軟弱圍巖地質大斷面鐵路隧道大拱腳臺階法施工技術優化

王 琛

（中交四航局第一工程有限公司， 廣東 廣州 510410）

1 工程概況

馬來西亞東海岸鐵路項目第四分部主線線路長75km，龍運隧道位于馬來西亞登嘉樓州龍運縣境內，全長871m，線間距4.2m，為單洞雙線有砟軌道復合式襯砌隧道，出口端采用斜切式帽檐洞，進口采用端墻式洞門。線路自進口端以3‰的下坡至出口端，最大埋深為97m，最小埋深為2.5m。

隧道地質巖性以中等風化片巖為主，巖體破碎，地表植被發育，均為成型樹木林，屬于國家級森林公園；地表水豐富，自洞身向兩側溝谷排泄，基巖含有少量裂隙滲水，其中進口端隧址附近處可見裂隙滲水匯聚至低洼地帶；出口端主要以自然沖溝處水及大氣降水等；地下水豐富均為淺層水，巖體裂隙發育地帶含有基巖裂隙滲水。

分析地質情況可以發現，該鐵路工程特大斷面隧道穿越巖性以中等風化片巖為主，巖體破碎，圍巖的穩定性較差，隧道施工難度較大[1]。經過充分研究與討論，確定在特大斷面隧道中采用大拱腳臺階法施工工藝。

2 大拱腳臺階法的應用優勢

大拱腳臺階法在軟弱圍巖大斷面施工中的應用優勢突出，主要體現在如下幾方面：

（1）適應性較好。大拱腳臺階法在各類作業環境普遍具有較高的可行性，可有效適應現場施工環境，規避了傳統方式下施工受限于現場條件的問題。大拱腳臺階法的施工流程更為精簡，能夠以較為便捷的方式完成相關工作，給后續施工進程的順利推進創設良好的條件。

（2）安全可靠。軟弱圍巖的地質條件復雜多變，施工過程中潛在諸多安全隱患，易由于方法不合理或是現場控制不到位而誘發質量以及安全層面的問題，而大拱腳臺階法可以有效適應各類地質條件，根據所掌握的地質特性及時優化施工方法，保證各項工作能夠在安全的前提下落實到位，大幅降低安全事故的發生概率。

（3）施工便捷性好。在大拱腳臺階法的應用過程中，無需對周邊設置支護結構，其能夠有效減少材料使用量以及施工工作量，避免在支護施工中投入大量的資源，施工效率也隨之提高。

3 大拱腳臺階法施工工藝流程及關鍵技術

3.1 工藝流程

采用大拱腳臺階法施工工藝作為該鐵路項目特大斷面隧道施工工藝，結合施工地質勘察報告和項目工期安排，在編制施工方案時確定將隧道施工劃分為6個開挖施工點，6個開挖施工點交錯平行盾構掘進，分部同時支護，進而形成支護整體，提高作業效率，推動隧道開挖作業向縱深的方向發展[2]。為了更好地應對軟弱圍巖承載力不足的問題，可選擇擴大上部鋼架拱腳及墊板或者增設腳錨桿的方式改善地基狀態，提高地基承載力，每一掘進循壞進尺深度約為0.5～0.8m，控制臺階長度，及時開展初期支護，配合跟進仰拱與襯砌，達到理想的支護效果。大拱腳臺階法施工示意圖如圖1所示。大拱腳臺階法施工流程為：

圖1 大拱腳臺階法施工示意圖

（1）在開展了前一循壞的超前支護的前提下，采用弱爆破方式掘進開挖①部，開挖完成后施作周邊初期支護：開展混凝土初噴作業，鋪設鋼筋網，配合設置鎖腳錨管或錨桿，鉆設徑向錨桿，繼續噴射混凝土，確保達到設計值。

（2）弱爆破開挖②-1部→施作②-1部初期支護：同①部施工工序，且施作臨時仰供與臨時支撐。

（3）弱爆破開挖②-2部→施作②-2部初期支護：同②-1部施工工序。

（4）弱爆破開挖③-1部→此后施作③-1部邊墻初期支護，即開展混凝土初噴作業，鋪設鋼筋網，配合設置鎖腳錨管或錨桿，設置斜撐，繼續噴射混凝土，確保達到設計值。

（5）弱爆破開挖③-2部→施作③-2部初期支護：同③-2部施工工序。

（6）弱爆破開挖④部→施作④部仰供初期支護，即開展混凝土初噴作業，鋪設鋼筋網，配合鋼架，繼續噴射混凝土，確保達到設計值。

（7）落實V部仰供與邊墻基礎混凝土澆筑作業，控制混凝土凝固時間，待仰拱混凝土初凝后繼續澆筑仰拱VI部，直至仰拱混凝土高度達到設計要求。

（8）全過程動態跟蹤施工，確定二次襯砌的最佳施作時間。拆除臨時橫撐，鋪設環拱，開展縱向透水盲溝設置等其他相關的施工工序，采用襯砌模板臺車，開展拱墻襯砌作業，一次現澆到位。

