短台阶快速封闭成环法在软岩隧道施工中的应用

李 栋



短台阶快速封闭成环法在软岩隧道施工中的应用

李 栋

（中铁十八局集团 第四工程有限公司，天津 300350）

文章针对兰新高铁天平顶隧道施工的实践，介绍软弱地质条件下两台阶预留核心土环形开挖法，总结了该短台阶法开挖的工艺流程、操作要点，并借助监控量测数据所反映出的围岩变形特点，阐释了如何通过量测结果信息进行指导施工，进而为今后类似工程施工提供借鉴。

软岩；两台阶；预留核心土环形开挖法；短台阶；快速封闭成环

随着国家对基础设施建设投入的加大和西部大开发战略的实施，高速铁路、公路等建设已从沿海地区向西南、西北山岭区延伸。在这些地区修建高速铁路、公路等有一个显著的特点，就是隧道建设较多，而且受自然环境、气候、地形、地貌的影响也越来越大[1]。目前隧道的主要开挖方法有全断面法、台阶法、三台阶七步开挖法、中隔壁法（CD法）、交叉中隔壁法（CRD法）、双侧壁导坑法等，对于软弱围岩、土质围岩等主要采用三台阶七步开挖法、中隔壁法（CD法）、交叉中隔壁法（CRD法）、双侧壁导坑法[2]。本隧道根据地质情况采取上下短台阶快速封闭成环法，取得了良好的效果，保证了业主工期及架梁通道的畅通。

一、工程概况

兰新高速铁路是世界上一次性建成通车里程最长的高速铁路，是我国中长期高速铁路规划网中八纵八横高速铁路网陆桥通道重要组成部分，全长1776公里，东起甘肃兰州与徐兰高速铁路相接，途经青海西宁，甘肃张掖、酒泉、嘉峪关，新疆哈密、吐鲁番，西至新疆乌鲁木齐，旅客列车设计最高时速250km/h。

兰新高铁天平顶隧道位于青海省民和县境内，洞身穿越低中山体与山间沟谷中，地势上隧道进出口两端低而洞身部位高，地形起伏大，沟谷与山脊相对高差100m-200m，山体脊部最高高程约2115m，植被发育较差，该处山体两侧坡度差异较大，其间沟谷发育，切割较深，进口为黑阴沟，出口为汗水沟，均为季节性流水。山体上覆第四系风积沙质黄土，下伏基岩，进出口及沟谷坡坎处白垩系基岩裸露。隧道起止里程为：DK77+785-DK81+862，全长4104米，为LXS-2-2标段内最长的隧道，重点控制性工程，该隧道地质复杂，而且两洞口，高出沟底22米，沟深壁陡，场地狭窄，冲沟内安全风险大，难以布置临时设施。本文首先主要针对隧道出口端地质条件极差段落进行分析：

1.该段地质情况

以黄土和泥岩为主，全隧均为IV、V级围岩；地貌为典型的河谷阶地，进出口段均为湿陷性黄土地质，沉降量大；洞身段以泥岩为主，具有膨胀性，尤其在水流的影响下会逐渐软化膨胀，施工难度大。

2.设计参数支护表（见表1）

表1 设计支护参数表

二、软岩黄土隧道地层沉降变形的因素分析

1.地层含水率偏低

砂质新黄土地层，含水率低，属高压缩性、高触变、高灵敏度、大孔隙比、低强度等软土特征，岩层具有湿陷性，自稳能力差，工程地质条件极其复杂。

2.开挖过程中的扰动

围岩开挖后承载力在迅速下降，机械设备的每一次开挖动作都会对周围岩体产生扰动。下台阶开挖过程中会对上一级台阶拱脚造成扰动，进而对拱顶造成二次、三次变形。

3.综合因素的沉降累积效应

上下台阶开挖施工引起沉降变形的因素往往是综合的，涉及到施工的方方面面，这些方面又会相互影响，如控制措施不到位，又会形成沉降的累积效应。

三、短台阶快速封闭成环的理论依据

1.围岩的拱桥效应

快速封闭成环对围岩起到支撑作用，环形结构的受力变形可以看出，上部下压，下部上抬，两边拱墙只能向外突，但是两边围岩又阻碍了其变形[3]。

2.限制隧道的收敛变形

尽快封闭成环主要是为了使围岩荷载尽快均匀分配在支护环上，限制隧道围岩的收敛变形，避免围岩因为较大变形对围岩自稳能力造成永久性伤害，进而提高临时支护的安全系数，防止塌方等意外事故[4]。

