弧形導坑三臺階七部開挖法在大斷面黃土隧道施工中的運用

石雅清

【摘要】黃土隧道在開挖過程中，圍巖節理發育，有少量裂隙滲水，開挖后自穩能力較差。施工中采用弧形導坑三臺階七步開挖不僅降低了工程成本和施工難度，還確保了安全，加快了施工進度，取得了良好的經濟、社會效益。

【關鍵詞】弧形導坑 三臺階 七部開挖 大斷面 黃土隧道 施工

一、工程概況

延安安塞經志丹至吳起高速公路前山隧道項目，總體呈北東～南西展布，地面標高為1309～1488m，相對高差達179m，地形起伏很大，沖溝發育，梁溝相間，地形破碎。隧道為左右分離式，左線本標段內長度1675m，右線本標段長度1695m，設四處停車加寬帶，共160米，開挖斷面高10.5m，寬15.2m，開挖斷面137.3m3，均為黃土質圍巖，圍巖節理發育，有少量裂隙滲水，開挖后自穩能力較差。

停車加寬段IV級黃土圍巖初期支護參數如下：

二、施工特點

弧形導坑三臺階七步開挖實際上就是弧形導坑開挖和三臺階開挖法相結合的一種新的開挖方法，利用原有人員、機械設備作業，不增加額外資源投入。采用弧形導坑法施工，無操作臺架，擴大了上斷面核心土預留面積，增強了掌子面圍巖的穩定，保證了洞身開挖施工安全。開挖過程中分上、中、下及仰拱四部分，以前后左右七個不同的開挖面相互交錯施工，然后分部同時支護，最后形成支護整體，縮短作業循環時間，逐步向縱深推進的作業方法。減少加工和拆除大斷面施工操作臺架時間，也節約了材料，減少了費用投入。中、下臺階施工作業相互前后交錯，形成流水作業，不占用總體進度工期。

將臺架施工二臺階方法和弧形導坑三臺階七步法進行比較，對比見下表：

三、施工方法

3.1、開挖順序及工藝流程

3.2、開挖施工技術要點

大斷面黃土隧道采用弧型導坑三臺階七步開挖法掘進，施工方法為：采用人工配合挖掘機開挖，上臺階①步開挖進尺為每循環1榀，鋼架間距為80cm，開挖高度為4～5m，累計開挖長度約為3～5m，②步核心土滯后3～5m，核心土留設距拱頂1.2～1.5m，核心土開挖時兩側留設馬口（即中臺階③、④步的位置先不要挖除，以穩固拱腳圍巖），保證兩側拱腳有效支撐，中臺階開挖高度為3m左右，左右兩側（③④步）交錯3～5m施工，且盡量避開兩側同時開挖施工作業；下臺階⑤步滯后中臺階約10～15m，⑥步滯后⑤步3～5m，相互交錯施工作業，施工完成后立即回填，以利安全，⑦步緊跟⑤、⑥步施工，開挖完成后立即施做仰拱，每循環開挖控制在6m以內，盡早施工完成仰拱。

3.3、施工步驟

3.3.1、上臺階開挖支護

（1）超前支護

在拱部打設φ50超前小導管，導管參數為：壁厚4mm，長度4.5m，環向間距為40cm，每四榀施打一循環，每循環33根，兩循環間有效搭接長度1.3m，外插角7度。每根鋼管梅花狀打間距為15cm注漿孔，孔徑為8～10mm，采用高壓注漿。

