泥岩隧道的开挖施工技术研究

布新功

摘 要： 合理有效的开挖施工技术是确保泥岩隧道施工的一个值得研究的关键施工技术问题，结合某泥岩隧道的开挖施工实例，通过开挖施工方案对比，介绍三台阶七步开挖技术在泥岩施工中的优势，详细分析了三台阶七步开挖技术的施工工艺、施工技术等；开挖施工完成后的监测结果表明，三台阶七步开挖技术在泥岩隧道开挖施工中具有可行性，可有效地缩短开挖施工工期，具有良好的安全性与经济性，该开挖施工技术可为同类隧道的开挖施工提供参考借鉴。

关 键 词：泥岩隧道三台阶七步开挖法开挖技术施工技术

中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：

Abstract： Reasonable and effective excavation construction technology is to ensure that the mudstone tunnel construction is a worthy research key construction technology, combined with a mudstone tunnel excavation construction examples, through excavation scheme comparison, the three step seven step excavation technology in mudstone construction advantage, a detailed analysis of three step seven step excavation technology, construction technology construction technology of excavation; after the completion of the monitoring results show that the three step, seven step excavation technology in mudstone tunnel excavation construction has feasibility, can effectively shorten the excavation construction time limit for a project, has good safety and economy, the excavation construction technology for similar tunnel excavation construction provides the reference.

Key Words：Mudstone tunnel; The three step and seven step excavation method; Excavation technology; Construction technology.

1引 言

目前国内高速公路发展迅猛，丘陵地区中大量建设有短隧道，而且短隧道大部分为浅埋、偏压，围岩条件差，一般为土质岩层，土质遇水易泡软，容易造成泥岩隧道出现垮塌，这给快速、安全施工带来难度。对于泥岩隧道来说，合理有效地开挖施工是确保泥岩隧道施工中不造成塌方的一个有效方法，可想而知，泥岩隧道的开挖方法以及施工技术是一个值得研究的问题。鉴于此，本文结合某泥岩隧道工程的开挖施工，对各开挖施工方案进行对比，探讨适合泥岩隧道开挖的施工方案，同时分析该开挖施工方案的施工工艺以及关键施工技术，旨在为同类泥岩隧道工程的开挖施工提供参考借鉴。

2工程概况

某泥岩隧道起标为DK274+745，终标为DK274+925，隧道全长为180米，为双线泥岩隧道。隧道纵坡为单面下坡，线路进口至出口坡度为-5.816 ‰。围岩等级Ⅴ级位于右偏圆曲线上，线间距4.6米。进口采用斜切式洞门、出口采用端墙式洞门，洞身最大埋深约17m。本隧道设计行车速度80km/h。

2.1工程地质特征

本泥岩隧道工程地质变化多样，以围岩破碎为主。整个泥岩隧道的围岩类别主要以Ⅳ、Ⅴ级围岩居多，表层岩石质地以碳质片岩为主，而且呈现破碎、松散状态，左右侧岩石质地也呈现不均匀状态，这种岩石较易遇水成泥而造成隧道塌方事故。下层基岩为呈褐黄色的泥质粉砂岩，但泥质粉砂岩的节理裂隙较为发育，岩石较为破碎而且结构面之间结合较差，可以说整个泥岩隧道的地质情况并不利，为开挖施工带来较大难度。

2.2水文特征

由于泥质粉砂岩的节理裂隙较为发育，本泥岩隧道工程所在线段的地下水主要为基岩裂隙水，受到大气降水补给，同时泥岩粉砂属于中等透水层。根据有关标准检验，该地下水对混凝土结构未造成腐蚀性，而且对钢筋混凝土结构的钢筋也未造成腐蚀性。

