三台阶八步开挖法在云屯堡隧道施工中的应用

2019-06-26张传安

铁道建筑技术 2019年1期

张传安

（中铁十六局集团第二工程有限公司天津 300162）

1 引言

随着我国高速铁路的快速发展，长大隧道越来越多、越修越长，其主要目的是给通行者节省时间，少走弯路。但长大隧道由于地质及水文复杂的特点，穿越富水及各种断层带时有发生，因而转换开挖施工工艺，是施工中最有效的应对措施。

根据超前地质预报资料预测，云屯堡隧道D5K231+781.6～D5K231+791.6段为左侧硬右侧软且富水围岩，台阶法+临时仰拱施工难度极大。而采用三台阶八步开挖法施工顺利地通过了软硬不均岩层，也就是说，三台阶八步开挖法正是“软硬兼施”的制胜良策［1］。

2 工程概况

云屯堡隧道起讫里程为DK213+350～D3K236+390，全长22.923 km，是成都-兰州铁路全线控制性工程。隧道最大埋深750 m，正常涌水量3.33×104m3／d，最大涌水量 4.99×104m3／d。为客货共线电气化铁路隧道，采用双块无砟轨道。

2017年8月31日，云屯堡隧道在 D5K231+781.6围岩出现软硬不均的情况，即拱部右侧极软且渗水量大，左侧为硬岩。

2．1 设计情况

设计衬砌形式调整为Ⅴ级加强复合式衬砌，台阶法加临时仰拱施工。全环设置 20b型钢钢架加强支护，纵向0.6 m／榀；拱部设置φ42注浆小导管超前支护，每环38根，小导管单根长度4.5 m；钢筋网片为φ8钢筋，网格间距为20×20 cm；拱部采用φ22的中空组合锚杆，拱墙采用φ22的砂浆锚杆，间距为1.2×1.0 m（环×纵）；拱墙喷C30H1混凝土厚度为27 cm，仰拱为25 cm；衬砌厚度为拱墙50 cm，仰拱55 cm，均采用 C35H1混凝土施工［2］。

2．2 地质情况

设计资料显示：①软质岩可能大变形预测发生段，该段 D5K231+780～D5K231+880为可能变形；②泉点分布于D5K231+780右49 m。

2．3 确定方案

根据现场施工实际情况，掌子面围岩一边软一边硬，以隧道中心为分界线，在拱部120°范围内，于拱部（右侧60°+左侧20°＝80°）范围为软岩且渗透水量大；拱部（左侧 60°-20°＝40°）范围为硬岩。经多方论证，确定方案如下：

（1）拱部软岩且富水部分取消φ42超前小导管，增设φ108超前大管棚，长15 m，环向间距40 cm。

（2）在A单元开挖前，增设2榀 20b型钢套拱。

（3）改变施工方法：原设计台阶法加临时仰拱施工改变为三台阶八步开挖法施工。

3 主要施工方案

3．1 施工工艺

施工工艺流程见图1。

图1 三台阶八步开挖法施工工艺流程

3．2 施工方案

根据超前水平钻探及掌子面开挖围岩揭示，D5K231+781.6～D5K231+791.6围岩左侧硬而右侧软且富水。以不改变设计初期支护为前提，合理分布三个台阶的开挖高度，并考虑机械作业空间，按钢架单元进行划分：即 A单元为上台阶，h＝3.445 m；B单元为中台阶，h＝3.215 m；C单元为下台阶，h＝3.12 m。

纵向台阶距离控制［3-4］：上台阶距离控制在6 m范围内，右侧先掘进，左侧滞后右侧错位1.8 m，即3榀钢架距离；中台阶距离控制在10 m范围内，右侧先掘进，左侧滞后右侧错位2.4 m，即4榀钢架距离；下台阶距离控制在10 m范围内，右侧先掘进，左侧滞后右侧错位2.4 m，即4榀钢架距离。余下9 m为挖掘机、装载机、出渣车等机械的集散区域。仰拱端头至掌子面距离控制在35 m。

