台阶法(带仰拱)一次开挖施工技术在软岩隧道中的应用

刘招伟， 李建华

(1. 中铁隧道局集团有限公司， 广东 广州 511458; 2. 中铁电气化局集团公司， 北京 100036)

0 引言

在隧道施工中，正确地选择隧道的开挖方法，是影响隧道结构稳定及各种工程安全问题的重要因素。隧道施工过程中如遇到软弱围岩一般采用台阶法或其他不同分步的开挖方法[1]，这些开挖工法在软岩隧道的施工中起到了重要的作用，并且随着我国隧道建设技术的快速发展，得到了逐步的完善。如李国良等[2]依托郑西高铁高桥隧道的建设研究了大断面黄土隧道采用台阶法双层支护体系的结构受力变形特征； 胡守云等[3]依托三明铁路隧道工程对三台阶法施工的围岩变形特征进行了研究; 黄嘉亿[4]采用三维数值计算的方法对台阶法在大断面高速铁路隧道施工中的适用性及施工参数的选择进行了分析; 赵佃锦等[5]针对兰渝铁路高地应力区隧道的台阶法施工参数进行了数值计算方面的研究。

传统台阶法施工时，仰拱与下台阶分步开挖，存在着因仰拱初期支护封闭不及时而产生的安全隐患，容易引起掉拱及关门塌方事故。针对这一点，国内工程界就台阶法仰拱的尽快开挖与封闭进行过很多理论与试验研究，主要思路是缩短仰拱与掌子面之间的距离，加快仰拱的施工效率。如戴润军等[6]在宝兰客运专线根据三台阶七步法的各工序作业施工要点，提出了以仰拱施工为重点的思路；鲜国[7]以成兰铁路平安隧道为试验工点，对台阶法及全断面(含仰拱)法从围岩变形、初期支护受力及施工组织等方面进行了综合分析；赵伟等[8]结合蒙华重载铁路中条山隧道对单线铁路石质软岩隧道初期支护快速封闭成环技术进行了研究和总结；杨世武等[9]对浅覆新黄土隧道的微台阶法施工技术进行了研究和总结。本文在传统台阶法的基础上提出了台阶法(带仰拱)一次开挖的方法，使仰拱的开挖、支护与下台阶同步进行，以实现初期支护尽早封闭成环，减少钻爆开挖对围岩的多次扰动，通过现场应用试验，确认该技术的安全性和适用性。

相对于传统台阶法，新型台阶法(带仰拱)一次开挖施工技术需解决几个关键问题：

1)开挖面能否保持稳定。软岩隧道地质条件差，开挖面和隧道易变形和坍塌，台阶长度和高度的设置是开挖面稳定的关键。

2)能否满足工效要求。各道工序在有限的空间内展开，存在相互交叉和干扰，在减少了作业工作面的情况下，需通过合理的工序组织来满足工效的要求。

3)仰拱初期支护结构承载力能否满足施工机械设备行走的要求。台阶法(带仰拱)一次开挖施工中，仰拱初期支护与下台阶初期支护结构同步施作完成后，后续工序所用到的装载机等大型机械设备需在仰拱初期支护结构上作业和行走，应采取适当的技术措施对仰拱初期支护结构进行保护以保证其承载能力。

1 台阶法(带仰拱)一次开挖施工工艺与关键参数

1.1 三台阶(带仰拱)一次开挖施工工艺

1.1.1 工艺流程

一般认为，下台阶与仰拱一次施工会由于施工干扰和工序组织难度增加而降低开挖效率，因此，需通过科学的施工组织、优化的施工工艺，尽可能做到平行作业，达到节约时间、快速封闭且其综合工效又要不低于传统台阶法的目的。

下台阶与仰拱一起开挖的三台阶法，采取上台阶拱部一次较大断面开挖，中下台阶、仰拱与上台阶同时钻孔开挖，挖掘机修路至上台阶将台架移走，同时装药起爆后，上中下台阶同时扒碴、出碴，然后三台阶各部依次支护，并逐步向纵深推进，实现了上中下台阶的平行作业，其施工工艺流程如图1所示。

图1 三台阶(带仰拱)一次开挖施工工艺流程

Fig.1 Excavation flowchart of three-benches method (with inverted arch)