（2）開挖

采用三臺階七步開挖法，利用挖掘機開挖，人工配合修整，每循環開挖進尺1榀，鋼架間距80cm，開挖后人工修邊，使圍巖超欠挖符合設計及規范要求。

（3）初期支護施工

人工修整完成后，立即初噴2～3cm厚噴射混凝土，初步穩固圍巖，安裝鋼架，鋼架間距80cm，上臺階為三單元拼裝，避免單元間連接板在拱頂處，各單元之間采用6個M20高強螺栓通過連接鋼板連接。鋼架拱腳安設C20混凝土托梁，鋼架縱向采用φ22鋼筋連接，鋼筋端頭彎曲10cm以上彎成“[”型彎鉤，以便與工字鋼腹板焊接牢固，鋼架安裝合格后將超前小導管尾部焊接至鋼拱架上。掛設φ8鋼筋網片，網眼尺寸為20X20cm，打設系統早強砂漿錨桿，錨桿長度為3.5m，錨桿端部施做“L”型彎鉤與工字鋼滿焊，錨桿為環向間距@120cm與縱向方向交錯成梅花狀布置。在鋼架、鋼筋網、錨桿施做完畢經驗收合格后立即噴射C20混凝土至設計厚度，完成上臺階的施工，形成承載拱。

3.3.2、中臺階開挖

上臺階開挖掘進5～8m后開挖中臺階，首先開挖上臺階核心土（②步），創造中臺階施工條件，②步開挖時，兩側留設馬口，不得一次性全部挖除。中臺階施工時，避免兩側在同一斷面上施工，兩側（③、④步）里程錯開3米以上，一般在3～5米即可。中臺階由于是單側開挖，開挖斷面較小，每循環可一次性開挖兩榀，噴錨完成后，再施工另一側中臺階，循環往復施工，始終兩側交錯作業。

3.3.3、下臺階

⑤、⑥步滯后中臺階約8～10m開始施工，⑤、⑥步相互交錯施工作業3～5m，施工完成后立即將開挖作業坑槽回填，以利初支混凝土的收斂安全。施工具體步驟同中臺階施工。此處不再敘述。

3.3.4、仰拱開挖

⑦步緊跟下臺階施工，⑥步施工完成后，立即組織⑦步的開挖，以盡快施做仰拱，仰拱開挖進尺不宜過長，一般4～6m，開挖完成后及時鋪設棧橋澆筑仰拱混凝土。待仰拱混凝土強度滿足要求后施做⑧步仰拱填充，保證仰拱至掌子面在安全距離范圍內。為掌子面安全施工創造條件。

四、監控量測及變形判定

4.1、監控測量

每10米布設一處量測斷面，每斷面拱頂1點、拱腰2點。

周邊位移和拱頂下沉：1-15天，2次/天；15天-1月，1次/2天；1-3月，1次/7天；以后1次/月。

4.2、變形判定

變形急劇增長階段：變形速度大于5㎜/d，說明該段已進入不穩定狀態，停止掘進，分析變化原因，及時采取相應措施，必要時應進行加強支護。

變形緩慢增長階段：變形速度5--0.2㎜/d，說明該段處于較穩定狀態，可進行施工。

基本穩定狀態：變形速度小于0.2㎜/d，時，說明該段已穩定。

五、施工注意事項

實際施工時，可根據圍巖的差異情況，對局部滑塌處可適當加密小導管間距，保證拱部開挖圍巖不掉快，確保施工安全。

嚴格控制開挖長度，上臺階嚴格控制在每循環一榀，中、下臺階為兩榀，一方面保證圍巖擾動較小，另一方面減少圍巖外露時間，保證施工安全。

由于黃土隧道圍巖本身承載能力差，且受施工影響因素很大，在拱腳加設混凝土托梁，能夠保證二襯施做前圍巖的整體下沉量，以控制斷面凈空符合設計要求。

各步驟分步開挖施工形成流水作業，施工過程中切不可冒進，大斷面土質隧道上臺階嚴格控制循環進尺，必須兩側相互前后錯開3米以上。

六、結束語

弧形導坑三步七臺階法擴大了核心土支撐掌子面的面積，增強了掌子面圍巖的安全和穩定，提供了一項安全、快速的施工方法，減少臺架投入及運輸、加工、拆裝費用，節約投資和減少人員工費、機械、設備使用費，取得了較好的經濟、社會效益，適用于在黃土地區修建的大斷面鐵路、公路隧道深埋段（Ⅳ、V級圍巖）施工，對黃土地區修建的其他地下工程亦有借鑒意義。

參考文獻：

1. JTG F60-2009 公路隧道施工技術規范

2. TB10108-2002.鐵路隧道噴錨構筑法技術規程

3. 丁維利 鐵道標準設計，2007