3.将围岩竖向荷载部分转化为横向荷载

隧道开挖后，迅速造成开挖周围处于空洞悬空状态，快速封闭成环可以快速使得初期支护结构和周围围岩形成环状整体受力结构，并将岩体的竖向荷载部分转化为向两侧拱墙外侧的横向荷载，由于两侧拱墙外侧围岩同时给于拱墙内侧支护结构的水平推力，从而使得转化为两侧拱墙外侧的横向荷载和这一水平推力形成平衡状态，进而从整体上减轻了围岩的竖向荷载。

四、工艺流程及操作要点

隧道开挖宽度宽14.08m，开挖高度10.35m。采用上下阶法开挖，上部弧形开挖预留核心土，下部两侧错开开挖，设置短台阶，详见开挖工法示意图1、2、3。

图1 两台阶环向开挖预留核心土横断面示意图

图2 两台阶环向开挖预留核心土纵断面示意图（单位：cm）

图3 两台阶环向开挖预留核心土平正面示意图（单位：cm）

（一）工艺流程

1.上台阶施工

（1）施作超前导管并注浆；

（2）开挖弧形导坑1部，V级围岩开挖循环进尺不得大于一榀钢架间距；

（3）初喷5cm厚度混凝土；

（4）安装格栅钢架，焊接纵向连接筋，安装钢筋网片，施工锁脚锚管；

（5）喷射混凝土至设计厚度；

（6）进行下一循环施工。

2.下台阶施工

（1）当上台阶开挖5m后开始开挖中部左侧2-1、2-2，下台阶开挖3m后开始开挖下部右侧3-1、3-2，下台阶左右侧可以同时开挖，但要严格控制循环进尺，V级围岩一次开挖进尺不得大于一榀钢架间距，同时开挖可以减少上部初支及围岩的二次扰动[4]；

（2）初喷5cm厚度混凝土；

（3）安装格栅钢架，焊接纵向连接筋，安装钢筋网片，施工锁脚锚管；

（4）喷射混凝土至设计厚度；

（5）进行下一循环施工。

3.仰拱施工

（1）当下台阶施工长度达到3m后开始仰拱5部开挖；

（2）安装钢架、喷射混凝土，初支形成闭合环。

五、工法特点

1.有效控制初期支护变形

采用两台阶预留核心土环形开挖，减少了对围岩的扰动次数，通过监控量测资料反映初期支护在施工完成后只发生一次突变，隧道初期支护变形时间减短，初期支护封闭成环时间明显减短，二衬紧跟掌子面施工，确保施工安全。

2.施工工序减少

两台阶预留核心土环形开挖法相比较三台阶七步开挖法，施工工序明显减少，工人作业时间减少，施工进度加快，工费成本减少，取得了较好的经济效益。

3.施工进度加快

采用两台阶预留核心土环形开挖施工后，初期支护封闭成环时间快，二衬紧跟掌子面施工，隧道施工进度加快。采用三台阶七步开挖法月进尺20m，采用二台阶预留核心土环形开挖法后，每月进尺30m，进度加快50%。

六、适用范围

1.适用于隧道同多地层岩性为石炭系上统砂岩，山坡坡面分布有第四系粉土、细角砾土、粗角砾土等软弱围岩地段。

2.适用于可采用三台阶七步开挖法施工的隧道。

七、开挖工作原理

通过人工配合机械开挖的工作原理进行开挖，减小对初期支护的扰动，先开挖周边环向土，预留中部核心土后对岩面进行初喷，再进行初期支护，最后施工锁脚锚管及复喷。

1.开挖断面设置

通过合理的布置开挖台阶长度、预留核心土长度、高度、环形开挖宽度等，有效的组织现场施工，从而达到控制初期支护变形、加快施工进度的作用，两台阶预留核心土环形开挖法施工工艺流程图如图4所示。

