大断面软岩隧道两台阶四步法快速施工技术

张 风

(中铁十六局集团有限公司 北京 100018)

1 引言

随着国内高铁技术的日趋成熟，为满足国家西部大开发战略需要，近年来西南地区高铁建设迅猛发展。由于西南地区地形山高沟深，故高铁线路工程多以桥隧为主。西南地区隧道工程地质条件极其复杂，围岩类型变化频繁，不良地质种类多，隧道工程施工难度大，施工周期长，全线关键线路控制工程基本都是长大隧道，如何在软岩地层中实现安全快速掘进是隧道施工的关键性技术。在高速铁路隧道V级以上围岩地段，设计针对深埋缓倾软岩及水平岩层，经常采用三台阶七步开挖工法[1]。但采用该工法掘进进尺慢，上台阶、下台阶及仰拱初支封闭时间长，导致隧道拱顶下沉量及周边收敛值较大，易出现初支开裂、拱架扭曲变形、初支脱落掉块以致隧道塌方等不良问题。同时由于隧道开挖分步工序多，仰拱及二衬距离掌子面的安全步距也很容易超标。针对上述难题，本文提出了一种两台阶四步开挖的施工方法，较好地解决了大断面水平软岩隧道施工进度慢、变形大、稳定性差等难题[2]，既能安全快速通过围岩较差地段，又能保证施工质量。

2 工程概况

(1)地理位置及结构形式

郑万铁路重庆段位于重庆东北部，全线重点控制工程奉节隧道位于奉节县境内，隧道全长13 472 m，是单洞双线隧道，最大埋深656 m，其中进口至1＃斜井区间隧道正洞覆盖层厚度为4～250 m。线路设计速度为350 km/h，按无砟轨道双线设计，标准断面面积为147 m2。

(2)水文地质条件

奉节隧道进口至1＃斜井正洞区间长度为2 250 m，地勘揭示均为V级围岩浅埋段，属剥蚀丘陵地貌。地表上覆第四系全新统卵石土、碎石土、粉质黏土等，下伏基岩为三叠系中统巴东一段(T2b1)泥灰岩、白云岩夹泥岩。受区域性的朱衣背斜影响，岩体构造破碎现象严重。地表水发育，地下水主要为基岩裂隙水和岩溶水，具有侵蚀性，环境作用等级为H2。隧道洞身穿越的主要地层有三层，第一层为<9-2>粉质黏土地层，第二层为<15-7>W4地层(泥灰岩、泥质灰岩夹页岩地层)，第三层为<15-7>W3地层(泥灰岩、泥质灰岩、页岩地层)。隧道进口段开挖揭示主要为泥灰岩与页岩互层或泥灰岩与泥岩互层，沿隧道轴向岩层缓倾，近似水平状，岩层为薄层状，节理裂隙十分发育，岩层泥质胶结，层间结合较差，个别地段有线状渗水。

3 大断面水平软岩隧道施工特点及难点

奉节隧道进口段在前期施工过程中，通过围岩量测监测显示，拱顶沉降大于边墙收敛变形。拱顶最大沉降量达到70 cm，平均下沉量大于25 cm；边墙最大收敛值达到50 cm，平均收敛值大于15 cm。隧道围岩受水的影响较大，刚进洞时水量较小，开挖至2～3倍洞径后，渗水量变大，围岩在水的作用下软化，承载力下降，导致初支开裂，拱架扭曲变形，喷射砼脱落，初支沉降变形最大速率达2 cm/d。开挖过程中，当泥岩及泥灰岩互层时，掌子面自稳性较好；泥灰岩与页岩互层时，掌子面自稳性较差，易出现掉块或坍塌。为有效控制初支变形，通过在实施过程中反复摸索，逐步总结出两台阶四步法开挖工艺[3]。

4 两台阶四步法开挖技术

4.1 工艺说明

分步开挖顺序和分步开挖立面分别如图1～图2所示。

图1 两台阶四步法分步开挖顺序

图2 两台阶四步法开挖立面(单位:m)

(1)第1步:在上一循环的超前支护防护下，采用周边弧形弱爆破开挖①部[4]，并及时施作①部台阶周边的初期支护。先进行混凝土初喷，架立拱部钢架，打设锚管进行锁脚；然后铺设钢筋网片，并施作径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度；最后架设①部台阶底的 18型钢临时横撑(拱部每2榀钢架设临时横撑一道[5])。

(2)第2步:采用机械或弱爆破开挖②部，施作左侧边墙初期支护。先进行混凝土初喷，接长左侧边墙钢架，打设锚管进行锁脚；然后铺设钢筋网片，施作径向锚杆后再复喷混凝土至设计厚度。

(3)第3步:采用机械或弱爆破开挖③部，施作右侧边墙初期支护。先进行初喷混凝土，接长右侧边墙钢架，打设锚管进行锁脚；然后铺设钢筋网片，施作径向锚杆后再复喷混凝土至设计厚度。

(4)第4步:采用机械或弱爆破开挖④部，下台阶核心土与仰拱同步开挖，清除隧底虚渣后，先进行混凝土初喷，连接底部钢架，使初支钢架闭合成环；然后立即浇筑仰拱与边墙基础混凝土，待仰拱初凝后，浇筑仰拱填充至设计高度[6]。

