软弱围岩地质大断面铁路隧道大拱脚台阶法施工技术优化

王 琛

（中交四航局第一工程有限公司， 广东 广州 510410）

1 工程概况

马来西亚东海岸铁路项目第四分部主线线路长75km，龙运隧道位于马来西亚登嘉楼州龙运县境内，全长871m，线间距4.2m，为单洞双线有砟轨道复合式衬砌隧道，出口端采用斜切式帽檐洞，进口采用端墙式洞门。线路自进口端以3‰的下坡至出口端，最大埋深为97m，最小埋深为2.5m。

隧道地质岩性以中等风化片岩为主，岩体破碎，地表植被发育，均为成型树木林，属于国家级森林公园；地表水丰富，自洞身向两侧沟谷排泄，基岩含有少量裂隙渗水，其中进口端隧址附近处可见裂隙渗水汇聚至低洼地带；出口端主要以自然冲沟处水及大气降水等；地下水丰富均为浅层水，岩体裂隙发育地带含有基岩裂隙渗水。

分析地质情况可以发现，该铁路工程特大断面隧道穿越岩性以中等风化片岩为主，岩体破碎，围岩的稳定性较差，隧道施工难度较大[1]。经过充分研究与讨论，确定在特大断面隧道中采用大拱脚台阶法施工工艺。

2 大拱脚台阶法的应用优势

大拱脚台阶法在软弱围岩大断面施工中的应用优势突出，主要体现在如下几方面：

（1）适应性较好。大拱脚台阶法在各类作业环境普遍具有较高的可行性，可有效适应现场施工环境，规避了传统方式下施工受限于现场条件的问题。大拱脚台阶法的施工流程更为精简，能够以较为便捷的方式完成相关工作，给后续施工进程的顺利推进创设良好的条件。

（2）安全可靠。软弱围岩的地质条件复杂多变，施工过程中潜在诸多安全隐患，易由于方法不合理或是现场控制不到位而诱发质量以及安全层面的问题，而大拱脚台阶法可以有效适应各类地质条件，根据所掌握的地质特性及时优化施工方法，保证各项工作能够在安全的前提下落实到位，大幅降低安全事故的发生概率。

（3）施工便捷性好。在大拱脚台阶法的应用过程中，无需对周边设置支护结构，其能够有效减少材料使用量以及施工工作量，避免在支护施工中投入大量的资源，施工效率也随之提高。

3 大拱脚台阶法施工工艺流程及关键技术

3.1 工艺流程

采用大拱脚台阶法施工工艺作为该铁路项目特大断面隧道施工工艺，结合施工地质勘察报告和项目工期安排，在编制施工方案时确定将隧道施工划分为6个开挖施工点，6个开挖施工点交错平行盾构掘进，分部同时支护，进而形成支护整体，提高作业效率，推动隧道开挖作业向纵深的方向发展[2]。为了更好地应对软弱围岩承载力不足的问题，可选择扩大上部钢架拱脚及垫板或者增设脚锚杆的方式改善地基状态，提高地基承载力，每一掘进循坏进尺深度约为0.5～0.8m，控制台阶长度，及时开展初期支护，配合跟进仰拱与衬砌，达到理想的支护效果。大拱脚台阶法施工示意图如图1所示。大拱脚台阶法施工流程为：

图1 大拱脚台阶法施工示意图

（1）在开展了前一循坏的超前支护的前提下，采用弱爆破方式掘进开挖①部，开挖完成后施作周边初期支护：开展混凝土初喷作业，铺设钢筋网，配合设置锁脚锚管或锚杆，钻设径向锚杆，继续喷射混凝土，确保达到设计值。

（2）弱爆破开挖②-1部→施作②-1部初期支护：同①部施工工序，且施作临时仰供与临时支撑。

（3）弱爆破开挖②-2部→施作②-2部初期支护：同②-1部施工工序。

（4）弱爆破开挖③-1部→此后施作③-1部边墙初期支护，即开展混凝土初喷作业，铺设钢筋网，配合设置锁脚锚管或锚杆，设置斜撑，继续喷射混凝土，确保达到设计值。

（5）弱爆破开挖③-2部→施作③-2部初期支护：同③-2部施工工序。

（6）弱爆破开挖④部→施作④部仰供初期支护，即开展混凝土初喷作业，铺设钢筋网，配合钢架，继续喷射混凝土，确保达到设计值。

（7）落实V部仰供与边墙基础混凝土浇筑作业，控制混凝土凝固时间，待仰拱混凝土初凝后继续浇筑仰拱VI部，直至仰拱混凝土高度达到设计要求。

（8）全过程动态跟踪施工，确定二次衬砌的最佳施作时间。拆除临时横撑，铺设环拱，开展纵向透水盲沟设置等其他相关的施工工序，采用衬砌模板台车，开展拱墙衬砌作业，一次现浇到位。

