三臺階帶仰拱一次開挖工法在高鐵隧道施工中的應用

中鐵七局集團武漢公司

正文：

1、引言

三臺階帶仰拱一次開挖工法是下臺階帶仰拱一次開挖并快速封閉成環的施工工藝。該工法主要解決軟弱圍巖仰拱開挖與上、中、下臺階施工相互干擾、制約的施工特點。在施工的過程中對下臺階及仰拱開挖時間節點進行有效的控制，從而保障工程的順利施工，提高施工進度，并使成本得到有效的控制。

2、工法的基本概述

2.1 基本原理

三臺階帶仰拱一次開挖工法參考三臺階開挖工法，并在此基礎上對下臺階及仰拱開挖進行衍化，即適當增加上、中臺階的高度、中臺階的開挖長度，在保證隧道仰拱安全步距的要求下，下臺階及仰拱一次開挖及立架支護，完成初期支護的封閉。另外，本工法結合新奧法施工，充分利用圍巖的自穩能力和開挖面的空間約束作用，采用以錨桿和噴射混凝土為主要支護手段，通過下臺階及仰拱一次開挖及支護，盡早的完成初期支護封閉成環，約束圍巖的松弛和變形，減少了下臺階及仰拱之間的相互施工干擾，提高隧道施工的安全性。

2.2 施工原則

應用該工法在施工過程中一定要滿足以下七個施工原則：（1）加強施工監控量測，實行信息化施工。對拱頂下沉、圍巖收斂進行量測，及時對數據進行整理分析，反饋至設計和施工現場，優化設計參數和施工方法。（2）嚴格控制下臺階及仰拱開挖榀數，軟弱圍巖下臺階不宜超過2榀鋼架設計間距，仰拱封閉成環一次不宜大于3m，并及時封閉成環。（3）按工法合理降低下臺階開挖高度，控制開挖量，節省出渣時間，加快下臺階及仰拱封閉成環，減少圍巖暴露時間。（4）嚴格按照設計規范、標準及技術交底控制炮眼間距、角度、裝藥量及爆破順序，從而有效控制隧道超欠挖。（5）鋼架安裝、鎖腳錨管的打設與注漿和初期支護混凝土質量必須滿足設計及規范要求。（6）移動棧橋的搭建必須滿足車輛通行條件及隧道工程施工安全技術規程相關規定。（7）在施工的過程中重視通風、照明的情況。

3、工法的具體施工方式

3.1 工藝流程

施工準備→超前地質預報、測量放樣→拱部超前支護→上、中臺階開挖、初期支護→下臺階、仰拱開挖、初期支護→監控量測→下一循環開挖、支護。

3.2 作業要點

三臺階帶仰拱一次開挖工法工序橫斷面見下圖:

三臺階帶仰拱一次開挖工法工序圖

1）開挖步驟：上、中、下臺階帶仰拱①②③④部測量放線→上、中、下臺階帶仰拱①②③④部打孔鉆眼→上、中臺階①②部裝藥、爆破→上、中臺階①②部出渣→上、中臺階①②支護臺車、材料到位→下臺階帶仰拱③④部爆破→上、中臺階①②部立架、下臺階帶仰拱③④部出渣→下臺階及仰拱③④部立架→上、中、下臺階帶仰拱①②③④部一次噴砼到位→進入下一個循環。

2）開挖具體施組安排：上臺階開挖采用雙拼的小臺架，利用挖機進行移動，中下臺階之間搭設棧橋通行。施工時，上、中臺階同時起爆，通過1臺挖機配合2臺裝載機出渣，挖機將上臺階石渣集中至中臺階，兩臺裝載機配合出渣車在中臺階進行出渣作業，上中臺階完成出渣作業后，布置好上、中臺階支護臺車及材料后，下臺階與仰拱進行爆破作業，下臺階及仰拱采用挖機配合出渣車裝渣，考慮到上臺階的錨桿及超前支護的施工時間，現場上、中、下及仰拱支護完成時間相差不大，最后開始噴砼作業，上、中臺階采用濕噴機械手噴砼，下臺階及仰拱采用2臺小型濕噴機進行作業。至此，隧道初期支護一個循環施工完成，開始進入下一循環施工。

3）開挖適用條件：本工法主要適用于Ⅲ～Ⅴ級圍巖帶仰拱結構形式的隧道開挖支護，配合超前支護確保施工過程中的圍巖的穩定性。該工法用于開挖斷面100～150m2之間的隧道，隧道頂面至仰拱底面開挖高度為12.5m。使用三臺階帶仰拱一次開挖工法開挖時，上臺階開挖高度為450cm左右，長度控制在5m～8m以內；中臺階開挖高度為400cm，長度控制在25m左右，隧道左右兩側錯榀開挖支護；下臺階及仰拱開挖高度為396cm，一次開挖支護，保證隧道安全步距控制在35m以內。

4、效果評價

根據胡家隧道工區實踐數據統計，采用三臺階帶仰拱一次開挖下臺階與仰拱初支鋼架封閉成環時間從14天壓縮至9～10天，初期支護收斂變形量從15～25mm縮小至5～10mm，Ⅳ開挖進度指標由設計70m/月提升至90m/月，Ⅴ開挖進度指標由50m/月提升至70m/月。

5、結束語

通過三臺階帶仰拱一次開挖法在大斷面隧道施工過程中的應用得到以下結論，三臺階帶仰拱一次開挖法減少了一道作業工序，縮短了工序循環時間，加快了施工進度，從而有效地控制圍巖收斂變形量；下臺階帶仰拱一次封閉成環規避了常規三臺階法中下臺階鋼架長期懸空的現象；仰拱底板開挖鉆眼時，有利于底板外插角控制，能較大提高仰拱開挖成型，控制底板超欠挖。另外要注意采用三臺階帶仰拱一次開挖應注意合理組織現場施工，協調各工序之間的銜接問題，保證施工工序的正常循環。