“台阶法”在原位扩建隧道开挖中的应用

孙浩

摘 要：由于隧道原位扩建是在大临空面上进行施工，围岩的稳定性成为考虑的关键。而开挖方案的选择又是带全局性的问题，关系到整个工程的施工进度、质量和成本。本工法为后祠隧道右线“二扩四”在对既有洞进行预加固的基础上的洞身开挖工法。在保证隧道施工安全同时，减少了成本投入，满足了工期要求。

关键词：扩建隧道;台阶法;大断面

中图分类号：U455.4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）08-0125-02

0 前言

近年来公路交通运输量大幅度增加，越来越多的高速公路已不能满足交通运输量发展的需求，因而高速公路扩建迫在眉睫。大断面隧道将作为特殊地形条件下解决高等级公路布线有效且经济的一种结构形式，它对提高交通运输效率、保护与利用自然环境、加快经济建设发展等均有重大的现实意义，将得到越来越广泛的应用，但大断面隧道的出现，为工程界提出了新的课题，由于隧道的断面面积、跨度、断面形状扁率均较大，目前尚缺乏足够的理论知识和工程经验。大断面原位扩建隧道一般均采用CRD交叉中隔壁方法开挖，但该开挖方法施工工序复杂，且临时仰拱、中隔墙拆除风险高，施工进度缓慢。因此，如何在确保安全前提下，对大断面隧道原位扩建施工方法进一步的研究和优化，以提高施工方法的效率和可靠性，加快施工进度就显得尤为重要。

1 工程概况

漳龙高速公路后祠隧道位于龙岩适中镇上郑村与新祠村之间，为双洞四车道普通分离式隧道，于2001年完工并投入运营，全长990m，隧道跨度为12m。隧道洞身以中-微风化花岗岩为主，为较坚硬岩，总体围岩以Ⅳ级围岩为主。由于受到高速公路扩建的需要，该隧道扩建为三洞九车道隧道，其中右线隧道由二车道原位扩建为四车道。右线老洞净空9.25×5.0m（宽×高），右线扩建隧道净空17.75×5.0m（宽×高）。扩建隧道全长992m。隧道最大埋深约143m。

老隧道从建成至今已有17年之久，由于材料老化及当时设计施工技术水平等原因，表面主要存在衬砌外观差、裂缝、错台、渗漏等问题，内部通过检测发现隧道拱顶及两侧衬砌及初期支护背后脱空部位较多，同时初期支护脱空后导致背后围岩出现不同程度松动，在隧道开挖后极易发生拱顶坍塌。

2 台阶法施工顺序及操作要点

本次采用的台阶法是在对原隧道存在的空洞探明、原施工过程中塌方处理资料的熟悉，同时在预加固的的基础上，在保证隧道安全、质量的前提下，以监控量测数据为依据而采用的施工工法。采用此工法能满足结构安全要求，能有效控制隧道两侧收敛，同時便于大型设备施工，以提高工作效率。具体步骤如下：（1）既有隧道先回填片石至拱腰，开始施作超前支护，为上台阶开挖做好准备。如图1所示。（2）施工完超前支护后，开始开挖上台阶，高度5.5～7m，并完成初期支护。如图2所示。（3）上台阶开挖10～15m左右开始开挖左侧中台阶，完成其初期支护施工。高度为2.5～3m，宽度约4m（主要考虑最大限度保留核心土，同时只用少量机械配合就可以安装拱架），如图3所示。（4）左侧中台阶开挖5m左右开始开挖左侧下台阶，高度2.5～3m，宽度约4m，并完成其初期支护施工。如图4所示。（5）左侧下台阶开挖5m左右开始开挖右侧中台阶，高度2.5～3m，宽度约4m，并完成其初期支护施工。如图5所示。（6）右侧中台阶开挖5m左右开始开挖右侧下台阶，高度2.5～3m，宽度约4m，并完成其初期支护施工。如图6所示。（7）右侧下台阶开挖5m左右后开始开挖核心土及仰拱，仰拱开挖一次控制在3m以内，开挖后立即完成仰拱初期支护。如图7所示。（8）仰拱初期支护完成后，及时浇筑二次衬砌和仰拱回填。如图8所示。（9）等仰拱浇筑够两模二衬时，开始浇筑洞身二次衬砌，一次衬砌长度控制在10米以内。

