三臺階臨時仰拱開挖法在高速鐵路隧道施工中的應用

（中鐵十六局集團有限公司，北京 100018）

1 施工方案比選

隧道施工工法確定要根據開挖地層的實際情況，結合安全、進度、經濟等要素進行綜合比選。常見的軟巖隧道施工工法有三臺階七步流水作業法、三臺階臨時仰拱法、四步CD法、中側壁導坑法、雙側壁導坑法等。其中，三臺階七步法優點為不設臨時支撐，節省材料，工作空間大，可采用大型機械施工，施工進度快；缺點為：不利于控制圍巖變形，接長側墻鋼架時沉降量大，對超前支護要求高。CD法、CRD法、雙側壁導坑法通過剛性分隔將大斷面分隔成若干小斷面分別開挖支護，其優點為易于控制圍巖變形和施工安全；缺點為工作空間小，不利于采用大型機械施工，人工使用量大，施工進度慢，若剛性分隔處處理不當會給后期防水施工留下質量隱患。相較于三臺階七步法，三臺階臨時仰拱法施工增加了臨時支護材料和臨時仰拱鋼架的安裝與拆除工作；但其工作空間大，可采用大型機械施工，臨時支護仰拱鋼架可循環使用，初支臨時快速成環可有效控制圍巖變形；遇不良地質沉降量過大時可隨時通過增加豎向臨時支撐向CRD工法轉換。

2 工程概況

新建太原至焦作鐵路山西段站前工程TJZQ-3標段榆社隧道地處山西省晉中市榆社縣境內。隧道起訖里程DK70＋700～DK81＋370，正線長度10.67km，最大埋深342m，設計時速250km/h，為高速電氣化鐵路雙線隧道。隧道通過地層主要為新黃土、砂巖、泥巖，砂巖為較硬巖，泥巖、泥質砂巖為軟巖或較軟巖。隧道工點穿過該構造中的多處向斜、背斜及多條斷層，隧道區斷裂構造較發育，發育斷層共22條，其中有9條為實測斷層，13條為物探推測斷層。隧道正常涌水量Qcp為39 107.45m3/d，最大涌水量Qmax為85 029.01m3/d。榆社隧道通過區域地質條件復雜，Ⅳ、Ⅴ級圍巖占64.6%，總體施工難度大。

3 施工方法

3.1 施工工藝流程

榆社隧道Ⅴ級圍巖淺埋、強風化巖層、深埋土層、全風化層、斷層破碎帶、富水地層等均采用三臺階臨時仰拱法施工。三臺階臨時仰拱法工藝流程如圖1所示。

圖1 三臺階臨時仰拱法施工工藝流程

3.2 施工步驟

三臺階臨時仰拱法工藝橫斷面如圖2所示。

1）洞身超前支護采用洞身長管棚和超前小導管2種支護形式，超前支護每循環搭接長度不小于1.5m以保證超前管棚或導管內注漿質量。機械配合人工開挖，盡量不采用爆破開挖。排險后，初噴上臺階拱部混凝土、架立上臺階鋼架、鉆設系統錨桿和鎖腳錨管、安裝鋼筋網片、復噴混凝土至設計厚度。上臺階底部噴10cm厚混凝土，鋪設臨時仰拱鋼架，噴射混凝土至設計厚度。

2）在上臺階①部進尺3～5m后，開挖中臺階②部。排險、初噴混凝土，鉆設錨桿和鎖腳錨管、掛網，架立中臺階鋼架、復噴混凝土至設計厚度。中臺階底部噴10cm厚混凝土，鋪設臨時仰拱鋼架，噴射混凝土至設計厚度。

3）在中臺階②部進尺3～5m后，開挖下臺階③部。排險、初噴混凝土，鉆設錨桿和鎖腳錨管、掛網，架立中臺階鋼架、復噴混凝土至設計厚度。

4）在下臺階③部進尺15～20m后，開挖隧底④部。清理虛碴后、初噴混凝土及時安裝隧底鋼架使永久初期支護鋼架封閉成環。隧底周邊部分噴混凝土至設計厚度。

5）綁扎Ⅴ部仰拱襯砌鋼筋，澆筑本段仰拱混凝土。

圖2 三臺階臨時仰拱法工藝橫斷面示意

6）仰拱混凝土凝固后，澆筑本段Ⅵ部仰拱填充混凝土。

7）根據監控量測數據分析初期支護和收斂變穩定后的沉降，利用液壓襯砌臺車一次性澆筑Ⅶ部拱墻襯砌混凝土。

3.3 工藝說明

1）三臺階臨時仰拱法開挖采用自上而下分部開挖。上臺階和中臺階每次正洞初期支護施工完畢，必須立即安裝臨時仰拱鋼架。臨時仰拱鋼架與正洞鋼架采用螺絲連接，不可采用焊接，防止機械或弱爆破開挖震動造成連接不牢固。

2）隧道各臺階開挖時，機械開挖進預留的人工開挖部分；爆破開挖時采用加密炮眼、隔孔裝藥等措施控制開挖輪廓，減少超欠挖，避免圍巖應力集中。嚴格按照設計文件要求控制開挖循環進尺，遇地質不良處應在設計基礎上采用加密初支鋼架等加強支護措施。

3）各臺階開挖時，鋼架拱腳處采用預制好的混凝土板或槽鋼墊好，防止懸空。

4）按照鐵路總公司規定和設計文件要求，嚴格控制施工步距。位于隧道穿越斷層破碎帶等不良地層時，可在設計文件的要求基礎上進一步縮短施工安全步距，確保施工安全。

3.4 施工控制要點

1）隧道超前地質預報與監控量測應分別作為單個工序，納入隧道工序循環。上臺階超前支護施作完畢后，進行上臺階拱部開挖。開挖前應進行地質情況預報，以便及時掌握圍巖和裂隙水的情況，以指導施工。當量測數據反應上臺階拱頂沉降速率過大時，可增設豎向臨時支撐控制圍巖變形。

2）上臺階超前支護施作完畢后，進行上臺階拱部開挖。開挖前應進行地質情況預報，以便及時掌握圍巖和裂隙水的情況，指導施工并調整支護參數。上臺階開挖后的拱頂下沉數據異常時，可在上臺階增設臨時豎向支撐。開挖上、中、下臺階時，可根據現場實際情況預留核心土作為機械作業平臺，并適當調整臺階開挖高度。

3）鋼架之間縱向連接筋必須與其可靠焊接并做好搭接。各臺階鋼架拱腳處鎖腳錨管可采用增設U形鋼筋或縱向連接鋼板等措施保證鋼架與錨管焊接牢固，同時控制好鎖腳鋼管內的注漿質量并做好封堵。

4）上臺階拱部鋼架連接處應錯開隧道中心線1m以上，不良地質處采用高強螺栓以替換普通螺栓。

4 結語

榆社隧道采用三臺階臨時仰拱法施工，安全、順利地穿越了土質地層、斷層破碎帶、富水地層等不良地層。新建高速鐵路采用三臺階臨時仰拱法施工，有效控制軟巖隧道開挖后沉降，保證隧道施工安全和進度，為今后類似隧道地層施工方案的選擇提供了很好的借鑒，具有一定的推廣價值。