图4 两台阶预留核心土环形开挖法施工工艺图

2.操作要点

（1）操作要点最重要的原则就是“紧支护、快封闭”，即支护紧跟开挖面，及时封闭，这是增强围岩承载力和控制变形的有效手段。围岩开挖后承载力在迅速下降，围岩自稳能力随时间增长急剧降低，必须及时支护，尽快使初期支护封闭成环[5]。

（2）针对台阶法施工，下台阶开挖施工过程中之前开挖的上部存在二次、三次变形的特性，施工过程中要严格控制锁脚锚管的施工质量，包括施工角度、焊接质量、施作长度、灌浆质量，同时在下台阶开挖完成后要及时完成支护封闭，减小二次、三次变形量。

（3）摒弃传统干喷工艺，推行湿喷工艺，采用大型机械手喷射混凝土，保证隧道初期支护的早期强度，对控制隧道开挖支护完成后的变形控制至关重要。

（4）严格控制超欠挖，减少对周边围岩的扰动，以保证开挖完成后围岩的自稳能力。

（5）在保证掌子面稳定的情况下，遵循新奥法施工“少扰动、早支护、勤量测、紧封闭”的基本原则，尽量减小各台阶的长度，以便尽早完成初期支护封闭成环。

（6）严格控制台阶交界处钢架连接质量和初期支护混凝土质量，对螺栓连接质量、喷混回弹料清理进行重点控制，消除薄弱环节，保证初期支护强度。

八、监控量测

监控量测是隧道施工中监视围岩和支护稳定性，通过量测数据分析指导现场施工的重要技术手段，是判断设计参数、施工工艺工法是否满足要求的重要依据。本项目对隧道监控量测主要从地表沉降、拱顶沉降、水平收敛三项监测指标来进行监测分析并指导施工[6]。

1.监测管理值

采用变形总量、变形速率、变形时态曲线特征三项指标，外加初期支护表观现象观察情况进行施工安全管理。

（1）管理等级及施工作态（见表2）

表2 管理等级及工作状态

（2）变形总量管理值（见表3）

表3 黄土地段变形总量管理值 单位：mm

拱顶下沉总量小于75mm，或者水平收敛总量小于35mm，或者地表沉降总量小于90mm，无预警，处于正常施工状态；拱顶下沉总量75～150mm，或者水平收敛总量35～50mm，或者地表沉降总量90～180mm，黄色预警，需加强监控量测频率，关注变形发展，调整施工组织，使隧道变形趋于稳定，并制定相应的应急处置方案；当拱顶下沉总量大于等于150mm，或者水平收敛总量大于等于50mm，或者地表沉降总量大于等于180mm时，属红色预警，需暂停施工，加强监测，启动应急预案，采取相应的工程措施。

（3）变形速率管理值（见表4）

表4 黄土地段变形速率管理值 单位：mm/d

拱顶日下沉小于10mm，或者日水平收敛小于5mm，或者日地表沉降小于10mm，无预警，处于正常施工状态；拱顶日沉降10～20mm，或者日水平收敛5～10mm，或者日地表沉降10～20mm，属黄色预警，需加强监控量测频率，关注变形发展，调整施工组织，使隧道变形趋于稳定，并制定相应的应急处置方案；拱顶日下沉大于等于20mm，或者日水平收敛大于等于20mm，或者日地表沉降大于等于20mm时，属红色预警，需暂停施工，加强监测，启动应急预案，采取相应的工程措施。

