黃土隧道仰拱同步三臺階開挖支護施工工法

龐旭 潘軍華 盈科

摘要：本文以新建蒙西至華中鐵路煤運通道范里隧道開挖施工為背景，通過變更開挖臺階高度，仰拱同步等施工方法使初期支護快速封閉。提高施工效率，保證施工質量，保障施工安全，收獲經濟效益。

關鍵詞：變更開挖臺階高度；仰拱同步施工；施工效率；施工質量；施工安全；經濟效益

1前言

蒙華鐵路煤運專線范里隧道設計為單洞雙線隧道。隧道施工是促進鐵路建設的重點。只有保證隧道施工技術的發展，才能不斷加深鐵路建設，才能拓展鐵路線路，才能保障施工安全以及鐵路運行的穩定性。所以對隧道施工技術必須充分重視。不斷提高技術水平，通過鉆研找尋更加有效科學的方式，以解決各類復雜地質條件下遇到的隧道施工問題，避免由于地質問題而引發的災害性事故。

2工法特點

2.1該工法只需常規施工機械，通過合理的人員調配和結合工法就能多作業面平行流水施工。大大提高工作效益。

2.2該工法效高，機械直接開挖，能快速施作初期支護，減少圍巖擾動。保證施工安全。

2.3該工法不需增加特殊設備，大大的減少投入成本少，且操作適用性強，易推廣應用。

3適用范圍

本工法適用于黃土隧道的施工。

4工藝原理

4.1監控量測對隧道全方位的圍巖的穩定性合理評價。判斷支護效果，指導施工工序，對施工工法的保證。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。

4.2三臺階開挖支護對細節變更后，在保證施工安全、質量情況下加快了施工進度，提高工作效率，減少了施工復雜性。

4.3充分利用施工空間大的優勢，合理有效利用機械，使施工便利且高效。

4.4適應不同跨度和多種斷面形式，采用挖掘機直接開挖，工效較高。

5施工工藝流程及操作要點

5.1施工工藝流程

黃土隧道三臺階開挖支護施工工藝流程（見圖5.1-1）。

5.1操作要點

5.2.1施工準備

提前組織材料進場驗收，對于鋼架、超前錨管等需預制材料，應提前預制，以便及時支護。隧道開挖應與支護緊密結合，嚴格按照“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、勤量測、早封閉”的18字方針組織施工。

5.2.2超前地質預報

在超前地質預報采用TSP超前地質雷達為主，超前地質探孔為輔。超前地質雷達有效距離100m，每次檢測搭接長度10m。該方法檢測所需時間短，且檢測效果良好。超前地質探孔每循環施作，上臺階施工3個孔。中、下臺階施工2個，仰拱施工一個孔，有效孔深不得小于3m。然后結合地質雷達資料分析探孔土質與設計是否相符。

5.2.3超前支護

設計熱軋無縫鋼管，單根長5m，外徑50mm，壁厚5mm。外插角5°～10°為宜，可根據實際情況調整，但不得大于10°。由于該隧道為黃如土隧道，不易采用傳統先錨管再注漿方式，容易導致黃土遇水無法施工的情況，所以采用提前注水泥砂漿到小導管，增加小導管剛度。超前支護施工工序安排在立架施工完成后，由2人配合挖機頂管施工作業，尾端已鋼架作為支撐點焊接牢固，實現超前支護加固措施。

5.2.4三臺階法開挖

1.三臺階開挖工法調整

開挖時將設計開挖上臺階高度變更增加0.8m，下臺階高度減少0.8m，中臺階高度不變。

三臺階施工工法調整后施工優勢，一是挖機對上臺階開挖更有利，避免開挖上臺階高度不夠，也解決上臺階高度過低挖機破壞已支護噴漿面的情況，同時對于立架施工、立架臺車安放等等都帶來了便利。二是降低了下臺階回填土與中臺階之間高度差，使得臨時仰拱橋更平，在仰拱橋臨時安裝和機械行走提高安全保障。三是減少了二次仰拱開挖量及時間。減少施工仰拱時對初支的影響。

2.隧道開挖、立架施工

隧道開挖以新奧法為基本原則，以監控量測核心控制。人工配合機械形式開挖，開挖機械為帶有松土器的挖機，主要負責大面積開挖，開挖后人工負責排險找頂、挖大拱腳、邊璧修整等。隧道開挖采用上、中、下臺階仰拱等順序依次開挖。