1.1.2 台阶高度与长度设置

一般从结构力学与变形响应、施工便捷性和设备空间布置等方面考虑[10]。

1.1.2.1 台阶高度与施工变形响应

以蒙华铁路段家坪隧道Ⅴ级围岩段为基础，采用三台阶(带仰拱)一次开挖法，上中台阶长度5 m，中台阶高度2.7 m，选取上台阶高度为0.2H、0.3H、0.4H和0.5H(H为隧道开挖高度)4种典型台阶高度进行隧道的开挖模拟，模拟的隧道拱顶沉降与最大水平收敛结果如图2和图3所示。

图2 不同台阶高度下拱顶沉降曲线

随着上台阶高度的增加，收敛表现出增加的趋势，但对拱顶沉降的影响不明显，各工况拱顶沉降值非常接近，增加上台阶的高度虽能减小拱顶沉降却也会增加洞周水平收敛，因此其取值不宜过大，取0.3H～0.5H有利于控制隧道变形。

图3 不同台阶高度下最大收敛曲线

1.1.2.2 台阶长度与施工变形响应

在保持上中台阶高度不变的情况下，逐级增加或减小上中台阶的长度，上中台阶长度为3、5、7、9、11 m的模拟结果如图4和图5所示。

图4 不同台阶长度下收敛曲线

图5 不同台阶长度下的拱顶沉降曲线

由图4和图5可知: 隧道施工变形会随台阶长度的增加而增大，其中拱顶沉降的增大趋势比水平收敛更为明显。

1.1.2.3 台阶高度、长度与初期支护结构应力响应

上台阶高度与最大压应力关系曲线如图6所示，台阶长度与最大拉应力关系曲线如图7所示。

由图6和图7可知: 最大压应力随上台阶高度增加而增加，上台阶高度在隧道开挖总高度的50%以内时，最大压应力均小于抗压强度设计值。支护结构最大拉应力随台阶长度的增加而逐渐减小，当台阶长度为3 m时初期支护的最大拉应力已经大于C25喷射混凝土的抗拉强度设计值，因此，上中台阶长度不应小于3 m。

图6 上台阶高度与最大压应力的关系曲线

Fig. 6 Relationship between maximum compressive stress and top heading height

图7 台阶长度与最大拉应力的关系曲线

Fig. 7 Relationship between bench length and maximum tensile stress

1.1.2.4 从施工干扰、作业效率和设备布置等方面分析

在选择台阶高度与长度时，受力及变形并不是唯一的限制条件，施工的效率以及便利性问题也是控制台阶尺寸的关键因素，从变形和力学角度来说，台阶长度与高度适应范围较广，所以在确定台阶参数时可以更多地考虑施工机械以及人工操作的便利性以及施工的效率。

1)上台阶长度控制在6 m以内能较好地控制隧道的变形，且机械操作方便，但是不应小于4 m; 中台阶长度则主要考虑钻孔作业空间需求。综合考虑施工作业空间、爆破后机械扒碴效率等因素，上台阶长度宜为4～6 m，中台阶长度宜为3～5 m。

上台阶立拱时需要用挖掘机把简易台架、拱架、网片和锚杆等材料与设备运送至上台阶，若上台阶距离太短则会影响材料、设备的安放及人员的操作空间。

上中台阶爆破后挖掘机位于中台阶，将上台阶的碴扒至中台阶，上台阶长度太大会使挖掘机的操作半径受到影响，增加其移动距离、就位次数，影响扒碴效率。

2)下台阶至仰拱栈桥端头，宜控制在20～25 m，以保证机械装碴、湿喷机械手的操作空间。

当上中台阶开始立拱作业时，一般采用1～2台装载机和1辆出碴车于下台阶出碴，而上中台阶喷浆时1台喷浆机械手与1辆混凝土罐车将停放在下台阶。

3)上台阶主要考虑挖掘机扒碴及湿喷机械手作业效率，台阶高度确定为3.5～5.5 m，使用简易台架施工；中下台阶(带仰拱)采用爬梯辅助作业，考虑人工施钻、立拱架操作方便，其台阶高度不宜过高。

三台阶(带仰拱)一次开挖法施工断面如图8所示。

(a) 横剖面

(b) 纵剖面

Fig. 8 Excavation cross-section of three-bench method (with inverted arch) (unit: m)

