浅谈三台阶带仰拱一次开挖施工技术在大断面高速铁路软围岩隧道中的应用

李航

陕西省铁路集团有限公司 陕西 西安 710000

1 工程概况

房家湾隧道位于勉县境内，为大巴山地中山区，通过地区大部分山势陡峻，地表高程一般630～1300m。总体地形北高南低，沟壑交织，沟谷多呈狭窄的V型。隧道出口位于漆树坝乡大湾村东南侧约400m处。本标段负责的隧道起讫里程DgK286+961～DgK289+708，长2747m，为双线隧道。隧道最大埋深444m，纵坡为25‰。本隧道设置紧急救援通道2处，合同工期48个月。

隧道涉及地层按新老顺序主要为第四系全新统冲积、洪积膨胀土、圆砾土、卵石土，志留系下统页岩，奥陶系下统砂岩夹砾岩、砂岩与页岩互层、灰岩夹砂岩夹页岩，寒武系下统页岩夹砂岩夹灰岩。隧址范围内无较大褶皱、断裂构造，次级皱曲较发育。隧道剩余工程设计全部为Ⅳ级围岩[1]。

2 围岩特性及支护参数

2.1 围岩特性

试验段掌子面岩性以中厚层砂岩为主，夹薄层页岩，青灰色，钙质胶结，粉细砂状结构及砾状结构，层状构造。岩质较硬，弱风化，岩体节理裂隙发育，未见地下水发育。结合设计文件和超前地质预报结果分析，隧道围岩为Ⅳ级围岩。

2.2 支护参数

设计为单洞双线隧道，Ⅳb级复合衬砌隧道横断面

3 工法选择

参考以往铁路隧道三台阶法施工经验，基于发挥大型机械化配套施工优势、减少仰拱单独开挖对其他工序的施工干扰、提高中下台阶施工组织效率等因素选择三台阶法带仰拱一次开挖。

3.1 台阶高度

上台阶主要考虑两台挖掘机扒砟能够同时作业，并提高湿喷机械手作业效率，台阶高度确定为5.5m，使用简易台架施工；中、下台阶（带仰拱）考虑人工施钻、立拱架操作方便，其台阶高度不宜过高，高度分别为2.5m、3.98m（仰拱中心开挖高度），三台阶法（带仰拱）开挖。

3.2 台阶长度

上、中台阶长度的选择综合考虑施工作业空间、爆破后机械扒砟效率等因素，确定上、中台阶长度均为5～6m。

下台阶至仰拱栈桥端头，宜控制在20～25m，以保证机械装砟、湿喷机械手有充分的操作空间。

Ⅳ级围岩上台阶每循环开挖进尺2～3榀钢架间距，中、下台阶边墙开挖进尺亦为2～3榀钢架间距，同一台阶左右侧错开开挖，杜绝钢架同时悬空。三台阶法（带仰拱）开挖。

4 施工组织

4.1 主要设备、机具配置

上台阶主要采用人工风钻利用简易台架开挖，中下台阶人工风钻直接开挖。爆破后上台阶两台挖掘机同时扒砟，出砟时一台挖机配合两台装载机装砟，自卸汽车运砟。混凝土罐车运输喷砼料，采用湿喷机械手进行喷砼作业。

仰拱施工采用18m栈桥，人工配合挖机清砟。弧形模板分层浇筑仰拱填充砼。衬砌施工采用12m模板台车，混凝土罐车配合输送泵浇筑砼。

4.2 主要劳动力配置

开挖：上台阶14把风钻15人，中、下台阶（带仰拱）7把风钻8人，共计23人。

立拱：上台阶立拱12人，中、下台阶立拱6人，共计18人。

喷射砼：操作手及配合人员共计5人。

仰拱、填充：设2个班，每班8人，共计16人。

衬砌：设4个班，共计25人。

主要劳动力共计87人。

4.3 开挖施工工序组织

采用三台阶法带仰拱一次开挖，工法特点是每循环 “两次爆破、两次喷砼、三次扒装砟、各工序平行作业”。

（1）下台阶（带仰拱）爆破后，在挖机修路同时，上中台阶装药连线，挖机退出台架后同时爆破。

（2）通风后，两台挖机到上台阶扒砟，下台阶两台装载机配合自卸汽车出砟。

（3）上台阶扒砟完毕，挖机进简易台架至上台阶，上台阶开始立拱等支护作业，同时一台挖机在中台阶继续扒砟至下台阶，下台阶进行出砟作业。

（4）中台阶扒砟完毕，开始与上台阶同时进行立拱等支护作业，下台阶继续出砟作业。

（5）上台阶立拱等支护作业完毕，挖机退出上台阶简易台架，准备进行喷射砼。

（6）上台阶喷射砼时，下台阶完成立拱等支护作业，随后进行中下台阶喷射砼。

（7）喷射砼完毕，挖机扒砟后进简易台架至上台阶，开始上中台阶测量、钻眼。同时，将下台阶（带仰拱）剩余砟量清除完毕，随后进行下台阶钻眼及仰拱喷射砼。

（8）待上中台阶钻眼、仰拱喷射砼完毕，下台阶装药、连线、爆破。

4.4 仰拱工序施工组织

采用三台阶法带仰拱一次开挖，减少仰拱单独开挖工序，缩短仰拱施工循环时间。具体工序组织方式：采用人工配合机械进行仰拱清砟，两台挖机配合移动仰拱栈桥，人工清底后进行仰拱钢筋、防排水、立模等作业，随后浇筑仰拱砼，等强养护至规定强度，进行填充砼立模、浇筑等作业。

仰拱、填充施工循环时间约为72小时（12m），月进尺24/72*12*30=120m，综合考虑各种因素，月施工能力大于100m，大于掌子面开挖进度。

4.5 施工材料成品化管理

施工用材料尽可能在洞外加工成品，例如钢拱架超前小导管钻眼位置钻孔，连接钢筋改变以往的搭接焊接工艺，采用套管连接，锁脚钢管“L”型钢筋班前预制。减少了掌子面的现场焊接工作量，压缩支护作业循环时间。

5 结束语

（1）三台阶法带仰拱一次开挖，将仰拱初支纳入三台阶工序管控，及时将支护体系封闭，施工步距满足铁建设120号文件规定，保证掌子面施工的连续性。

（2）上中台阶长度控制在5～6m，既满足人员、机械设备作业空间，又有利于压缩挖机扒砟时间。

（3）中下台阶两侧开挖必须错开至少2～3米，杜绝造成同榀拱架两侧拱脚同时悬空。

（4）三台阶法带仰拱一次开挖，能够充分发挥各工序平行作业的特点，同时减少了仰拱单独开挖对其他工序造成的干扰，提高了施工效率。

（5）下台阶带仰拱一次开挖，仰拱部位钻眼作业较仰拱单独开挖时作业空间增大，利于底板眼外插角的精度控制，有效提升仰拱开挖成形质量；下台阶与仰拱一次爆破，减少了对围岩的爆破扰动。

（6）仰拱清砟及喷射砼工序，仅能在上中台阶钻眼时进行平行作业，将延长整个循环时间1h左右。仰拱喷射砼后，即进行爆破，等强时间不足。