三台阶临时仰拱法在大法郎隧道滑石软弱地层下快速施工中的应用

程川

（中交二航局第二工程有限公司，重庆 400000）

1 工程概况

文山至麻栗坡高速公路（文麻高速），本标段起讫里程K39+400～K49+600，全长10.2km。沿线地质条件特殊，路基2.581km、涵洞14座566延米、桥梁9座单幅2.74km、隧道4座单洞12.683km，互通1处。其中，隧道进口近300m段使松散堆积体，0～12m约为全风化泥质页岩，12～28m约为湿润粉质黏土，埋深25～46m为全风化-强风化软弱围岩段。

2 施工重难点

2.1 大法郎隧道项目施工情况概况

洞口段深厚破碎松散堆积体围岩（约300m）、4段破碎带（330m、480m）、2处断层破碎带（20m）、4个围岩交界面页岩与灰岩分界/灰岩与板岩分界，灰岩岩溶段，施工风险极高。

2.2 不良地质体现

根据补勘资料可以得知，现场含大量的破碎松散堆积体，地下水丰富，岩体呈破碎状（见表1）。为了更为准确地掌握现场地质条件，采取钻探的方法，但难以从现场取出完整的芯样；堆积体则含大量的粉质黏土、块石、碎石等，土中颗粒含量约为55%。进洞段的围岩偏软弱，由于施工的扰动作用，该处易出现明显的初支变形、突水突泥等灾害，严重破坏现场地质条件，也容易威胁到人员的人身安全。大法郎隧道不良地质占比较高，不良地质段达到62%；因进口段存在大量的软弱围岩，明显加大该部位的施工难度，总体进度缓慢，隧道大变形与掌子面溜塌破坏险情频发，施工安全风险极高。

表1 大法郞隧道施工情况详述

2.2.1 围岩变形量大、变形速率快

累计拱顶沉降、周边收敛变形大；YK42+460：最大沉降速率为96.0mm/d，采取补强措施后，变形速率衰减较快；局部收敛变形过大，导致拱腰塑形挤出。

纵向分布特征：变形分布不规律，与岩体性质、富水情况、临时支护措施关系密切。

YK42+495～YK42+515围岩段：612～631mm(↓)225～397mm(—←)。

ZK42+420～YK42+455围岩段：320～408mm(↓)125～225mm(—←)。

2.2.2 变形易受开挖扰动

变形受施工开挖扰动影响显著，其中YK42+400变形速率波动性较大。尤其是上台阶、中台阶开挖引起的变形最大，上台阶+中台阶：80.41%；仰拱：5.10%。

开挖上、中台阶是围岩变形控制的关键：缩短上中台阶长度，加强中、上台阶围岩变形控制，有利于控制围岩整体变形；

2.2.3 掌子面挤出变形、拱架扭曲

纵向挤出位移对比为：测点C(右拱肩—拱腰位置)＞测点B（左拱肩—拱腰位置）＞测点A（拱顶）；左右侧拱腰位置＞边墙位置，故造成在拱腰偏下位置型钢扭曲严重。掌子面挤出表现特征：有明显的水平变形现象，同时掌子面呈鼓出状。

2.2.4 变形破坏形式多样

常见变形或破坏形式：掌子面冒顶塌方、掌子面局部溜塌、初期支护局部侵限(鼓包、缩径)、初期支护开裂和剥落、拱架扭曲变形、地表开裂、小中型岩溶。

软弱围岩的承载性能不足、稳定性欠佳，变形现象时有发生，甚至贯穿于隧道工程施工始终，如何有效抑制围岩持续变形、确保施工安全是项目经理部工作重心。

3 施工方案必选及确定

经过工法三维数值模拟优化，提出适合大法郎隧道施工的工法及参数，为同时满足质量、效率、效益等多项要求，采用的是三台阶临时仰拱法，原因在于该施工工艺的灵活性较强、施工状态较佳，有利于隧道初支及时封闭成环，同时围岩可保持稳定状态，无明显变形问题。体现在大法郎隧道工程中，存在初支变形控制要求高、难度大的局限性，于上、中两部分台阶施作临时仰拱，通过此结构的设置，促进初支尽快闭合成环，保证初支的稳定性，以免出现沉降变形、收敛变形现象。