1.2 二台阶(带仰拱)一次开挖施工技术

二台阶(带仰拱)一次施工法主要适用于单线铁路Ⅳ、Ⅴ级围岩隧道，考虑简易台架安放、人员操作空间及机械的最大操作半径，上台阶长度控制在4～5 m； 上台阶使用开挖简易台架，下台阶不使用开挖台架，其台阶高度不宜过高。为保证在无机械配合下人工作业的便捷性，上台阶高度控制在5～6.5 m，下台阶高度为3～4.5 m。二台阶(带仰拱)法施工断面如图9所示。

(a) 横剖面

(b) 纵剖面

Fig. 9 Excavation cross-section of two-bench method (with inverted arch) (unit: m)

二台阶(带仰拱)法实现了上、下台阶的平行作业，下台阶与仰拱同时开挖、支护封闭成环。其施工工艺流程见图10。

图10 仰拱与下台阶一次开挖施工工艺流程图

Fig. 10 Construction flowchart of one-time excavation of inverted arch and lower bench

上台阶采用简易台架，下台阶、仰拱与上台阶同时钻孔开挖，下台阶左右侧同步开挖，同时装药起爆，挖机到下台阶扒上台阶碴，形成作业空间后进台架立拱，同步进行下台阶及仰拱扒碴、出碴，然后下台阶各部依次立拱支护。

2 台阶法(带仰拱)一次开挖施工案例

2.1 蒙华铁路段家坪隧道进口三台阶(带仰拱)法施工技术

2.1.1 工程概况及支护参数

蒙华铁路段家坪隧道为单洞双线隧道，全长10 722.98 m，位于陕西省宜川县秋林镇境内。进口段围岩为三叠系上统厚层砂岩、粉砂岩夹薄层泥岩，砂质结构，层状构造，弱风化、节理裂隙较发育—发育，岩体较破碎，呈碎石压碎结构。超前支护采用φ42超前小导管，长3.5 m，纵向间距2 m，环向间距0.4 m。初期支护采用全环四肢φ22格栅拱架，纵向间距1.0 m，C25喷射混凝土，厚23 cm，拱部设3.5 m中空锚杆，间距1.0 m×1.0 m，边墙设置3.5 m砂浆锚杆，间距1.0 m×1.0 m，二次衬砌采用厚45 cm的C35钢筋混凝土。隧道衬砌断面见图11。

图11 Ⅴa型复合衬砌断面图(单位： cm)

根据现场围岩条件，本隧道Ⅴ级围岩段采用三台阶(带仰拱)一次开挖法，上中下台阶(含仰拱)开挖高度分别为3.8、3、4.56 m，上台阶长4 m，中台阶长3 m。上台阶采用简易台架施工，中下台阶(含仰拱)采用爬梯辅助作业，仰拱及填充采用24 m全液压履带式栈桥作业，每循环施工12 m。

2.1.2 三台阶(带仰拱)一次开挖法主要工序组织

三台阶(带仰拱)一次开挖法工法特点： 每循环“1次爆破、1次喷混凝土、1次扒装碴、2次进出台架、各工序平行作业”。

1)中台阶转碴、下台阶出碴。挖机上台阶退台架，三台阶(带仰拱)联线同时爆破，通风后，挖机上中台阶转碴，装载机下台阶出碴，在前方工作面出碴时24 m栈桥就位完毕，仰拱进行复喷混凝土、施作防水、钢筋绑扎或混凝土养护等工序。

2)上台阶进简易台架、下台阶继续出碴。上台阶转碴完毕，挖机吊简易台架，配合装载机下台阶出碴。

3)上中下台阶立拱、施工锚杆、下台阶继续出碴。上中台阶转碴完毕，下台阶留部分石碴用于铺设至中台阶的临时便道。上台阶采用简易台架，同时中下台阶用爬梯人工钻孔、立拱架、施工锚杆(管)，挖机配合装载机下台阶出碴。

4)各台阶立拱完成、退台架、进行喷混凝土作业。上中台阶碴全部挖运完毕，下台阶只有垫路碴未运完，上中下台阶进行机械手喷混凝土作业。

5)修路进台架、上台阶钻孔、中下台阶依次钻孔。喷混凝土完毕，机械手撤离，上台阶清理后进台架开始钻孔，随后中台阶亦开始钻孔，下台阶垫路碴及仰拱垫碴采用挖机转运至后方亦开始钻孔。

