高速铁路大断面隧道三台阶快速施工工法研究

黄 河 付庭茂 郑烨晨 谢海旺

（中铁七局集团第三工程有限公司，陕西 西安710000）

高速铁路隧道穿越地层复杂多变，根据地质条件由好（稳定）到差（不稳定）变化，常用的开挖方法有全断面法、台阶法（两台阶和三台阶）、CD 法、CRD 法、双侧壁导坑工法等[1～2]。若从施工速度和工程造价考虑，施工工法则按上述顺序选择；若从施工安全方面考虑，选择顺序正好相反。CD 法、CRD 法和双侧壁导坑法将大断面分割成小块，施工工序转换复杂，作业空间较小，不便于大型施工机械工作，施工效率较低，且需进行临时支护拆换，存在一定安全隐患，上述方法仅在控制软弱围岩变形的特殊情况下选取[3]。台阶法能够提供较为宽敞的作业空间，便于施工机械发挥，近年来在隧道施工中得到广泛应用。陈洁金等[4]基于现场测试和数值模拟方法，对三台阶七步法和三台阶临时仰拱法对于软弱围岩隧道的适用性进行了对比。戴聪[5]等采用三维地质力学模型，研究了三台阶法、上下台阶法、上下台阶预留核心土法对高地应力场软岩隧道围岩稳定性的影响规律。

本文以中（卫）兰（州）客专某隧道为工程依托，根据现场围岩情况及施工技术条件，基于“及时支护、快速封闭成环”理念，提出一种改进的三台阶工法，即三台阶三步快速开挖工法，对该工法的施工工艺流程及技术要点进行介绍，并结合现场工程实践情况，对施工工效进行评价。研究结果可为大断面高速铁路隧道工程快速施工提供参考。

1 工程概况

中（卫）兰（州）客为银（川）兰（州）高速铁路的重要组成部分，线路自中卫市越白银市平川区、靖远县、白银区进兰州新区，后由树屏站接入兰州西客站。项目全长218.49 公里，总投资295.78 亿元。

依托隧道工程位于甘肃省白银市强湾乡和兰州市皋兰县石洞镇境内，隧道全长4578m。隧道为双线铁路隧道，马蹄形断面，设计时速为250km/h，开挖断面面积约150m2，最大埋深约206m，洞内纵坡为8‰/4205m 和-6‰/373m 人字坡。隧道洞口段穿越第四系全新统坡积（Q4dl）细角砾土、上更新统风积层（Q3eol）砂质黄土。隧道洞身段穿越前寒武系皋兰群片岩，呈鳞片状变晶结构，片理构造，节理较发育，岩性发育不均，呈强风化～弱风化状态岩体呈碎石状压碎结构，易塌方掉块。隧道按喷锚构筑法技术要求设计，围岩分级为Ⅲ～Ⅴ级。隧道进口及出口采用帽檐斜切式洞门+明洞衬砌，暗洞采用复合式衬砌，初期支护采用C25 喷射混凝土+钢筋网+锚杆+钢架，二次衬砌采用C35 钢筋混凝土。

2 三台阶快速开挖工法

根据前期地勘资料及现场开挖揭示情况，地层岩性、岩层构造及风化程度差异性较大。片岩多呈厚层状及块状结构，局部夹杂薄层裂隙结构（IV 级、V 级），地下水不发育，岩体较为干燥，具有一定的自稳能力。因此隧道施工优先选用三台阶法，但传统三台阶法仰拱最后进行爆破开挖，对围岩产生额外动力扰动，初期支护不能及时封闭成环，增加一道通风除尘出渣工序，施工效率较低。为此，结合本工程地质条件，提出改进的三台阶快速开挖工法，对该方法的施工流程及主要技术要点进行介绍。

2.1 施工流程

该工法基于“快挖快支、及时封闭”理念，在隧道开挖过程中将隧道断面分为上台阶、中台阶、下台阶，三个开挖作业面同步进行施工。中、下台阶采用左右侧对称开挖，以利于减少台阶长度，下台阶与仰拱一次开挖成型，减少分部多次开挖对围岩扰动，缩短初期支护全环封闭时间。该工法施工工序如图1 所示。