3泥岩隧道开挖方案对比

对于泥岩隧道的开挖方法，目前主要有CRD法、CD法、明挖法，对于三台阶七步开挖法并没有较为得到重视。CRD开挖法是在泥岩隧道中，采用自上而下分为两步再开挖隧道的第一侧上、中部，从而完成预期支护。而CD开挖法是在泥岩隧道中分部开挖、钢架支撑、仰拱先行的施工方法，分两至三步骤开挖隧道的一侧，从而完成隧道预期支护。

三台阶七步开挖法在隧道开挖过程中总共分有上、中、下以及仰拱4个部分，以前、后、左、右7个不同的开挖面相互错开同时开挖，故由七部分共同组成，七部份开挖完毕后再同时支护，最后形支护整体。隧道一段开挖完毕后，再逐步向隧道纵深推进开挖施工作业。显然，三台阶七步开挖法为台阶开挖法的一种，拱部采用环形开挖预留核心土，目的是利用预留的核心土来施压给掌子面；为了保证掌子面的稳定，中下部开挖时先开挖隧道两侧，保持中部土体不动，这种开挖方法关键是保持掌子面的稳定。

与CRD开挖法等相比较，三台阶七步开挖法由于七个部分同时开挖，显然具有缩短开挖施工工期优点，施工进度得到有效提高。而对于泥岩隧道来说，由于围岩软弱，节理裂缝较发育，因此隧道开挖时间不宜过长，宜选用三台阶七步法进行泥岩隧道开挖。另外，CRD开挖法等由于拆除支护会对所形成的力学平衡体系造成影响，对于泥岩隧道来说，围岩应力状态的不断改变会导致围岩的大变形。因此，本泥岩隧道的开挖方案适宜采用三台阶七步开挖法，具体（见表1）所示。

编号 起始里程 终止里程 长度(m) 辅 助 施 工 措 施 工法

1 DK274+745 DK274+761 16 明挖法

2 DK274+761 DK274+801 40 洞口管棚，长40m（φ108，壁厚6mm） 三台阶七步开挖法

3 DK274+801 DK274+850 49 φ42 超前小导管（L=4.5m,3m/环）

4 DK274+850 DK274+885 35 φ42 超前小导管（L=4.5m,3m/环）

5 DK274+885 DK274+925 40 洞口管棚，长40m（φ108，壁厚6mm）

表1隧道开挖方案情况表

4开挖施工工艺、方法

4.1开挖施工工艺流程

三台阶七步开挖法以机械为主，人工辅助修边。主要施工工艺流程如下：上台阶开挖支护→中台阶左侧和下台阶右侧边墙开挖支护→中台阶右侧和下台阶左侧边墙开挖支护→开挖上中下台阶预留核心土→分段开挖仰拱，施作初期支护→施作仰拱并填充。本泥岩隧道工程的三台阶七步开挖法施工工序（如图1）所示。

图1泥岩隧道三台阶七步开挖法施工工序示意图

4.2 开挖施工准备

（1）施工准备。按设计要求对泥岩隧道进行超前支护，特别是对于含有断层或者破碎带的泥岩隧道来说，更必须做好预期支护以保证人员安全和隧道的稳定性。同时在隧道开挖前，应铺设供电和供水管道。对于泥岩隧道的开挖应尽量避免雨季开挖施工。

（2）洞口段施工。洞口工程与洞口相邻工程统筹安排、及早完成，施工应该避开雨季进行。洞口施工前，先检查边、仰坡以上的山坡稳定情况，清除悬石、处理危石。施工期间实施不间断监测和防护。洞口施工时，先开挖洞门边仰坡及路堑土石方，做截水天沟，再施做洞门；洞口环节衬砌须与洞门同时施工。开挖时从上至下开挖边仰坡，洞口边坡及回填后的仰坡2m范围内采用25cm厚的浆砌片石护坡进行防护，2m范围外采用方格型骨架内喷播植草防护，洞口及明洞开挖边仰坡采用锚喷网防护。