上臺階開挖，機械開挖每循環控制0.6m左右，即1榀鋼架距離。不得開挖進尺過大（后期人工修整開挖），機械開挖時渣土堆放于中臺階，便于上臺階出渣和立架同時施工。三輛自卸汽車和一臺裝載機出渣施工，同時6人排除拱頂松散塊后修整邊壁和開挖大拱腳，人工開挖工具采用風鎬。大拱腳開挖完成立架施工，由于上臺階鋼架由3個單元組成，立架時9人立架拼裝拱架。同時開挖中臺階，中臺階開挖2榀鋼架距離，完成開挖后隨即出渣。出渣同時上臺階拼裝完成后調4人至中臺階修整邊壁和開挖大拱腳（此時上臺階3人連接件加固，2人施工鎖腳錨管），中臺階大拱腳開挖后立架施工。同時下臺階及仰拱進行開挖作業，如果上、中臺階需要超前支護頂管（頂管作業由挖機施作，此時下臺階開挖后延后）時開挖渣土臨時堆放在已支護仰拱靠后兩側，開挖完成后及時恢復臨時仰拱棧橋，方便上臺階噴砼準備。此時將上臺階施工的5人及中臺階2人（中臺階2人施工鎖腳錨管）調至下臺階立架作業，確保在中臺階開始噴砼前完成下臺階和仰拱立架施工。

3.拱架的特殊“隔板”施工

在噴射混凝土施工容易出現初支拱腳噴射混凝土下面與渣土粘結。下臺階開挖后，拱腳噴射混凝土下面粘結的渣土清除不干凈，存有虛渣，形成兩次噴射混凝土結合不緊密，后續噴射混凝土與前期噴射混凝土間軟弱夾層的質量問題。根據不同格柵鋼架型號，制作不同尺寸的隔板。隔板材料采用厚度為10mm以上鋼板，確保其剛度滿足重復使用要求。隔板長為格柵鋼架設計間距，寬為噴錨厚度加50mm（外加寬度保證抽取時利于敲擊抽取）。另外，為便于抽取，在隔板背側加焊可以轉動的拉手（拉手能轉動，便于方便埋設隔板用）。

安裝隔板前，先在格柵鋼架拱腳兩側連接鋼板上方鋪8-10cm高洞渣作為找平層墊實隔板（厚度滿足下方連接鋼板螺栓能夠順利穿入），相鄰鋼架隔板兩端底部必須全部墊實牢固并保證在同一水平面，隔板就位把提環翻下并防護。隔板安裝完成后，其表面用抹布擦干凈，保證無泥土。

5.2.5噴射砼施工

開始噴射混凝土時，從隔離板開始由下向上逐步，噴射時嘴噴與受壓面間保持60～100cm距離，噴嘴連續、緩慢移動。待拱腳鋼板連接處噴密實后，再噴射上部混凝土，此時控制噴頭垂直于巖面。總體上控制噴射順序為自下而上，每層控制在4～5cm左右，最后噴射施工拱架連接處，可將噴嘴與受噴面呈45°角。噴射混凝土完成后，立即清除拱腳和隔板50mm寬處回彈料。

5.2.6監控量測

監控量測是隧道施工管理的重要組成部分，它不僅能指導施工，預報險情，而且通過現場監測獲得圍巖動態的信息（數據），可及時調整支護參數，改進施工方法，確保施工安全和結構穩定，同時也為混凝土襯砌支護時間提供信息依據，為完善隧道工程設計與指導施工提供可靠的足夠的數據。

根據施工要求，為保證工程測量質量，建設單位設專業監控量測聯網系統，項目部成立專業測量隊，工班負責埋設及保護量測點等。測量隊根據測量實時上傳，聯網系統智能分析變化趨勢。項目部測量隊定期出圍巖變化情況報告，作業隊根據測量報告調整施工參數和是否能施工二襯。

5.2.7襯砌仰拱施工

1.仰拱洞渣回填開挖

仰拱開挖盡量避免對初支的影響，一般情況選擇只有上臺階施工的情況，這個時段對初支影響較小。出渣機械盡量不要開挖到底，留一定余量，避免破壞初支面噴砼。清理到最后用強風吹，不得用水沖洗。

2.仰拱棧橋行走

當在二次仰拱開挖時，同時行走24m仰拱棧橋。該棧橋自動行走采用液壓裝置，棧橋工作時前支撐于開挖面上，后支撐于填充面上，行走系統懸掛于主橋前端；棧橋行走時行走系統支撐于開挖面，收起前、后支撐及前、后引橋，同時驅動輪會著于填充面上，通過驅動輪及行走系統內反作用力使棧橋前移或后退。同樣的設計同樣的設計原理也解決了仰拱棧橋的左右移動的問題。有效提高生產效率。

3.仰拱鋼架綁扎及混凝土澆筑

仰拱鋼筋在施工在兩端套上保護膠套，防止戳穿防水板，鋼筋雙層布置，先施工外層主筋，再施工外層縱向筋后排放好內層縱向筋，其次施工內層主筋。鋼筋保護層不得小于5cm，接頭在同一截面錯開25%，且最小長度不得小于3m。