（4）变形时态曲线特征（见图5）

正常               预警二级               预警一级

随着时间的延长，变形速率越来越小，直至变形速率为零，变形总量趋于稳定，无预警，可以正常施工；当时间延长，变形速率不变，变形总量均匀增加时，属黄色预警，需加强监控量测频率，关注变形发展，调整施工组织，使隧道变形趋于稳定，并制定相应的应急处置方案；当时间延长，变形速率越来越大，变形总量急剧增减时，属红色预警，需需暂停施工，加强监测，启动应急预案，采取相应的工程措施。

2.监控数据分析处理

本文主要通过天平顶隧道DK77+125断面和拱顶下沉监控量测数据分析，来反映施工过程中各个阶段围岩及初期支护变形情况（见图6）。

图6 DK77+125断面拱顶下沉监控量测变形时态曲线特征图

数据分析显示，开挖过程中每一次扰动，隧道拱顶初支都会出现沉降突变，随着扰动过程完成和仰拱封闭成环后数据逐渐趋于稳定，变形时态曲线正常，结合其他洞口数据分析，仰拱成环是沉降和收敛数据趋稳的分水岭，仰拱成环后隧道施工安全基本可控。

九、结语

兰新高速铁路的建成，使新疆与内地间形成一条高质量、大能力的高速铁路通道，大幅缩短了行车时间，是中国西北高寒风沙区域修建的首条高速铁路，为该类区域发展高速铁路积累了宝贵的探索经验。对兰新高速铁路天平顶隧道台阶法施工总结如下：

（1）减少材料成本投入，通过减少开挖过程中的预留沉降量，从而减少钢支撑用量、喷射混凝土用量、二次衬砌模筑混凝土用量的成本投入。加快施工进度，是软弱围岩循环进尺由1榀/天，提高到2榀/天。从而加快施工进度减少人力、机械设备投入。

（2）采用台阶法施工时，在下台阶施工过程中，会对上部已经完成初支造成二次、三次扰动，相应过程中会出现变形监测指标值突变的情况，因此下部开挖不能滞后上部施工时间太长，台阶长度不宜过长，以利于变形过大时及时封闭成环；根据本工程经验值，仰拱封闭成环距离掌子面距离控制在一倍洞径范围内较为合适；

（3）根据监控量测数据分析，在隧道初期支护封闭成环后，各项监测指标值逐步趋于稳定，可见隧道初支快速封闭成环对控制隧道围岩级和支护变形，保证隧道施工安全具有显著效果；

（4）本隧道Ⅴ级围岩浅埋及软弱段采用中导洞-两台阶留核心土法开挖是安全可行的,中导洞-两台阶留核心土法适用于双向四车道连拱隧道中围岩级别不差于Ⅴ级的软弱及浅埋偏压段。

[1]王飞.大断面双连拱隧道施工方案优化分析[J].公路工程，2016（05）：35-37.

[2]杨元洪，刘昆赟.连拱隧道中隔墙的优化与分析[J].中国水运（下半月），2015（02）：48-50.

[3]邓少军，阳军生，张学民，钟放平.浅埋偏压连拱隧道施工数值模拟及方案比选[J].地下空间与工程学报，2005（06）：78-80.

[4][6]毛华荣.连拱隧道衬砌结构安全与施工方案合理性研究[D].杭州：浙江大学，2016.

Application of Short Step Fast Closed Loop Method in Construction of Soft Rock Tunnel

LI Dong

（China Railway eighteen Bureau Group Fourth Engineering Co., Ltd., Jinnan, Tianjin 300350, China）

According to the practice of ceiling tunnel construction in Lanzhou-Xinjiang High-speed Railway, this paper introduces the ring excavation method to retain the core soil of two steps under the condition of weak geological conditions, and summarizes the process and operation of short step excavation. Based on deformation characteristics reflected by monitoring data, it expands the ways to guide the construction by measuring the results and provides references for the future similar project constructions.

soft rock; two steps; retaining core soil ring excavation method; short step; fast closed loop

U455.7

A

1008—6129（2018）01—0056—08

2018—01—17

李栋（1987—），甘肃西和人，中铁十八局集团第四工程有限公司，助理工程师。