4 施工要点

经过三维数值模拟后，提出适合大法郎隧道施工工法及参数，选用的是三台阶临时仰拱法，其优势在于可同时兼顾工程质量、效率、效益等多重要求，若应用得当，将使隧道初支及时封闭成环，围岩的稳定性得以提升，变形得到有效控制。

4.1 三台阶临时仰拱法施工技术应用

初支变形控制难度大是大法郎隧道施工中的棘手问题，为此可以采用三台阶加临时仰拱的方法。根据施工进度，在上台阶、中台阶两部分及时施作临时仰拱，以促进初支快速封闭成环，确保结构有足够的承载性能。同时，在应用三台阶加临时仰拱的方法后，还可有效减小初支的收敛变形和沉降变形。

4.2 施工工序概述

4.2.1 初期支护

初期支护对于维持围岩的稳定性而言有重要的作用，其集多类结构于一体，包含锚杆、钢架、钢筋网、混凝土等。初期支护增设临时仰拱，目的在于构成稳定的闭合环，在此方式下，尽可能减小围岩的变形量。

4.2.2 初喷混凝土

根据现场条件和质量要求，采用湿喷法，单次喷射厚度控制在5～7cm，必须在出渣前完成初喷作业。喷射混凝土的表面需具有平整性，不可出现滑移流淌、局部凹陷等问题。

4.2.3 挂钢筋网

初喷混凝土及施作锚杆后，安排挂网，首先根据工程要求在洞外预制成型，以便现场的快速安装，此方式下可缩短挂网施工的时间，提高效率。钢筋网紧贴岩面，与临近锚杆保持稳定连接的关系，网片间以点焊的方式做有效的搭接处理，确保挂网的稳定性。

4.2.4 安装钢架

初喷混凝土施工后，在洞内安装钢架，并与定位筋焊接。实际施工中，必须确保钢架平稳地置于地层上，局部有超挖现象时，用适量混凝土做回填处理。在现场配备风镐，若部分区域突出，则及时予以剔除，使该部分恢复平整状态。

4.3 三台阶临时仰拱法施工要点

设计要求：临时仰拱设置合理矢拱度，提高抗变形能力。

施作时机：临时仰拱应及时、逐榀跟进，逐榀拆除；有效仰拱不少于4道；施作灵活（可上台阶、可中台阶）。

施工要求：清理台阶下虚渣及杂物，在全环封闭前，在现场基础上将各节钢架放置到位，保证有足够的承载力。

为保证隧道施工的安全性，尽可能弱化爆破，建立稳定可靠的初期支护结构，发挥出此类装置的支撑作用。施工期间的扰动性较强，需要加强对隧道的精密测量。在现阶段的台阶施工方法中，三台阶临时仰拱法颇具代表性，其对台阶长度的控制水平较高。从竖向支撑的施工情况来看，若台阶的长度过大，将制约后续仰拱的正常施工，甚至不利于二次衬砌的施工，导致部分结构难以通过验收。反之，若台阶的长度偏小，开挖后的出渣难度增加，往往存在出渣效率降低的情况，循环时间随之延长，在此期间还将埋下大量的安全隐患，严重时将诱发安全事故。由此可见，合理控制台阶的长度极为关键。在设定台阶的长度时，需确保其能够满足大型机械设备的运行要求，并全面构筑安全的施工环境。从现有技术发展状况来看，三台阶临时仰拱对台阶的长度未提出明确的要求，为此需从现场实际情况出发，合理控制长度，正常情况下以隧洞宽度的0.6倍较为合适，并且不可超过隧洞宽度的2倍。隧洞爆破环节存在较强的扰动作用，隧洞周边的围岩可能因此而受到影响，为此需提前组织设计，再以规范性的方式完成打眼装药作业，且爆破环节则优先考虑的是弱爆破的方法。参建人员严格依据图纸规范作业，密切关注隧洞结构的稳定性，以此来动态化调整支护的参数，提高各项参数的可行性[1]。

4.4 隧道大变形分级控制基准及技术

根据前期围岩变形分布规律及各施工阶段围岩变形占比，总结提出以下各施工阶段围岩变形分级控制标准及各施工阶段围岩变形控制应对措施，起到主动加固围岩、发挥围岩自承能力、控制围岩塑性区发展作用。

针对围岩大变形段，现场不同施工阶段所采取的措施：增加上台阶锁脚锚管；预留φ76中管棚锁脚套管，预防围岩变形进一步发展；增加中台阶临时仰拱，及时闭合上部初期支护；增加临时斜撑；仰拱施作完成时，增加临时护拱。

