大拱腳臺階法施工技術在隧道軟弱圍巖施工中的應用

文/謝偉 神華集團蒙東鐵路有限責任公司 內蒙古呼倫貝爾 021000

大拱腳臺階法施工技術在隧道軟弱圍巖施工中的應用

文/謝偉 神華集團蒙東鐵路有限責任公司 內蒙古呼倫貝爾 021000

隧道工程建設中，軟弱圍巖隧道要穿越節理發育、圍巖完整性差、圍巖破碎的復雜地質，針對這一問題，在經過隧道建設者們長期的施工實踐和不斷總結后，形成了大拱腳臺階法這一施工技術，保證了隧道工程質量和安全。文章對大拱腳臺階法工藝流程、施工工藝、操作要點、施工質量控制要求進行了較為詳細的闡述，以期為工程實踐提供借鑒。

軟弱圍巖隧道；大拱腳臺階法；施工技術

1.前言

近年來，國家加大了交通基礎設施建設，特大長隧道、軟弱圍巖斷面的隧道相繼出在山嶺地區現，特別是對于隧道Ⅴ、Ⅳ級圍巖來說，施工難度大，而以往采用的傳統礦山法中的三臺階法、預留核心土法難以滿足施工安全要求，而CD法、CRD法又因施工復雜、速度慢常常無法滿足施工進度要求。因此，我們需要研究出一種適用于軟弱圍巖隧道施工的施工工藝，即要求工藝成熟、又要便于操作，來滿足隧道施工的需要。大拱腳臺階法在大斷面軟弱圍巖隧道上的成功應用，這種技術也在實踐中不斷完善，給隧道工程建設帶來了較好的經濟效益和社會效益。神華集團的大準鐵路增二線井溝1#隧道，全長465m，為雙線隧道，隧道圍巖主要為Ⅳ、Ⅴ級泥灰巖、新黃土，弱膨脹性，自穩性極差，對新黃土及泥灰巖地段采用了大拱腳臺階法施工，順利、快速通過了該段軟弱圍巖地段。

2.大拱腳臺階法概述

2.1 工藝原理

大拱腳臺階法是將隧道開挖支護作業面分為6個階段施工同時施工、同時支護形成穩固支護整體，逐步向前掘進的施工工藝。這種施工工藝的基本原理是將三臺階施工法的進一步優化，并借鑒了部分預留核心土的施工原理，符合隧道新奧法施工對圍巖變形控制的原理。大拱腳臺階法施工可以減少三臺階分步開挖的次數，能及時將初期支護封閉，同時因為拱部及時成環，使邊墻初期支護能盡早完成，利于控制變形，提高了施工過程中的安全性。針對隧道軟弱圍巖承載力不足，大拱腳的精髓就是可通過擴大臺階鋼架拱腳的受力面積措施來增大承載力。

采用MIDAS 軟件計算對井溝1#隧道新黃土地質進行受力驗算，新黃土采用密度15.2KN/m3，彈性模量e=1.03+e5，泊松比0.3；模型建立采用上部開挖、初期支護硬化后計算鋼架底部受力。因為當上部開挖支護后進行下部開挖時最容易發生塌方，此時采用采用大拱腳進行對鋼架底部加固，防止塌方。應力如圖1所示，通過軟件計算結果可知，上拱鋼架底部受力最大，左側約102KN，右側約99KN，如不采取加固措施，在下臺階開挖時上拱部初期支護極易變形、坍塌。

