三臺階預留核心土法施工技術在重載鐵路黃土隧道中的應用

中鐵七局集團第五工程有限公司，河南 鄭州 450000

1 施工方法及步驟

開挖方法為采用挖掘機開挖，人工配合修整，挖掘機配合裝載機出渣，無軌運輸出渣。首先進行上、中臺階開挖，開挖完成后配合裝載機裝渣，后八輪運渣，同時上、中臺階人工修整并立架；裝渣完成后，下臺階和仰拱同時開挖。立架完成后，先進行下臺階及仰拱的噴射作業，噴砼完成后，及時回填仰拱，然后挖除核心土，濕噴機械手前移施工進行上、中臺階噴砼，完成此循環。預留核心土有其不可替代的作用，它能減少開挖的臨空面，支撐掌子面土體穩定，又能夠為初期支護施工提供一個自然的作業平臺。中導和下導左右側對稱開挖、下臺階和仰拱同時開挖，以達到快速封閉成環的目的，同時將仰拱封閉成環同掌子面距離控制在1.5倍洞徑以內。具體施工步驟如下。

第一步：人工配合機械開挖上臺階，臺階長度控制在5m左右，上臺階預留核心土，開挖循環進尺同初期支護鋼架間距相同。檢查斷面尺寸，每一開挖循環采用全站儀檢查一次隧道開挖斷面中線及高程和斷面尺寸，嚴禁欠挖，嚴格控制超挖。第二步：上臺階開挖完成后，臺階長度控制在5m左右，再人工配合機械開挖中臺階，當隧道掌子面不穩定時，中臺階應預留核心土，臺階高度控制在3～4m。每循環開挖進尺不大于2榀鋼架間距，兩側對稱開挖，驗收合格后，施作上、中臺階的初期支護。第三步：在滯后中臺階約5m距離后，下臺階和仰拱同時開挖，下臺階對稱開挖，每循環開挖進尺不大于2榀鋼架間距。驗收合格后，施作初期支護。第四步：出碴，采用裝載機或挖裝機配合自卸汽車裝運。施工完成后循環施工第一、二、三、四步。具體開挖情況如圖1、圖2所示。

圖1 預留核心土正面圖（單位：m）

圖2 預留核心土剖面圖（單位：m）

2 應用實踐

2.1 采用三臺階法開挖，上臺階預留核心土

人工配合挖掘機施工，開挖后人工修邊，機械開挖時預留30cm由人工開挖，用風鎬開挖修整，局部欠挖用洋鎬處理，盡量減小對圍巖的擾動，發揮圍巖的自承能力。開挖時嚴格控制超欠挖，并保證巖面圓順。施工前根據隧道地質情況預留開挖變形量，施工前期可采用設計要求15cm的預留量，當埋深大于30m時，可根據優化的開挖工藝及支護措施，通過監控量測數據及時調整預留量，以達到節約投資的目的。鋼架一般在初噴混凝土后立即架設，若圍巖軟弱、自穩時間短，可先架設鋼架，然后噴混凝土封閉。

2.2 鋼筋網片安裝

安裝前首先進行隧道斷面輪廓的測量，若發現輪廓線有侵限必須先進行處理。鋼筋網采用人工鋪設，固定采用鋼筋頭臨時固定在周邊土層，格柵鋼架安設好后，與鋼架焊接牢固。鋼筋網片應布設在靠近圍巖面的一側，格柵拱架外側。各鋼筋網片間要求搭接1～2個網格。

2.3 格柵鋼架加工及安裝

（1）格柵鋼架各分節及相關連接部件均由鋼筋加工廠工廠化制作而成，隧道內僅通過連接部件組裝鋼架。格柵鋼架分節時，應加大鋼架分段長度，減少分段數量。上臺階應分3節安裝，避開拱頂和開挖最大跨度處等應力集中地段。（2）安裝前進行開挖斷面輪廓測量，嚴禁欠挖，驗收合格后即安裝格柵鋼架，格柵鋼架連接要做到上、下端螺栓孔對齊。安裝時應準確測量定位，由測量人員控制樁點放樣，保證其安裝精度，并且要符合設計輪廓要求。鋼架間用縱向連接筋連接牢固，環向間距根據圍巖級別內外交錯設置，以便形成整體受力結構。拱腳嚴禁落空或放置在虛渣上，鋼架與圍巖之間用混凝土墊塊支墊，雙線隧道墊塊布置間距不大于2m。安裝鋼架時，要嚴格控制其內輪廓尺寸，且預留沉降量防止侵限。鋼架安裝好后，用鎖腳錨管焊接鎖定，鎖腳錨管與格柵鋼架通過“L”形連接筋焊接連接成整體，防止鋼架發生移位。

