須回填密實,嚴禁初支背后存在空洞。必要時初支背后應進行注漿充填,保證初期支護與圍巖密貼。9)施工中控制變形的措施有:增加鎖腳錨桿(管)、增設鋼架拱(墻)腳部位縱向連接筋、擴大拱(墻)腳基礎、增設拱(墻)腳槽鋼墊板等。10)應加強監控量測工作,根據量測結果,及時調整支護參數,確定二次襯砌施作時間,進行信息化管理。11)完善洞內臨時防排水系統。當地層含水量大時,在上臺階開挖工作面附近開挖橫向水溝,將水引至兩側排水溝排出洞外。12)隧道施工應加強洞內通風,作業環境應符合職業健康及安全標準。

5 三臺階七步開挖法施工安全注意事項

1)施工現場防護裝置、安全防護措施必須齊全,嚴格遵守安全操作規程。

2)施工人員進入作業現場必須佩戴個人防護用品,不準穿拖鞋作業。

3)施工現場的機具設備,必須設置切實可靠的防護、分隔措施和明顯的警示標志、警示燈。

4)所有參加作業的人員(含配屬人員)必須配備安全帽,未戴安全帽嚴禁進入現場。

5)施工作業高度超過 3m,必須有防護欄桿,無高空防護裝置,安全人員有權下令停工,進行防護整改。

6)焊接作業時,操作人員持證上崗,必須佩戴相應的安全保護用品。

7)要配備專職或兼職電工,持證上崗,并具有一定的專業技術,嚴禁違章作業。

8)施工用電要按規定、規格使用,嚴禁帶電作業,嚴禁電線拖地,防止漏電傷人,必須上墻或用電桿支離。

6 結語

太古高速公路西山隧道已采用此法安全順利的通過洞口段加強段圍巖并取得了較大的經濟效益,也在一定程度上減輕了工程工期壓力,在質量、安全、進度等方面受到了業主與設計、監理等單位的好評。目前工程施工正有條不紊的進行。

西山隧道地質條件復雜,圍巖變化比較頻繁,這給施工帶來了很大的困難,文中就三臺階七步流水法在特長隧道加強段圍巖中施工作一闡述,難免有考慮不周的地方,還望同行不吝指正,以求提高與進步。

[1] 龔成術.淺談大斷面黃土隧道三臺階七步開挖法[J].鐵道建筑技術,2009(6):71-74.

[2] 聞慶權.三臺階七步開挖法在離石隧道施工中的應用[J].現代隧道技術,2009(6):106-125.

[3] 大斷面淺埋暗挖隧道CRD法施工安全性分析[J].鐵道建筑,2008(8):67-70.

[4] 李 勇,孫 鋒.三臺階法在高速鐵路山嶺隧道淺埋段中的應用[J].山西建筑,2010,36(4):330-331.