“臺階法”在原位擴建隧道開挖中的應用

孫浩

摘 要：由于隧道原位擴建是在大臨空面上進行施工，圍巖的穩定性成為考慮的關鍵。而開挖方案的選擇又是帶全局性的問題，關系到整個工程的施工進度、質量和成本。本工法為后祠隧道右線“二擴四”在對既有洞進行預加固的基礎上的洞身開挖工法。在保證隧道施工安全同時，減少了成本投入，滿足了工期要求。

關鍵詞：擴建隧道;臺階法;大斷面

中圖分類號：U455.4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）08-0125-02

0 前言

近年來公路交通運輸量大幅度增加，越來越多的高速公路已不能滿足交通運輸量發展的需求，因而高速公路擴建迫在眉睫。大斷面隧道將作為特殊地形條件下解決高等級公路布線有效且經濟的一種結構形式，它對提高交通運輸效率、保護與利用自然環境、加快經濟建設發展等均有重大的現實意義，將得到越來越廣泛的應用，但大斷面隧道的出現，為工程界提出了新的課題，由于隧道的斷面面積、跨度、斷面形狀扁率均較大，目前尚缺乏足夠的理論知識和工程經驗。大斷面原位擴建隧道一般均采用CRD交叉中隔壁方法開挖，但該開挖方法施工工序復雜，且臨時仰拱、中隔墻拆除風險高，施工進度緩慢。因此，如何在確保安全前提下，對大斷面隧道原位擴建施工方法進一步的研究和優化，以提高施工方法的效率和可靠性，加快施工進度就顯得尤為重要。

1 工程概況

漳龍高速公路后祠隧道位于龍巖適中鎮上鄭村與新祠村之間，為雙洞四車道普通分離式隧道，于2001年完工并投入運營，全長990m，隧道跨度為12m。隧道洞身以中-微風化花崗巖為主，為較堅硬巖，總體圍巖以Ⅳ級圍巖為主。由于受到高速公路擴建的需要，該隧道擴建為三洞九車道隧道，其中右線隧道由二車道原位擴建為四車道。右線老洞凈空9.25×5.0m（寬×高），右線擴建隧道凈空17.75×5.0m（寬×高）。擴建隧道全長992m。隧道最大埋深約143m。

老隧道從建成至今已有17年之久，由于材料老化及當時設計施工技術水平等原因，表面主要存在襯砌外觀差、裂縫、錯臺、滲漏等問題，內部通過檢測發現隧道拱頂及兩側襯砌及初期支護背后脫空部位較多，同時初期支護脫空后導致背后圍巖出現不同程度松動，在隧道開挖后極易發生拱頂坍塌。

2 臺階法施工順序及操作要點

本次采用的臺階法是在對原隧道存在的空洞探明、原施工過程中塌方處理資料的熟悉，同時在預加固的的基礎上，在保證隧道安全、質量的前提下，以監控量測數據為依據而采用的施工工法。采用此工法能滿足結構安全要求，能有效控制隧道兩側收斂，同時便于大型設備施工，以提高工作效率。具體步驟如下：（1）既有隧道先回填片石至拱腰，開始施作超前支護，為上臺階開挖做好準備。如圖1所示。（2）施工完超前支護后，開始開挖上臺階，高度5.5～7m，并完成初期支護。如圖2所示。（3）上臺階開挖10～15m左右開始開挖左側中臺階，完成其初期支護施工。高度為2.5～3m，寬度約4m（主要考慮最大限度保留核心土，同時只用少量機械配合就可以安裝拱架），如圖3所示。（4）左側中臺階開挖5m左右開始開挖左側下臺階，高度2.5～3m，寬度約4m，并完成其初期支護施工。如圖4所示。（5）左側下臺階開挖5m左右開始開挖右側中臺階，高度2.5～3m，寬度約4m，并完成其初期支護施工。如圖5所示。（6）右側中臺階開挖5m左右開始開挖右側下臺階，高度2.5～3m，寬度約4m，并完成其初期支護施工。如圖6所示。（7）右側下臺階開挖5m左右后開始開挖核心土及仰拱，仰拱開挖一次控制在3m以內，開挖后立即完成仰拱初期支護。如圖7所示。（8）仰拱初期支護完成后，及時澆筑二次襯砌和仰拱回填。如圖8所示。（9）等仰拱澆筑夠兩模二襯時，開始澆筑洞身二次襯砌，一次襯砌長度控制在10米以內。