初期支护封闭成环后，根据围岩监控量测结果，分析确定二次衬砌施作时机。拆除临时横撑，利用模板台车一次性灌注拱部及边墙衬砌混凝土。

4.2 工艺参数确定

(1)上台阶开挖长度

隧道开挖作业线所需长度为开挖作业台架长度＋飞石影响的长度；隧道出渣作业线所需长度为渣堆长度＋装渣机＋出渣车及出渣车调头长度；喷锚初支作业线所需长度为喷锚机械手＋砼运输车＋初支作业长度。综合考虑以上各工序大型机械设备作业需求长度和围岩变形控制要求，确定采用机械喷锚作业长度作为上台阶控制的最短长度[7]。对于围岩地质较好地段，台阶长度可适当加长，有利于隧道施工组织；对于围岩地质较差地段以及深埋软岩地层段，要求尽量将台阶长度缩短，减少围岩变形，确保施工安全。

(2)上台阶开挖高度

传统软岩隧道开挖采用的CRD法、双侧壁导坑法和三台阶七步开挖工法，虽然每次开挖对围岩扰动小，但工序转换次数多，初支封闭成环时间长，最终导致初支沉降反而较大；同时由于每次开挖断面小，也不利于组织大型机械化作业，施工进度较慢，工期很难保证。采用两台阶四步开挖法可将上台阶开挖至拱腰以下，上台阶高度满足各类机械化作业要求，大大提高了施工效率，不仅加快了进度，同时也能使初期支护快速封闭成环，确保了施工安全步距[8]。

经综合分析研究确定，上台阶长度宜控制在25～30 m，高度宜控制在6.5～7.5 m，每循环开挖进尺按1.2 m控制；下台阶开挖至拱脚位置，左右两侧分步开挖，先左侧、后右侧，左右两侧要错开2～3 m，不允许在同一个断面；隧底仰拱开挖紧跟下台阶，中间核心土同步进行，开挖滞后右侧下台阶保持在2 m以上，且不超过5 m，保证仰拱初支及时封闭成环，严格控制围岩变形[9]。

4.3 工序流水作业

(1)钻爆作业线

软岩隧道以机械开挖为主，尽量减少对隧道围岩扰动，局部可采用弱爆破、短进尺，控制周边眼及抵抗线间距，周边眼采取间隔装药。上台阶、左右下台阶及隧底仰拱和中间预留核心土可同时钻孔、同时起爆，最大限度减少通风排烟时间。

(2)出渣作业线

上台阶出渣采取“两台装渣机＋出渣车”出渣。上台阶出渣完成利用挖机清理掌子面期间，进行下台阶出渣，出渣车停在48 m长仰拱栈桥前拱桥位置[10]，利用挖机出渣；仰拱出渣，借用仰拱栈桥前搭板作为通道出渣。

(3)初支作业线

上台阶出渣完成进行排险后，首先初喷拱墙四周及掌子面4～10 cm厚混凝土，然后架设上台阶钢拱架；左右下台阶及仰拱出渣完成后，同步连接下台阶及仰拱初支拱架，使初支尽早封闭成环。待上台阶施工超前小导管后，再依次完成上台阶、下台阶、仰拱喷锚混凝土。

4.4 质量保证措施

(1)加强地质预报和超前支护

可选取超前探孔、TSP、加深炮孔等方式对前方围岩提前进行地质探测，根据探测结果和实际开挖掌子面的自稳性分析，动态调整超前支护导管的长度、环向间距和纵向搭接长度，并及时进行注浆加固，确保开挖掌子面的稳定。

(2)掌子面采取加固措施

上台阶开挖时，对掌子面围岩较差地段，要弧形开挖预留核心土，等拱架架设完成后再开挖核心土；对掌子面围岩较好地段，也可不留核心土，但开挖后需及时喷射混凝土进行封闭，防止掌子面掉块或滑塌。

(3)拱脚处理

拱脚开挖时，采取机械开挖至拱脚标高以上30 cm，剩余部分采取人工凿除，避免拱脚基础松动，导致初支承载力不足[11]。

(4)加强渗涌水引排

由于隧道围岩以泥质灰岩与泥岩及页岩互层为主，该地层遇水极易软化，为此在初支施作时要设置径向钢花管引排渗涌水，以减小对初支的局部压力，保证初期支护的稳定性。

5 结束语

两台阶四步开挖法介于两台阶与三台阶之间，与传统三台阶七步开挖法相比，主要具有以下优点:

(1)由于开挖分步减少，对隧道围岩扰动次数降低，上台阶加临时横撑，下台阶和仰拱初期支护能及时封闭，拱顶沉降变形由原来的30 cm以上降至20 cm以内，前期初支开裂及钢架扭曲变形问题得到较好地控制[12]。

(2)分成上、下两台阶，加大了上台阶高度和长度，便于组织大型设备机械化作业，无论是开挖出渣还是喷锚支护，施工效率提升明显，每月进尺由原来的不足30 m提高至50 m以上，最高达到70 m，极大地加快了进度，确保了工期要求。