4.3 洞身开挖

采用新奥法原理组织开挖施工，软弱围岩地段开挖施工采取“先预报、管超前、短进尺、弱控爆破、强支护、快封闭、勤量测”的原则进行；同时投入大型隧道施工专用机械设备，组成挖、装、运、锚、衬等机械化作业线。

（1）上弧导坑开挖。按设计要求对泥岩隧道进行超前支护后，可采用上弧导坑预留核心土法开挖，开挖进度则应根据泥岩隧道的围岩类别以及初期支护钢架的间距来确定，但最大间距也不应超过1.5米。上弧导坑的拱部矢跨比不应大于0.3，且预留核心土长度应保留3至5米长，预留宽度可取隧道开挖宽度的1/3~1/2。上弧导坑开挖后，必须及时进行拱部的喷、锚、网系统支护，然后架设钢架（型钢或格栅）从而形成较稳定的承载拱。

（2）中台阶及下台阶的左、右侧开挖。形成较稳定的承载拱后，中台阶及下台阶左、右侧的开挖可以进行。中台阶及下台阶左、右侧开挖尺寸同样应根据初期支护钢架的间距来确定，开挖进度适宜与上弧导坑的开挖进度相同，同样最大间距不应超过1.5米。开挖高度宜取3~3.5米，左、右侧台阶适宜错开开挖2~3米，然后与上弧导坑一样方法进行喷、锚、网系统支护。

（3）上、中、下台阶预留核心土的开挖。各台阶分别开挖预留核心土，开挖进尺与各台阶循环进尺相一致。

（4）仰拱的分段开挖。仰拱每循环开挖长度适宜取为2～3 米，开挖后即时做仰拱初期支护；完成两至三个分段的开挖、支护循环后，即时充填仰拱混凝土；仰拱分段长度宜视泥岩隧道的围岩类别以及循环进度来确定，仰拱分段长度宜为4至6米，但有必要可采用跳槽进行。

4.4 初期支护

初期支护是由锚杆（管）、钢筋网、钢架和喷混凝土共同组成的受力结构。支护紧跟开挖面及时施作，尽量减少围岩暴露时间，抑制围岩变形，防止围岩在短期内松弛剥落。锚喷支护施工工艺流程如下超前地质预报→施工放样→开挖→初喷混凝土3～5cm→安装钢架→测量定位→挂钢筋网→施作系统锚杆→复喷混凝土至设计厚度→监控量测→反馈、调整支护参数。

4.5 仰拱（填充、底板）施工

为保证施工安全，仰拱混凝土应及时施作，支护尽早闭合成环，整体受力，确保支护结构稳定。在隧道正洞Ⅴ级围岩中，待喷锚支护全断面施作完成后，根据围岩收敛量测结果，拆除临时支护，开挖并灌筑仰拱及填充混凝土，一次灌筑仰拱混凝土长度6～8m。为保证施工质量，仰拱混凝土进行全幅整体浇筑，同时解决出碴、进料运输与仰拱施工干扰及仰拱混凝土在未达到要求强度之前承受荷载的问题，采用仰拱栈桥进行施工。

5结 语

泥岩隧道的开挖施工是隧道施工的重点，本文通过结合实际工程，对泥岩隧道采用三台阶七步法开挖施工进行研究，得出了以下几点结论。

（1）开挖施工完成后的监测结果表明，三台阶七步开挖技术在泥岩隧道开挖施工中具有可行性，与其他开挖方案相比可有效地缩短开挖施工工期，具有良好的安全性与经济性。

（2）采用三台阶七步法开挖施工时，主要按照“快开挖、快支护、快封闭”开挖原则，严格控制施工步骤以及及时调整支护参数，则可满足泥岩隧道施工质量。

参考文献：

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[2] 蔡东波．软弱围岩公路隧道开挖施工技术[J]．科技创新导报，2010，15（01）：52～53

[3] 闻庆权．三台阶七步开挖法在离石隧道施工中的应用[J]．现代隧道技术，2009，46（06）：106～112

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。