3 臺階法的數值仿真分析結果

為了保證大斷面擴建隧道采用臺階法開挖理論上的可行性，在確立開挖方案前對每個開挖步驟都進行了數值仿真分析，分析后得出以下幾點結論和建議：（1）通過理論分析和數值模擬的方法，確定了在大斷面原位擴建開挖采用臺階法擴挖是可行的。（2）原位擴建隧道施工時，先進行起拱線以上的擴挖，保留原路面及原仰拱部分不進行擴挖有利于圍巖的穩定，對隧道安全施工起到了積極的作用。（3）隧道擴挖施工過程中，隧道左右兩側應力和變形具有不對稱性，且在隧道拱腳、老隧道右邊墻及拱頂明顯應力集中，且在拱頂部位亦出現受拉區，因此這些部位施工是控制重點，在施工的過程中要及時支護并加強支護參數。（4）大斷面隧道原位擴建施工是在圍巖已受擾動情況下進行的，所以有必要施加超前預支護措施。

4 其他注意事項

4.1 老隧道地質、施工情況的了解分析

在施工前，首先對老隧道進行雷達地質探測，對老隧道周邊圍巖空洞進行探明。其次對老隧道的竣工資料進行認真研究，對原施工過程的圍巖變更、塌方段落以及塌方處理方式要分析透徹。最后在老隧道二襯表面進行徑向鉆探，每5米一個斷面，一個斷面3個孔，孔深在5米左右，針對雷達探明和資料記載的空洞塌方段探孔可適當加密。

4.2 對老隧道圍巖加固

通過鉆探和資料相結合，對一些較大空腔（空腔在1-5米），利用徑向探孔埋設泵送管，對空腔泵送C15砼，填滿為準。對于一些超大空腔（5米以上的），應先與設計溝通，提前做好準備，以免延誤工期。

4.3 開挖時注意事項

上臺階開挖時，考慮拱頂位移較大，一般增加或加長鎖腳錨桿或錨管（錨桿一側為4-6根，長度5m），同時在拱頂兩側提前施作徑向系統錨桿，錨桿與鋼拱架牢固焊接。左右側下臺階初期支護施工完后，如仰拱不能及時跟進，應采用洞碴及時回填。

5 臺階法與傳統CRD法比較存在的優勢

安全風險比較：CRD開挖方法，對于土質軟巖隧道更為適合，能有效控制軟弱圍巖下沉量及收斂，但對需爆破的石質隧道來說，爆破對臨時支撐極易造成破壞，導致臨時支撐需來回加固，費時費力。采用臺階法開挖，無臨時支護，避免拆除臨時支護的風險，同時縮短了初期支護整體閉合成環的時間，對控制隧道圍巖收斂較為有利。

施工進度比較：以背景后祠隧道為例，隧道長共992m（其中IV、V級圍巖973m，明洞19m），采用CRD法施工，雙頭掘進需要19.5個月（按單頭掘進25米/月）。采用臺階法施工，可以保證單頭掘進在50米/月，雙頭掘進隧道10個月就能實現貫通（最終后祠隧貫通用了11.5個月，因前期洞口采用了CRD法施工）。

經濟性比較：CRD法由于臨時橫撐導致上臺階支護材料均需要人工搬運，同時出渣需要小型機具倒運至下臺階再往外裝運，同時不能使用大型設備，施工效率低，工期長，費用高。臺階法就可以避免這種情況，同時縮短了工期，大大節約了成本，增加了收益。

隧道圍巖揭示比較：對于大斷面的隧道來說，同一斷面左右側圍巖差別較大。采用CRD法只能先揭示先施工的單側圍巖，無法揭示同一斷面左右側的圍巖，這樣如果后開挖的一側圍巖變差，需加強支護形式，容易造成支護形式不統一。臺階法就避免了這一問題。

6 結語

綜上所述，根據本項目工程量大、工期緊、標準高的特點，項目摒棄不適應高標準要求的習慣作法，敢于技術創新和工藝改進，以提高施工技術水平和工藝確保工程質量。

參考文獻

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