大拱脚三台阶法依据钢架设计分为3.1m、3.08m和3.74m三步，开挖上台阶后开挖中台阶，开挖时根据拱顶围岩沉降情况决定是否开挖大拱脚，斜撑为I18a型钢，临时横撑为I20a型钢，大拱脚斜撑与型钢钢架和临时横撑间采用340mm×300mm×20mm钢垫板连接，大拱脚底部设1000mm×340mm×20mm钢板连接，钢垫板的制作与连接应符合规范要求，临时横撑与型钢钢架间采用380mm×340mm×20mm钢垫板连接，开挖完成中台阶后开挖下台阶，依据拱顶沉降和空间收敛情况决定是否设置临时仰拱（I20a）。

在大拱脚台阶法施工过程中加强监控量测，及时分析监控数据，如果洞身沉降收敛量较大时及时增加纵向及竖向支撑进行加固[3]。

3.2 关键技术特点

（1）与CRD法和CD法相比，该方法更加简单，有更大的施工空间。同时保证多个作业面同时施工，提升了施工速度，节省了施工时间。

图2 CRD法施工（单位：mm）

（2）当施工过程中遇到较为复杂的地质结构或出现其它突发情况时，施工人员可以第一时间将大拱脚台阶法切换为CRD法或CD法，保证施工正常进行。

（3）施作过程中即使出现跨度不同或断面较大的情况，大拱脚台阶法都能尽快适应。同时大拱脚台阶施工工艺初期支护操作简单，工程量小，仅需要投入少数的人力、物力即可完成施工，工程造价较低。

（4）在开挖过程中，大拱脚台阶法预留了一定量的核心土，交错平行盾构掘进，分部同时支护，掌子面的稳定性与安全性高。与CRD法和CD法相比，这种方法能够尽可能避免各个工序之间的相互干扰，提高施工效率。

（5）大拱脚台阶法集弧形导坑预留核心土法和三部台阶法优点于一身，能够达到较为理想的支护效果，改善软弱围岩的沉降及变形问题。

（6）大拱脚台阶法采用分部开挖及同时支护的方法，符合新奥法施工原理，提升了初期支护效率，能够有效减少不安全因素对开挖作业及支护作业的影响。

（7）实施大拱脚台阶法施工，相关工作人员应加强沟通协调，确保各个施工工序衔接密切，缩短围岩暴露的时间。

（8）保证两侧拱脚的稳定性。两侧拱脚的稳定情况会直接影响隧道垂直方向的沉降与变形情况，施工人员可通过在上部钢架中增设大拱脚的方式，改善两侧拱脚的稳定性。

（9）为了确保大拱脚台阶法施工质量，应严格遵守施工规范，确保超前锚杆支护外插角达到设计要求。

（10）整个施工过程以人工开挖为主，机械设备仅起到辅助作用。为更好地满足施工需要，应在隧道周边预留出足够的施工位置，采取弱爆破开挖的方式，并且加强施工监测，全过程动态跟进施工[4]。

（11）严格按照设计要求进行钢架的设计、制作以及架设。为了增强拱脚的承载力，避免拱架出现净空位移的情况，既要保证钢架连接的平顺性，又要检查各处的连接，确保连接的牢固性。

4 沉降变形控制措施

为了更好地改善以中等风化片岩为主，岩体破碎的围岩情况，确保隧洞围岩施工质量，应总结隧道工程施工经验，全面分析本铁路项目特大断面隧道地质岩性，严格按照施工规范开展作业，控制隧洞周边水平收敛速度、拱顶或底板垂直位移速度，保证隧洞周边水平收敛速度＜0.15mm/d、拱顶或底板垂直位移速度＜0.11mm/d。

在大拱脚台阶法施工过程中，实施全过程动态的施工监测，能够帮助施工人员了解围岩受力变形情况，判断支护施工的实际效果。准确的施工数据还能为下一步施工提供安排依据，从而确保施工的科学性[5]。一般情况下，施工人员主要采用五点法进行监控和测量。严格按照标准安排观测点、读取数据和设置测量频次。通过仔细分析现场数据来针对隧道的地质结构条件制定合理的控制措施，以此保证施工全程安全可靠。

5 结语

综上所述，大拱脚台阶法施工工艺操作较简单，且可以多个工作面同时开展开挖与支护作业，施工效率高，风险低，且需要投入的劳动力较少，能够提升铁路隧道项目的综合效益。在大拱脚台阶施工过程中，技术人员及相关施工人员要分析隧道围岩地质的实际情况，优化施工技术，加强沉降变形控制，提升隧道施工质量，推动铁路建设事业的可持续发展。