圖1 隧道拱部受力圖

2.2 工藝優勢

（1）快速便捷。與其他開挖方法相比，大拱腳臺階法可以使各個作業面平行作業，避免了預留核心土操作空間小，開挖慢的缺陷。不需要臨時支護，滿足機械化施工的要求。

（2）適應性高。如出現軟硬圍巖變化、圍巖結構復雜多變等情況時，可以較為迅速的轉換為CD法或CRD法等其他工法進行施工。

（3）更安全。大拱腳臺階法沒有臨時支撐或支護，與CD法或CRD法對比，避免了拆除臨時支護的安全隱患，有效降低了風險。

（4）節約成本。與傳統施工方法相比，大拱腳施工方法的材料、設備均為隧道施工常用材料、設備，便于采購，成本低廉，這樣大大節約了施工成本。

（5）工效快。由于大拱腳臺階法平行作業，使前期作業時間提前，加快了施工進度，縮短施工時間。

2.3 工藝適用范圍

（1）一般適用于Ⅳ、Ⅴ級軟弱圍巖大斷面隧道、淺埋以及深埋的地質情況較好的大斷面隧道。

（2）另外對于低風險、低濃度瓦斯隧道，也可應用。

3.大拱腳臺階法開挖工序說明

隧道開挖分步工藝見圖2。

圖2 大拱腳臺階法開挖分步工藝

（1）利用上一循環架立的鋼架，施作隧道拱部?42mm超前小導管，小導管長3.5m，重疊2m，然后在拱部超前支護后進行上部弧形導坑的環形開挖，預留長度為3～5m，寬度為隧道開挖寬度的1/3到1/2之間的核心土。開挖后立即施作上部初期支護，具體做法：先噴射4cm厚的混凝土，上面掛鋼筋網，并架設鋼架，然后人工開挖施作大拱腳系統支護，同時注意在鋼架兩側邊沿45度傾角設鎖腳錨桿，將鎖腳錨桿與鋼架焊牢，施工置徑向錨桿后再次噴射混凝土至設計厚度。開挖循環進尺為一榀鋼架，間距0.8m。

（2）在滯后部位約3～5 m后，進行左側部中臺階的開挖。開挖高度一般為3.5～4m，按初期支護鋼架間距確定。開挖后立即施作下部初期支護，具體做法同上部初期支護的施作。

（3）在滯后部位約2～3m后，進行右側部中臺階的開挖，右側部中臺階的開挖支護方式同左側部中臺階。

（4）見圖2，開挖上臺階④部位、中臺階⑤部位，在滯后部位約3～4m后，依次進行上臺階④部位、中臺階⑤部位的開挖，開挖進尺與臺階循環進尺一致。

（5）見圖2，開挖隧底⑥部位，在滯后⑤部位約4～5m后，開挖⑥部位剩余部分，開挖后先噴4cm厚混凝土，安裝仰拱鋼架，將仰拱鋼架與左右側落地鋼架連接牢固，再次噴混凝土至設計厚度。為了不影響車輛進出，應及時施作仰拱并進行仰拱回填，仰拱分段開挖長度一般3榀拱架。

大拱腳臺階法初期支護施工工藝流程見圖3

個人安全防護物品。

（3）持證上崗，特種設備操作人員、專職安全員、爆破人員必須經過專業培訓并取得國家監管部門頒發的合格證書。

（4）對于特殊地質條件，應加強隧道施工風險的評估管理，保證針對性的預防措施的落實。

（5）落實安全生產責任制，細化安全考核辦法，加強日常安全檢查的力度，制定一定獎懲措施。

（6）進行專項安全技術交流，建立快速反應機制和隧道施工應急預案，并定期進行應急演練。

（7）詳細掌握隧道設計地質資料，在施工時做好瓦斯、CO等有害氣體檢測工作。

（8）隧道內搭設的臨時工作臺必須放置穩妥，堅固牢靠，而且工作臺應當設有梯子和安全防護桿。

（9）嚴格遵守現行《爆破安全規程》有關規定，對隧道爆破作業和火工品進行安全管理。特別是存在瓦斯風險的隧道，在施工作業中應符合《鐵路瓦斯隧道技術規范》的有關規定。對于地層含有瓦斯的隧道施工區段，要采用煤礦許用安全炸藥、雷管。

8.總結

與傳統施工方法相比，大拱腳臺階法有著較為明顯的優勢，特別是對于施工空間大，機械化程度高的軟弱圍巖大斷面隧道。應用這種方法操作簡單，作業速度快，經濟安全，有效地提高了開挖質量，使其成為了軟弱復雜地質條件下大斷面隧道的主要施工方法。隨著隧道工程建設的需求在不斷增多，要求也越來越高，只有不斷總結傳統施工技術的優點和成功實踐應用的經驗，創造更好的施工技術，才能滿足工程建設的要求，做好隧道工程建設。

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謝偉（1983-），工程師，現任神華集團蒙東鐵路有限責任公司工程部工程師。2004年畢業于邵陽學院，2004-2011年在中鐵十一局集團工作，一直從事鐵路工程施工技術管理，2010年獲得邵陽學院土木專業本科學歷，2011年調入神華集團鐵路系統工作，從事鐵路基建管理工作，發表過《溫福鐵路鰲江特大橋鋼套箱堵水成功》、《大準鐵路清水河隧道塌方治理》、《淺談軌道工程施工技術的應用》等論文。