2.1.3 技术要点

1)调整确定各台阶断面的工作量，实现各台阶同步作业是关键。相比于传统台阶法，本方案通过调整台阶高度，使各作业面综合工作量达到了同步平衡，上台阶是开挖进度的核心，上台阶高度降低，钻孔少，台架更加轻便，意味着进度加快； 中下台阶钻孔、立拱相对容易，高度变化对工序时间影响小，中台阶高度控制在3 m，便于人工直接作业，下台阶适当高一点，可以利用爬梯作业。

2)中下台阶同步施工。机械手臂长有限，上中台阶不宜太长，以保证机械手可有效喷射初期支护混凝土。

3)喷射混凝土按照先仰拱、后边墙及拱部的顺序进行。机械手臂长可实现一次喷射仰拱、下台阶、中台阶初期支护，喷射完成后机械手及料车后退，挖机上前对喷射完成的仰拱初期支护结构进行洞碴回填，必要时可在仰拱初期支护上方虚碴之上铺设钢垫板(对仰拱基础形成保护)，之后挖机退出，机械手及料车前进至仰拱部位进行上台阶初期支护混凝土喷射，此时仰拱初期支护已基本可承受施工机械的重力。

2.1.4 施工变形情况分析

根据段家坪隧道现场试验段施工监控量测数据显示，台阶法(带仰拱)施工引起的拱顶沉降累计值一般为 30～40 mm，上台阶收敛累计值一般为20～30 mm。2种工法在现场应用时的典型断面净空变形曲线如图12和图13所示。

台阶法(带仰拱)一次施工引起的变形要小于传统台阶法，2种工法在上中台阶开挖阶段变形值较为接近，但传统台阶法在下台阶开挖至仰拱封闭的时间段内，施工变形仍呈现增长趋势。而台阶法(带仰拱)一次施工法，仰拱与下台阶一起开挖，仰拱封闭时间短，变形能及早控制，对隧道施工总变形量的控制更为有效。

图12 下台阶(带仰拱)一次开挖变形曲线

Fig. 12 Deformation curves when lower bench and inverted arch are excavated at the same time

图13 传统三台阶法变形曲线图

Fig. 13 Deformation curves when using traditional three-bench method

2.1.5 进度统计

考虑施工现场环境复杂及一些制约因素，平均每循环用时约13.5 h，每天进度为： 24/13.5×2=3.5 m，月进尺为： 3.5×30=105 m。

2.2 蒙华铁路中条山隧道进口二台阶(带仰拱)法施工技术

2.2.1 工程概况及支护参数

蒙华铁路中条山隧道位于山西省运城市，隧道进口位于运城市盐湖区解州镇，设计为双洞单线隧道。隧道最大埋深约840 m，隧道左线长18 405 m,右线长18 410 m。

中条山隧道进口段围岩以片麻岩为主，风化面呈黄褐色，弱—强风化，节理裂隙较发育，地下水不发育，为Ⅴ级围岩HD型衬砌结构。超前支护采用φ42超前小导管，长4 m，纵向间距2榀，环向间距0.4 m。初期支护全环设置I18型钢拱架，纵向间距0.8 m，喷射C25混凝土25 cm，拱墙及仰拱设置C35钢筋混凝土，拱墙厚50 cm，仰拱厚55 cm。

隧道进口Ⅴ级围岩采用二台阶(带仰拱)一次开挖技术，上台阶高度6.1 m，长度4～5 m，下台阶(不含仰拱)高度为3.53 m，仰拱开挖深度0.9 m。上台阶采用2座拼装式小型台架辅助作业，下台阶(含仰拱)采用爬梯辅助作业，左右侧同步开挖，仰拱及仰拱填充采用24 m全液压履带式栈桥，每循环施工12 m。