2.4 拱腳增設防虛渣鋼隔板

為解決初支鋼架連接處噴射混凝土存在虛渣、噴射混凝土不密實、連接板連接不密貼等問題，項目開展了拱腳增設防虛渣鋼隔板工藝試驗。通過在格柵鋼架拱腳加設鋼隔板進行混凝土噴射和虛渣隔離，有效解決了以上問題，鋼隔板成品及鋼隔板拆除后效果如圖3、圖4所示。

圖3 鋼隔板成品

圖4 鋼隔板拆除后效果

2.5 噴射混凝土施工

噴射混凝土采用濕噴機械手施工，先進行下臺階和仰拱的噴射施工，噴砼完成后，及時回填仰拱，然后將噴射混凝土機械手前移，進行上、中臺階噴砼施工。

噴射作業分段、分片、分層，由下而上分層噴射，初次噴射混凝土的厚度不小于4cm，初噴完成后掛設鋼筋網片，下一層噴射在上一層混凝土終凝后進行。分段長度不宜大于6m。在噴射側壁時應清除上部斷面噴射時的回彈物，以免卷入下部噴層，降低初期支護強度。

3 施工注意事項

（1）隧道拱腳通常用混凝土墊塊墊實。由于混凝土墊塊笨重、易破損，與噴射混凝土黏結后不易拆除，因此通過實踐將其優化為改性聚氨酯墊板、泡沫鋁合金墊板，使其具有強度高、輕便耐用、可多次循環使用等優點。（2）鎖腳錨管是保證初期支護安全的重要措施，保證了格柵鋼架在受到側向力時不發生向洞內的位移變形；在各臺階施工的底腳部位設置鎖腳錨管，每處2根，錨管角度斜向下45°，鎖腳錨管與格柵鋼架通過“L”形連接筋焊接成整體。（3）隧道全段采用由格柵鋼架、鋼筋網及噴射混凝土組成的聯合支護體系。施工中要注意單元間節點板的螺栓連接質量，縱向連接鋼筋的數量、間距及焊接質量。格柵鋼架應靠緊圍巖，其與圍巖的間隙應用噴射混凝土填實。（4）超挖部分必須采用噴射混凝土或同標號混凝土回填密實，不得用片石等填筑或人為造成空洞。（5）控制噴射混凝土厚度，用埋設鋼筋頭設置砼厚度的標志。噴砼完成后應及時進行厚度檢查，若厚度不足要及時補噴。

4 結論

浩吉重載鐵路南王隧道通過應用三臺階預留核心土法施工技術，在確保安全的情況下使施工過程有序可控，實現了黃土隧道快速開挖掘進及初支封閉成環的施工目標，保證了施工進度，為其他黃土隧道施工提供了可借鑒的經驗。

（1）按照“兩緊跟”原則施工，上臺階開挖預留核心土。上臺階預留核心土使掌子面更加穩定，初支鋼架緊貼掌子面能夠有效穩定掌子面圍巖，仰拱緊跟是確保初期支護安全的根本措施，快速形成完整的初期受力體系降低了掌子面圍巖坍塌的風險。施工中把超前地質預報和監控量測納入工序管理，嚴格控制開挖進尺，做到“初支緊跟掌子面，仰拱緊跟下臺階”，使初支快速成環，最大限度地保證了現場的施工安全，提高了質量。（2）采用左右兩側對稱開挖、下臺階與仰拱同步開挖的方案。應用該技術縮短了臺階長度，達到了短進尺、少擾動開挖及早封閉的目的，并且減少了圍巖的擾動，降低了開挖軟弱圍巖地段的潛在風險，縮短了循環作業時間。快速封閉開挖斷面抑制了圍巖收斂變形，仰拱初支與下臺階同步封閉成環加強了初期支護的穩定性，在保證施工安全與質量的前提下加快了現場施工進度。（3）仰拱初支與上、中、下臺階同步施工，減少了仰拱單獨開挖工序。與三臺階法相比，下臺階與仰拱一次開挖支護及時封閉成環，縮短了初支仰拱施工循環時間，加快了初支封閉成環時間。該方法能有效阻止支護結構的水平收斂，減少隧道圍巖變形，是隧道施工防坍塌的關鍵技術；缺點是需要進行仰拱回填，后續施工仰拱二襯需要二次開挖。