仰拱澆筑前隧底虛石、浮碴清理。如有積水排除干凈。混凝土直接入倉分層澆筑，每層高度不大于30cm，采用軟軸式振搗棒進行振搗，振搗時除了做到快插慢拔外，振動棒各插點間距應均勻。不要忽遠忽近。一般間距不應超過振動棒有效作用半徑的1.5倍。振搗的時間，一般每插點振搗20～30s，以混凝土不再顯著下沉，不再出現氣泡，表面翻出水泥漿和外觀均勻為止。仰拱填充混凝土待仰拱混凝土初凝后澆筑。

5.2.8二次襯砌施工

二襯混凝土一模施工12m，可以根據仰拱施工的進度調整二村混凝土的進度，不但能緊跟仰拱，還能協調初支和襯砌相互干擾，有效的控制初支圍巖變形，確保隧道施工安全。根據監控量測反饋信息循環施工。

二次襯砌施工把人員分防水系統班、鋼筋班、混凝土班。各個班之間在仰拱和二襯間流水作業，互相不影響，快速推進。同時每個班中選出1～2名班組長，對班組長實施獎勵制和施工質量責任制，不但提高生產效益，同時還保證了施工質量。

6材料與設備

本工法使用的主要材料及設備詳見表6。

7質量控制

7.1所有材料廠供材料必須有合格證書，并經試驗室復驗，符合規范要求后才準使用。

7.2所有投入施工的設備、儀器都必須經檢驗合格，并按規定對測量儀器等設備、儀器進行標定。

7.3抓好焊材質量控制、焊接規范的執行和焊工培訓，提高焊接質量。

7.4按技術規范、標準要求進行焊接工藝評定和焊接試驗。

7.5開挖斷面的中線和高程符合設計要求，嚴禁超挖過大，不允許欠挖。

7.6鋼架安裝不侵入二襯斷面，底部無虛渣，保護層不小于4cm。表面護蓋不得小于3cm，周邊拼裝誤差±3cm，平面翹曲小于2cm，安轉間距偏差±100mm，高程偏差±50mm。

7.7分層噴射混凝土，拱頂一次噴射混凝土厚度5-6cm，墻部7-10cm。配合比選定和強度符合設計要求，總厚度大于設計，表面平整度允許偏差30mm。噴射混凝土終凝5h后養護，養護時間不小于14d。

7.8二次襯砌在初期支護變形穩定后施工，拆模混凝土強度不小于8Mpa。

8安全措施

8.1對施工設備、儀器使用前，必須按照標準進行檢驗，經檢驗確認合格后方能使用。定期檢修與維護保養，消除事故隱患、

8.2電線路堅持一機一閘一漏電保護器，三相五線制和保護零線重復接地做法。無論是總配電箱還是分箱，一律設門加鎖蓋防雨罩，臨時電路必須按規程要求加設。

8.3洞內作業必須要有足夠的照明，直接用于操作的照明燈，應采用36V的低壓防爆燈，還須設置夜間反光燈。

8.4行車安全保證，堅持合理運輸計劃、合理安排車輛、合理安排裝卸；定人、定車、定任務、定路線、定物資類別。

8.5做好司機的安全教育、管理教育和技術培訓工作，落實安全責任制，嚴禁酒后駕車，帶病行車和賭氣開車。

8.6作業人員防護用品到位，安全帽、呼吸防護具、防護鞋、防護手套、防護服等等。

8.7洞內通風安全措施，保證作業人員呼吸正常。

9環保措施

9.1施工中加強洞內通風，創造有利的施工環境。定期對隧道可能出現的有害、有毒氣體進行檢測。一經發現立馬處理。

9.2洞口提前做好防水系統，防止雨水破壞四周自然環境，堅持做到“少破壞、多保護、少擾動、多防護、少污染、多防治”。

9.3采取可靠措施保證原有交通正常通行和維護沿線村鎮的居民飲水、灌溉及正常生活。

9.4盡可能降低施工建設中噪音對周圍環境的影響。

10效益分析

10.1采用變更后的開挖工法有效提高開挖效率，使開挖操作更方便，機施工快速有效。

10.2采用三臺階循序開挖，同時支護的方法有效提高了施工效率。

10.3采用24m仰拱棧橋的利用，減少了仰拱施工對初期支護的影響等。

綜合以上幾個工法特點，減少了施工時間，也較少了人員的使用，節省了機械設備成本等等。

11應用實例

范里隧道位于河南省盧氏縣境內，該地區黃土地質居多。該土質松散，強度較低，處于第四系上更新統黏質黃土，灰黃色～黃褐色，硬塑，垂直節理發育，直立性良好。且該隧道洞口埋深淺，地表沉降大。

范里隧道由中鐵五局貴州公司承建。按新奧法結合該工法組織施工，隧道全長僅667米，充分利用工法比計劃工期提前3個月貫通。更好的完成施工任務，促進鐵路事業的發展，贏得更多的社會效益以及經濟效益。

參考文獻

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（作者單位：中鐵五局蒙華鐵路MHTJ-15標項目經理部二工區）