大拱脚台阶法施工技术在隧道软弱围岩施工中的应用

文/谢伟 神华集团蒙东铁路有限责任公司 内蒙古呼伦贝尔 021000

大拱脚台阶法施工技术在隧道软弱围岩施工中的应用

文/谢伟 神华集团蒙东铁路有限责任公司 内蒙古呼伦贝尔 021000

隧道工程建设中，软弱围岩隧道要穿越节理发育、围岩完整性差、围岩破碎的复杂地质，针对这一问题，在经过隧道建设者们长期的施工实践和不断总结后，形成了大拱脚台阶法这一施工技术，保证了隧道工程质量和安全。文章对大拱脚台阶法工艺流程、施工工艺、操作要点、施工质量控制要求进行了较为详细的阐述，以期为工程实践提供借鉴。

软弱围岩隧道；大拱脚台阶法；施工技术

1.前言

近年来，国家加大了交通基础设施建设，特大长隧道、软弱围岩断面的隧道相继出在山岭地区现，特别是对于隧道Ⅴ、Ⅳ级围岩来说，施工难度大，而以往采用的传统矿山法中的三台阶法、预留核心土法难以满足施工安全要求，而CD法、CRD法又因施工复杂、速度慢常常无法满足施工进度要求。因此，我们需要研究出一种适用于软弱围岩隧道施工的施工工艺，即要求工艺成熟、又要便于操作，来满足隧道施工的需要。大拱脚台阶法在大断面软弱围岩隧道上的成功应用，这种技术也在实践中不断完善，给隧道工程建设带来了较好的经济效益和社会效益。神华集团的大准铁路增二线井沟1#隧道，全长465m，为双线隧道，隧道围岩主要为Ⅳ、Ⅴ级泥灰岩、新黄土，弱膨胀性，自稳性极差，对新黄土及泥灰岩地段采用了大拱脚台阶法施工，顺利、快速通过了该段软弱围岩地段。

2.大拱脚台阶法概述

2.1 工艺原理

大拱脚台阶法是将隧道开挖支护作业面分为6个阶段施工同时施工、同时支护形成稳固支护整体，逐步向前掘进的施工工艺。这种施工工艺的基本原理是将三台阶施工法的进一步优化，并借鉴了部分预留核心土的施工原理，符合隧道新奥法施工对围岩变形控制的原理。大拱脚台阶法施工可以减少三台阶分步开挖的次数，能及时将初期支护封闭，同时因为拱部及时成环，使边墙初期支护能尽早完成，利于控制变形，提高了施工过程中的安全性。针对隧道软弱围岩承载力不足，大拱脚的精髓就是可通过扩大台阶钢架拱脚的受力面积措施来增大承载力。

采用MIDAS 软件计算对井沟1#隧道新黄土地质进行受力验算，新黄土采用密度15.2KN/m3，弹性模量e=1.03+e5，泊松比0.3；模型建立采用上部开挖、初期支护硬化后计算钢架底部受力。因为当上部开挖支护后进行下部开挖时最容易发生塌方，此时采用采用大拱脚进行对钢架底部加固，防止塌方。应力如图1所示，通过软件计算结果可知，上拱钢架底部受力最大，左侧约102KN，右侧约99KN，如不采取加固措施，在下台阶开挖时上拱部初期支护极易变形、坍塌。

图1 隧道拱部受力图

2.2 工艺优势

（1）快速便捷。与其他开挖方法相比，大拱脚台阶法可以使各个作业面平行作业，避免了预留核心土操作空间小，开挖慢的缺陷。不需要临时支护，满足机械化施工的要求。

（2）适应性高。如出现软硬围岩变化、围岩结构复杂多变等情况时，可以较为迅速的转换为CD法或CRD法等其他工法进行施工。

（3）更安全。大拱脚台阶法没有临时支撑或支护，与CD法或CRD法对比，避免了拆除临时支护的安全隐患，有效降低了风险。

（4）节约成本。与传统施工方法相比，大拱脚施工方法的材料、设备均为隧道施工常用材料、设备，便于采购，成本低廉，这样大大节约了施工成本。

（5）工效快。由于大拱脚台阶法平行作业，使前期作业时间提前，加快了施工进度，缩短施工时间。

2.3 工艺适用范围

（1）一般适用于Ⅳ、Ⅴ级软弱围岩大断面隧道、浅埋以及深埋的地质情况较好的大断面隧道。

（2）另外对于低风险、低浓度瓦斯隧道，也可应用。

3.大拱脚台阶法开挖工序说明

隧道开挖分步工艺见图2。

图2 大拱脚台阶法开挖分步工艺

（1）利用上一循环架立的钢架，施作隧道拱部Ø42mm超前小导管，小导管长3.5m，重叠2m，然后在拱部超前支护后进行上部弧形导坑的环形开挖，预留长度为3～5m，宽度为隧道开挖宽度的1/3到1/2之间的核心土。开挖后立即施作上部初期支护，具体做法：先喷射4cm厚的混凝土，上面挂钢筋网，并架设钢架，然后人工开挖施作大拱脚系统支护，同时注意在钢架两侧边沿45度倾角设锁脚锚杆，将锁脚锚杆与钢架焊牢，施工置径向锚杆后再次喷射混凝土至设计厚度。开挖循环进尺为一榀钢架，间距0.8m。