3 台阶法的数值仿真分析结果

为了保证大断面扩建隧道采用台阶法开挖理论上的可行性，在确立开挖方案前对每个开挖步骤都进行了数值仿真分析，分析后得出以下几点结论和建议：（1）通过理论分析和数值模拟的方法，确定了在大断面原位扩建开挖采用台阶法扩挖是可行的。（2）原位扩建隧道施工时，先进行起拱线以上的扩挖，保留原路面及原仰拱部分不进行扩挖有利于围岩的稳定，对隧道安全施工起到了积极的作用。（3）隧道扩挖施工过程中，隧道左右两侧应力和变形具有不对称性，且在隧道拱脚、老隧道右边墙及拱顶明显应力集中，且在拱顶部位亦出现受拉区，因此这些部位施工是控制重点，在施工的过程中要及时支护并加强支护参数。（4）大断面隧道原位扩建施工是在围岩已受扰动情况下进行的，所以有必要施加超前预支护措施。

4 其他注意事项

4.1 老隧道地质、施工情况的了解分析

在施工前，首先对老隧道进行雷达地质探测，对老隧道周边围岩空洞进行探明。其次对老隧道的竣工资料进行认真研究，对原施工过程的围岩变更、塌方段落以及塌方处理方式要分析透彻。最后在老隧道二衬表面进行径向钻探，每5米一个断面，一个断面3个孔，孔深在5米左右，针对雷达探明和资料记载的空洞塌方段探孔可适当加密。

4.2 对老隧道围岩加固

通过钻探和资料相结合，对一些较大空腔（空腔在1-5米），利用径向探孔埋设泵送管，对空腔泵送C15砼，填满为准。对于一些超大空腔（5米以上的），应先与设计沟通，提前做好准备，以免延误工期。

4.3 开挖时注意事项

上台阶开挖时，考虑拱顶位移较大，一般增加或加长锁脚锚杆或锚管（锚杆一侧为4-6根，长度5m），同时在拱顶两侧提前施作径向系统锚杆，锚杆与钢拱架牢固焊接。左右侧下台阶初期支护施工完后，如仰拱不能及时跟进，应采用洞碴及时回填。

5 台阶法与传统CRD法比较存在的优势

安全风险比较：CRD开挖方法，对于土质软岩隧道更为适合，能有效控制软弱围岩下沉量及收敛，但对需爆破的石质隧道来说，爆破对临时支撑极易造成破坏，导致临时支撑需来回加固，费时费力。采用台阶法开挖，无临时支护，避免拆除临时支护的风险，同时缩短了初期支护整体闭合成环的时间，对控制隧道围岩收敛较为有利。

施工进度比较：以背景后祠隧道为例，隧道长共992m（其中IV、V级围岩973m，明洞19m），采用CRD法施工，双头掘进需要19.5个月（按单头掘进25米/月）。采用台阶法施工，可以保证单头掘进在50米/月，双头掘进隧道10个月就能实现贯通（最终后祠隧贯通用了11.5个月，因前期洞口采用了CRD法施工）。

经济性比较：CRD法由于临时横撑导致上台阶支护材料均需要人工搬运，同时出渣需要小型机具倒运至下台阶再往外装运，同时不能使用大型设备，施工效率低，工期长，费用高。台阶法就可以避免这种情况，同时缩短了工期，大大节约了成本，增加了收益。

隧道围岩揭示比较：对于大断面的隧道来说，同一断面左右侧围岩差别较大。采用CRD法只能先揭示先施工的单侧围岩，无法揭示同一断面左右侧的围岩，这样如果后开挖的一侧围岩变差，需加强支护形式，容易造成支护形式不统一。台阶法就避免了这一问题。

6 结语

综上所述，根据本项目工程量大、工期紧、标准高的特点，项目摒弃不适应高标准要求的习惯作法，敢于技术创新和工艺改进，以提高施工技术水平和工艺确保工程质量。

参考文献

[1] 冷彪，仇文革，龚伦.新建下穿隧道对既有隧道影响的可拓学分析[J].西南交通大学学报， 2014（04）：637-641.

[2] 谭文.复杂地质条件下超浅埋暗挖立体交叉隧道施工[J].都市快轨交通，2011（03）：79-83.