大拱腳三臺階法依據鋼架設計分為3.1m、3.08m和3.74m三步，開挖上臺階后開挖中臺階，開挖時根據拱頂圍巖沉降情況決定是否開挖大拱腳，斜撐為I18a型鋼，臨時橫撐為I20a型鋼，大拱腳斜撐與型鋼鋼架和臨時橫撐間采用340mm×300mm×20mm鋼墊板連接，大拱腳底部設1000mm×340mm×20mm鋼板連接，鋼墊板的制作與連接應符合規范要求，臨時橫撐與型鋼鋼架間采用380mm×340mm×20mm鋼墊板連接，開挖完成中臺階后開挖下臺階，依據拱頂沉降和空間收斂情況決定是否設置臨時仰拱（I20a）。

在大拱腳臺階法施工過程中加強監控量測，及時分析監控數據，如果洞身沉降收斂量較大時及時增加縱向及豎向支撐進行加固[3]。

3.2 關鍵技術特點

（1）與CRD法和CD法相比，該方法更加簡單，有更大的施工空間。同時保證多個作業面同時施工，提升了施工速度，節省了施工時間。

圖2 CRD法施工（單位：mm）

（2）當施工過程中遇到較為復雜的地質結構或出現其它突發情況時，施工人員可以第一時間將大拱腳臺階法切換為CRD法或CD法，保證施工正常進行。

（3）施作過程中即使出現跨度不同或斷面較大的情況，大拱腳臺階法都能盡快適應。同時大拱腳臺階施工工藝初期支護操作簡單，工程量小，僅需要投入少數的人力、物力即可完成施工，工程造價較低。

（4）在開挖過程中，大拱腳臺階法預留了一定量的核心土，交錯平行盾構掘進，分部同時支護，掌子面的穩定性與安全性高。與CRD法和CD法相比，這種方法能夠盡可能避免各個工序之間的相互干擾，提高施工效率。

（5）大拱腳臺階法集弧形導坑預留核心土法和三部臺階法優點于一身，能夠達到較為理想的支護效果，改善軟弱圍巖的沉降及變形問題。

（6）大拱腳臺階法采用分部開挖及同時支護的方法，符合新奧法施工原理，提升了初期支護效率，能夠有效減少不安全因素對開挖作業及支護作業的影響。

（7）實施大拱腳臺階法施工，相關工作人員應加強溝通協調，確保各個施工工序銜接密切，縮短圍巖暴露的時間。

（8）保證兩側拱腳的穩定性。兩側拱腳的穩定情況會直接影響隧道垂直方向的沉降與變形情況，施工人員可通過在上部鋼架中增設大拱腳的方式，改善兩側拱腳的穩定性。

（9）為了確保大拱腳臺階法施工質量，應嚴格遵守施工規范，確保超前錨桿支護外插角達到設計要求。

（10）整個施工過程以人工開挖為主，機械設備僅起到輔助作用。為更好地滿足施工需要，應在隧道周邊預留出足夠的施工位置，采取弱爆破開挖的方式，并且加強施工監測，全過程動態跟進施工[4]。

（11）嚴格按照設計要求進行鋼架的設計、制作以及架設。為了增強拱腳的承載力，避免拱架出現凈空位移的情況，既要保證鋼架連接的平順性，又要檢查各處的連接，確保連接的牢固性。

4 沉降變形控制措施

為了更好地改善以中等風化片巖為主，巖體破碎的圍巖情況，確保隧洞圍巖施工質量，應總結隧道工程施工經驗，全面分析本鐵路項目特大斷面隧道地質巖性，嚴格按照施工規范開展作業，控制隧洞周邊水平收斂速度、拱頂或底板垂直位移速度，保證隧洞周邊水平收斂速度＜0.15mm/d、拱頂或底板垂直位移速度＜0.11mm/d。

在大拱腳臺階法施工過程中，實施全過程動態的施工監測，能夠幫助施工人員了解圍巖受力變形情況，判斷支護施工的實際效果。準確的施工數據還能為下一步施工提供安排依據，從而確保施工的科學性[5]。一般情況下，施工人員主要采用五點法進行監控和測量。嚴格按照標準安排觀測點、讀取數據和設置測量頻次。通過仔細分析現場數據來針對隧道的地質結構條件制定合理的控制措施，以此保證施工全程安全可靠。

5 結語

綜上所述，大拱腳臺階法施工工藝操作較簡單，且可以多個工作面同時開展開挖與支護作業，施工效率高，風險低，且需要投入的勞動力較少，能夠提升鐵路隧道項目的綜合效益。在大拱腳臺階施工過程中，技術人員及相關施工人員要分析隧道圍巖地質的實際情況，優化施工技術，加強沉降變形控制，提升隧道施工質量，推動鐵路建設事業的可持續發展。