（2）在滞后部位约3～5 m后，进行左侧部中台阶的开挖。开挖高度一般为3.5～4m，按初期支护钢架间距确定。开挖后立即施作下部初期支护，具体做法同上部初期支护的施作。

（3）在滞后部位约2～3m后，进行右侧部中台阶的开挖，右侧部中台阶的开挖支护方式同左侧部中台阶。

（4）见图2，开挖上台阶④部位、中台阶⑤部位，在滞后部位约3～4m后，依次进行上台阶④部位、中台阶⑤部位的开挖，开挖进尺与台阶循环进尺一致。

（5）见图2，开挖隧底⑥部位，在滞后⑤部位约4～5m后，开挖⑥部位剩余部分，开挖后先喷4cm厚混凝土，安装仰拱钢架，将仰拱钢架与左右侧落地钢架连接牢固，再次喷混凝土至设计厚度。为了不影响车辆进出，应及时施作仰拱并进行仰拱回填，仰拱分段开挖长度一般3榀拱架。

大拱脚台阶法初期支护施工工艺流程见图3

个人安全防护物品。

（3）持证上岗，特种设备操作人员、专职安全员、爆破人员必须经过专业培训并取得国家监管部门颁发的合格证书。

（4）对于特殊地质条件，应加强隧道施工风险的评估管理，保证针对性的预防措施的落实。

（5）落实安全生产责任制，细化安全考核办法，加强日常安全检查的力度，制定一定奖惩措施。

（6）进行专项安全技术交流，建立快速反应机制和隧道施工应急预案，并定期进行应急演练。

（7）详细掌握隧道设计地质资料，在施工时做好瓦斯、CO等有害气体检测工作。

（8）隧道内搭设的临时工作台必须放置稳妥，坚固牢靠，而且工作台应当设有梯子和安全防护杆。

（9）严格遵守现行《爆破安全规程》有关规定，对隧道爆破作业和火工品进行安全管理。特别是存在瓦斯风险的隧道，在施工作业中应符合《铁路瓦斯隧道技术规范》的有关规定。对于地层含有瓦斯的隧道施工区段，要采用煤矿许用安全炸药、雷管。

8.总结

与传统施工方法相比，大拱脚台阶法有着较为明显的优势，特别是对于施工空间大，机械化程度高的软弱围岩大断面隧道。应用这种方法操作简单，作业速度快，经济安全，有效地提高了开挖质量，使其成为了软弱复杂地质条件下大断面隧道的主要施工方法。随着隧道工程建设的需求在不断增多，要求也越来越高，只有不断总结传统施工技术的优点和成功实践应用的经验，创造更好的施工技术，才能满足工程建设的要求，做好隧道工程建设。

［1］关宝树，赵勇.软弱围岩隧道施工技术.人民交通出版社,2011.

［2］土木学会.隧道标准规范[盾构篇]及解说.中国建筑工业出版社,2011.

［3］吴多云.高速铁路浅埋隧道施工方案优化及监测分析.湖南科技大学,2011.

［4］李勇，周宇. 三台阶法在山岭隧道浅埋段中的应用.山西建筑,2010.

［5］朱正国，李正良.软弱围岩隧道台阶法施工中拱脚稳定性及其控制技术.岩石力学与工程学报，2012.

［6］赵东顺.大断面软弱围岩隧道开挖施工浅析.西部交通科技,2011.

［7］李奎河.高速铁路软弱围岩隧道施工技术要点探讨.山西建筑,2012.

谢伟（1983-），工程师，现任神华集团蒙东铁路有限责任公司工程部工程师。2004年毕业于邵阳学院，2004-2011年在中铁十一局集团工作，一直从事铁路工程施工技术管理，2010年获得邵阳学院土木专业本科学历，2011年调入神华集团铁路系统工作，从事铁路基建管理工作，发表过《温福铁路鳌江特大桥钢套箱堵水成功》、《大准铁路清水河隧道塌方治理》、《浅谈轨道工程施工技术的应用》等论文。