由于掌子面出现左硬右软，本着先软后硬开挖原则，施工方法及断面见图2～图3。

图2 三台阶八步开挖法工序纵断面（单位：mm）

（1）挖上台阶（A单元）

A单元由3节 20b型钢钢架组成，3节钢架从左向右编号为：1#、2#、3#（见图 3）。

图3 横断面开挖示意

第一步：开挖2#、3#节钢架部位，即开挖断面图中1部，拱部（右侧60°+左侧20°＝80°）范围。由于围岩软弱，采用人工或挖掘机配合开挖，纵向开挖进尺1榀／循环，0.6 m／榀。开挖后立即初喷4 cm厚C30混凝土（H1），及时架立钢架、安装纵向连接钢筋、铺设钢筋网、钻设中空组合锚杆、锁脚锚管、管棚等，喷射C30混凝土（H1）至设计厚度。开挖高度控制点，核心土顶面至拱顶中心开挖高度为1.8 m；从A单元拱脚至拱顶中心开挖高度为3.445 m［5］。

第二步：开挖1#节钢架部位，即开挖断面图中2部，拱部（左侧60°-20°＝40°）范围。采用弱爆破开挖，纵向开挖进尺1榀／循环，0.6 m／榀。纵向保持错开第一步1.8 m的距离，及时架立钢架、安装纵向连接钢筋、铺设钢筋网、钻设中空组合锚杆、锁脚锚管、超前小导管，喷射C30混凝土（H1）至设计厚度。

（2）挖中台阶（B单元）

当上台阶施工长度达5～6 m，开始开挖中台阶，即开挖断面图中3和4部。

第三步［6-7］：中台阶右侧开挖，即开挖断面图中3部。采用人工或挖掘机开挖，开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，纵向开挖进尺2榀／循环，0.6 m／榀，先掘进3榀。开挖后立即初喷4 cm厚C30混凝土（H1），及时顺接上台阶右侧A单元钢架、安装纵向连接钢筋、铺设钢筋网、钻设砂浆锚杆和锁脚锚管等，喷射C30混凝土（H1）至设计厚度。开挖高度为3.215 m。

第四步：中台阶左侧开挖，即开挖断面图中4部。采用弱爆破开挖，纵向开挖应错开第三步2～3 m。开挖后立即初喷4 cm厚C30混凝土（H1），顺接上台阶左侧A单元钢架，施作方法同第三步并及时初期支护。

（3）开挖下台阶（C单元）

当中台阶施作长度10 m左右，开始开挖下台阶，即开挖断面图中5和6部［8］。

第五步：下台阶右侧开挖，即开挖断面图中5部。采用人工或挖掘机开挖，纵向开挖进尺2榀／循环，0.6 m／榀，开挖高度为3.12 m，开挖宽度为5～7 m。开挖后立即初喷4 cm混凝土，顺接中台阶右侧B单元钢架、铺设钢筋网、钻设砂浆锚杆及锁脚锚管等，喷射 C30混凝土（H1）至设计厚度［9-10］。

第六步：下台阶左侧开挖，即开挖断面图中6部。采用弱爆破开挖，纵向开挖应错开第五步2～3 m，立即初喷4 cm厚C30混凝土（H1），顺接左侧B单元钢架，施作方法同第五步并及时初期支护。

（4）核心土施工

第七步：上、中、下台阶分别开挖预留的核心土，宽度为4.2～6.3 m，开挖进尺与各台阶循环进尺相一致［11］。

（5）仰拱施工

第八步：仰拱开挖。Ⅴ级围岩地段地质情况较为复杂，因此仰拱要及时跟进，确保初期支护的稳定，仰拱距上台阶的距离要控制在30～35 m左右。

仰拱施工时，为不影响掌子面施工，利用两条栈桥作为人员、车辆通道。当施工车辆通过时，作业人员应暂时避让，注意安全。

仰拱开挖，开挖3～5榀拱架／循环，0.6 m／榀。开挖之后及时顺接两侧墙钢架并喷射C30H1混凝土封闭成环，然后再向前开挖。开挖4个循环之后，施作一板仰拱及仰拱填充混凝土，仰拱钢筋和混凝土施工长度为12 m。