图1 三台阶快速开挖法施工工序

该工法施工流程如下：（1）围岩信息判释：利用掌子面素描、加深炮孔、红外探水、TSP 等进行超前地质预报，结合上循环开挖地质情况、监控量测数据确定或调整支护参数；（2）测量放线：每一循环测放出开挖轮廓线、开挖断面中线、高程，保证开挖高程、隧道轮廓线符合设计要求；（3）开挖出渣：同步开挖上台阶、中台阶、下台阶，进行出渣作业，隧底渣土在隧道一侧堆存备用；（4）上台阶、中台阶、下台阶及仰拱进行钢架、钢筋网、连接筋等部件安装。上台阶钢架安装完成后在需要施作超前小导管位置结合钢架施作拱部超前小导管，各台阶施工的底脚部位设置锁脚锚管；（5）湿喷机喷射混凝土作业，按照“仰拱→下台阶→中台阶→上台阶”的顺序进行喷射混凝土作业。喷射混凝土施工作业完成后用临时堆存的渣土将仰拱初支回填，以保证前方掌子面连续作业。（6）监控量测：按设计、规范要求，进行围岩监测，及时反馈数据指导现场施工。

2.2 技术要点

（1）洞身爆破开挖技术是保证初支施工质量的重要前提，现场采用光面爆破技术，根据掌子面地层情况合理调整爆破参数，控制超欠挖量。

（2）施工过程中执行钢架紧跟掌子面、初期支护及时封闭成环紧跟下台阶的“两紧跟”措施，同时严格执行上台阶开挖支护循环进尺1～3 榀钢架间距，中台阶及下台阶开挖支护循环进尺2～3 榀钢架间距。初期支护封闭成环距离掌子面不大于25m，仰拱及填充距离掌子面不大于85m，二次衬砌距离掌子面距离145m。

（3）中、下台阶施工时，采用左右侧对称开挖支护，此时锁脚锚管打设以及与钢拱架联结的质量是关键。

（4）根据现场投入的挖掘机、湿喷机械手、简易开挖台架等机械设备情况，合理确定台阶长度、台阶高度。一般情况上、中台阶长度控制在4～6m，下台阶距仰拱封闭成环的长度宜控制在10～15m。

3 现场施工效果分析

在依托隧道里程DK203+425～DK203+828 段进行三台阶三步快速开挖工法现场试验，该区段围岩级别为IV 级和V 级。每循环进尺均按照2 榀钢拱架间距（IV 级围岩为2m，V 级围岩为1.2m）设计，现场施工统计每循环所需工时如表1 所示。可以看出，IV 级围岩、V 级围岩每循环所需工时均较短，特别是对于稳定性较差的V 级围岩，缩短开挖支护时间有利于隧道施工安全。

表1 三台阶快速开挖法每循环所需工时

图2 为不同施工工法施工进度对比柱状图，图中CD 法数据参照国内类似工程经验，传统三台阶法为本隧道工程数据，可以看出，台阶法相比CD 法能大幅度提升施工效率。按照现场三台阶总长25m 计算，IV 级围岩开挖进度约90m/月，比传统三台阶法（65m/月）提高了约38%；V 级围岩开挖进度约60m/月，比传统三台阶法（45m/月）提高了约33%，施工效率提升较为显著。根据现场经验，在初期支护全断面封闭成环的条件下，仰拱及仰拱填充每循环可施工12m 长度，施工进度大大提高，满足设计“三缝合一”的要求。同时，隧道内多台机械，多个工作面同时作业，标准化施工水平大幅提高，洞内环境显著改善，以往隧道掌子面环境的“脏、乱、差”问题基本解决，不必为了迎接检查而调整工序、停工整理。

图2 不同施工工法施工进度柱状图（m/月）

4 结论

本文基于“及时支护、快速封闭成环”理念，提出三台阶三步快速开挖工法，该工法工序简单，中下台阶左右对称开挖，下台阶与仰拱同步开挖，多台阶同时施工，克服了三台阶法、中隔壁法（CD 法）、交叉中隔壁法（CRD 法）等传统工法开挖多次扰动围岩、临时支撑体系拆除危险、初支闭合时间长等问题。现场工程实践表明，该工法可提高隧道施工机械化水平，改善洞内作业环境，施工效率显著提高，具有很好的应用价值。