变形控制效果：一是隧道开挖前期围岩变形较大，增加相应的处置措施后围岩变形速率明显减小；二是围岩累计变形量小于预留变形量值，侵限现象明显减少；三是初支局部向外挤出现象明显改善，初支圆顺。

4.5 隧道围岩松动圈及支护结构力学测试

右边墙测点围岩压力为0.255MPa；根据围岩压力评价支护结构安全性；部分钢拱架应力已达到I18钢拱架的屈服强度235MPa，建议目前拱架局部已屈服，应增大拱架的型号；锚杆主要表现为拉应力，且锚杆轴力较大；应重视系统锚杆，结合围岩松动圈范围加长锚杆的长度，并保证锚杆与围岩具有足够黏结力。围岩松动圈测试大于5m范围；指导初期支护结构（锚杆长度、锁脚锚管长度等）参数选取。

4.6 隧道长短组合式锚杆加固技术

在隧道围岩变形控制中，长短锚杆结合是一种优质的方法，其具体的作用机理为：通过前期短锚杆的应用，有效维持浅部围岩的稳定性，以免此类松散的围岩发生变形，此时的锚杆与浅部围岩可结合为一体，构成稳定可靠的组合拱结构；而通过长锚杆的应用，可有效减小围岩的变形量，此外还能够将组合拱结构悬吊于深部稳定围岩，协调变形。

4.7 拱架纵向连接加强控制技术

利用槽钢作为纵向连接：加强纵向连接，提高围岩纵向抗变形能力；有利于钢拱架准确定位；拱架连接板部位清理虚渣、初支喷混凝土凿毛，保证初支连接强度，提高初支整体稳定性。

4.8 隧道综合超前地质预报技术

采用地质雷达（有效测试距离25m/次）、TSP（有效测试距离150m/次）、瞬变电磁法（有效测试距离180m/次）、超前地质钻机（有效测试距离30m/次）等4种综合性超前地质预报方法，并应用于隧道工程实践进行预报准确性验证。

4.9 隧道洞内外防排水施工技术

大法郎隧道进口段围岩松散破碎，受持续性的降雨及地下水影响，进洞段围岩有渗水现象且程度较重，受水的侵蚀作用，围岩软化成泥，其自稳能力明显下降，支护结构难以发挥出应有的作用，围岩稳定性难以得到保证。

地表防排水措施：主要采取征地拆迁，修筑截水沟、排水沟、防渗沟；洞内超前排水技术：采用超前地质钻机进行超前探测、超前排水（上导、中导左右侧共3个孔，深度为30m）。

初支排水技术：初支局部渗水区域，采用钻孔引排措施；超前地质钻机探孔是一种最为直接有效的地质预报方法，也可用于超前排水；以钻探取样分析的方法判断工作面前方的地质条件，体现在岩体完整性、裂隙度等方面，为下一步施工提供最直观的地质资料。

4.10 隧道围岩变形实时监测技术

采用隧道围岩变形实时监测系统，通过监测云服务平台自动进行数据分析与处理，从而实现无线远程实时监测功能，进行初支及二衬变形实时监测与分析，及时预警或采取加固措施，也可进行初支侵限粗略分析与评估[2]。隧道围岩变形实时监测系统主要由3个部分组成：其一，采集系统。高精度测量机器人、采集控制终端、气象传感器、L型监测棱镜；其二，传输系统。无线网桥、无线路由器、后台服务器；其三，数据处理系统。监测软件、监测云服务平台。

二衬施工环节，可能由于协调不到位、方法不当等原因而导致拆卸泵管耗费较长的时间，此时难以高效推进二衬施工进程，衍生出蜂窝麻面、施工冷缝等问题。为了有效保证二衬混凝土的质量，可采用滑槽逐窗入模浇筑混凝土的方法，降低难度，提高效率。

5 结语

根据隧道掘进施工所导致的围岩变形发展规律，首先内部进行了施工技术方案的调整，通过对软弱围岩隧道施工几种工法综合比较(安全性、成本、工效)，提出三台阶和临时仰拱的综合型方案，以更加灵活的方式高效施工，促进初支尽快闭合成环，建成稳定可靠的结构，抑制围岩的变形，为隧道的安全施工提供了保障，有利于隧道工程建设进程的顺利推进。