2.2.2 二台阶(带仰拱)法主要工序组织

工序特点： 1次爆破、2次扒碴、2次进出台架、仰拱、下台阶、上台阶依次喷射混凝土到位。

1)上台阶扒碴、修路形成坡道。二台阶(带仰拱)联线同时爆破，通风后，挖机进下台阶扒碴、修路。

2)上台阶进简易台架立拱、施作锚杆，下台阶出碴。上台阶扒碴完毕，挖机吊简易台架开始上台阶立拱、施作锚杆，挖机配合装载机下台阶出碴。

3)上下台阶及仰拱立拱、施作锚杆。下台阶出碴完成，上台阶继续立拱施作锚杆，同时下台阶用爬梯人工钻孔、立拱架、施作锚杆(管)。

4)立拱完成、退台架、进行喷混凝土作业。按照仰拱、下台阶、上台阶的顺序进行机械手喷混凝土作业。

5)修路进台架，上下台阶及仰拱同步钻孔。喷混凝土完毕，机械手撤离，上台阶清理后进台架开始钻孔，下台阶及仰拱亦同步开始钻孔。

2.2.3 施工变形分析

2种工法的变形曲线见图14和图15。

图14 下台阶(带仰拱)法变形曲线图

Fig. 14 Deformation curves when lower bench and inverted arch are excavated at the same time

图15 传统台阶法变形曲线图

Fig.15 Deformation curves when using traditional three-bench method

与三台阶法类似，台阶法(带仰拱)一次施工引起的变形小于传统台阶法，2种工法在上台阶开挖阶段变形值较为接近，但采用下台阶(带仰拱)法时仰拱封闭时间短，隧道施工总变形量较小。

2.2.4 进度统计

考虑施工现场环境复杂、误工时间及一些制约因素，平均每循环用时约12 h，每天进度为： 24/12×1.6=3.2 m，月进尺为： 3.2×30=96 m。

3 台阶法(带仰拱)一次开挖施工技术特点

结合以上理论计算及现场施工效果分析，同传统台阶法相比，台阶法(带仰拱)一次开挖施工具有如下技术特点：

1)开挖面至仰拱端头距离短，初期支护可以快速封闭成环，以形成合理的受力结构，对施工变形的控制有利，同时也可以较好地满足施工步距的要求。

2)仰拱与下台阶同步开挖，减少了爆破次数，可避免风管、电线和水管等因多次爆破受损以及迁移作业带来的损失和投入，出碴以及喷射混凝土作业次数减少，同时因集中作业可使粉尘暴露时间减少，作业环境得到改善。

3)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，同时因工序简化有利于衔接，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。

4)有利于底板眼钻孔外插角的精度控制，可有效提升仰拱开挖成型质量。

4 结论与讨论

1)台阶法(带仰拱)一次开挖施工技术工艺简洁、技术难度低，可有效利用狭窄的作业空间实行同步作业，实现快速施工、快速封闭，对围岩变形控制效果好，是解决软岩隧道步距超标、变形侵限等问题的较好方案。

2)通过精细的施工组织、合理有序的工艺安排，台阶法(带仰拱)一次开挖法可取得不低于传统台阶法的综合工效。但在应用过程中，工法应保持稳定，应注意改变由于隧道围岩变化频繁因而工法也变换频繁的传统思路。

3)提高工效的关键是实现同步作业，尽量使各作业面综合工作量达到同步平衡，使各工序循环时间及各台阶操作时间相匹配。应结合工程具体边界条件，分析选用合理的台阶高度和长度，使之既能够保证施工安全，又能够保证效率最大化。

4)仰拱与下台阶一次开挖后，仰拱承载力应达到相应要求，满足施工和结构安全的需要，可通过局部工序的安排(如初期支护混凝土先施作仰拱，再施作上中台阶)、仰拱采用早高强混凝土及仰拱初期支护上铺设钢板等措施，来保护仰拱初期支护免受后续施工破坏。

5)台阶法(带仰拱)一次开挖施工中，上中台阶左右侧同步推进，为避免下部开挖时拱脚两侧同时悬空，施作初期支护时可通过增设锁脚锚杆(管)或对拱脚处喷射混凝土进行加固。

6)目前台阶法(带仰拱)一次开挖法在普通软岩隧道工程的应用中取得了良好的应用效果，但这种工法在高地应力区软岩隧道的应用效果，尚需做进一步的研究和实践。

7)现阶段部分隧道Ⅳ级围岩段初期支护拱墙部位设计有拱架支护，而仰拱部位不设拱架，实际上仰拱和拱墙没有真正意义上实现“闭合成环”。针对这一问题，今后需在设计理念层面做进一步研究。

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