软弱破碎围岩隧道三台阶七步法开挖施工技术研究

文/肖黔

1 工程概况和建设意义

1.1 工程概况

纳雍至晴隆高速公路T19 合同段起点桩号K137+140，终点桩号K143+858，主线全长6.72km。小马厂隧道左线长2890m，围岩级别为：V 级围岩（共长：525m），Ⅳ级围岩（共长：1445m），Ⅲ级围岩（共长：635m），加宽带及交叉口（共长：260m）；小马厂隧道右线共长2910m，围岩级别为：V 级围岩（共长：530m），Ⅳ级围岩（共长：1450m），Ⅲ级围岩（共长：650m），加宽带及交叉口（共长：260m）。开挖方法主要有上下台阶法、三台阶七步法、全断面法，采用进出口两端平行施工，隧道开挖以人工钻爆施工为主，用自制台车配合手持凿岩钻机进行钻孔，同时采用光面爆破施工工艺；装渣运输为无轨运输方式，用挖掘机、装载机装渣，运输车出渣运输至弃土场。

1.2 工程建设意义

纳雍至晴隆高速公路是《国家公路网规划（2013—2030年）》《贵州省高速公路网规划（加密规划）》的重要一部分，而小马厂隧道不仅是纳雍至兴义国家高速公路的重点和施工难点隧道工程，也是贯彻落实新时代西部大开发和长江经济带发展战略、扩大国内需求、拉动经济增长的重要措施，还是构建安全舒适、交通便捷的交通运输完整体系的重要组成部分，因此建设纳雍至晴隆高速公路具有重要的拉动地方经济效益和社会公益价值。

2 小马厂隧道洞身段开挖方法选择

小马厂隧道位于贵州省普安县白沙乡境内，路线穿五里坪槽谷北东向山体而建设。隧道洞身主体由北东～南西向展布，进口段主体走向方位角211°，出口段走向约179°，呈弧形展布。

隧道采用分离式隧道方案，左幅起讫里程桩号ZK140+175～ZK143+065，长2890m；右幅起讫里程桩号K140+150～K143+060，长2910m，最大埋深约226m，建筑限界(宽×高)10.75m×5m。隧址区坡积物主要为残坡积含砾粉质粘土，隧址下伏基岩主要包括玄武岩，灰岩、泥质粉砂岩[1]。

V 级、Ⅳ级围岩紧急停车带段开挖采用环形开挖预留核心土法施工，如遇土质围岩或围岩特别破碎段，则采用三台阶七步法开挖。

短段Ⅲ围岩、Ⅳ级围岩段可以采取双台阶开挖法施工。

长段Ⅲ围岩可以采取全断面开挖法施工，如不稳定，则采用上下台阶法施工。

施工中根据围岩的实际情况动态调整开挖方式。

贯通时按50m 控制，剩余50m 时采用单端掘进开挖。

表1 小马厂隧道工程设计参数统计表

3 软弱破碎围岩隧道三台阶七步法开挖施工技术

3.1 三台阶法开挖

为了便于控制围岩变形的同时保证施工进度，根据设计文件，Ⅴ级围岩、Ⅳ级围岩紧急停车带段土质围岩或围岩特别破碎段可采用三台阶七步法开挖（机械开挖辅以弱爆破），将隧道分七个开挖面相互错开，同时开挖、支护，形成支护整体，逐步向纵深推进；石质围岩段采用三台阶法开挖（钻爆开挖），将隧道分成三部分跳槽开挖，施工时先跳槽开挖上台阶，待开挖到一定长度后，再跳槽开挖中台阶及下台阶，做成上中下三个台阶，并且可以同时施工。

3.2 开挖原则

利用三台阶七步开挖法进行隧道施工，一般需要减短下层开挖台阶的长度，利用初期支护尽快使围岩温度达到适宜范围，同时隧道二次衬砌尽早完成，快速有效地形成稳定支护闭环。

3.3 开挖前超前支护施工

3.3.1 超前小导管支护

设置在隧道洞内无长管棚支护的V、IV 级围岩地段，并采用φ42mm×4mm 热轧无缝钢管，长 度 分 别 为：S-Va、S-Vb、S-Vc400cm，SIVa350cm。钢管环向间距40cm，外插角控制在10°～15°左右，尾端支撑于钢架外侧，每排小导管纵向至少需搭接1.4m。管身加工成花管（φ 6 孔，间距15cm），以便注浆。导向与定位支架采用型钢拱架；注浆采用水泥砂浆（水灰比W/C=1，注浆压力0.5～1MPa）[2]。

3.3.2 制作小导管

本合同段钢花管加工场采用小导管割孔成型自动化生产线加工，从而确保施工质量和精度。超前小导管采用φ42mm 钢管，小导管前端做成尖锥形，尾部焊接φ6mm 钢筋加劲箍，管壁上每隔10～20cm 梅花型钻眼，眼孔直径为6mm，尾部长度不小于110cm 作为不钻孔的止浆段。

3.3.3 超前小导管安装

超前小导管施工采用YT-28 型风动凿岩机按设计钻孔，小导管钻孔前，先进行孔位测量放样，孔位测量应做到位置准确，钻孔严格按放样进行，避免造成串孔，影响注浆效果。另外，孔位外插角度要符合10°的设计要求。冲击振动将小导管顶入岩层，小导管从钢拱架中间穿过（钢拱架割孔），用高压风清除管内杂物，并采用锚固剂封堵孔口；同时，配制浆液，调试注浆机，进行压水试验，检查机械设备工作是否正常、管路连接是否正确。安装小导管后，管口用麻丝和锚固剂封堵钢管与孔壁间空隙，管口安装封头和阀门。

3.3.4 超前小导管注浆

小导管安设后，用锚固剂堵孔口，并喷射砼封闭工作面；采用注浆泵注浆，注浆管连接好后，将配制好的水泥浆液倒入注浆泵储浆筒内，注浆压力一般为0.45～1.05Mpa；水泥浆水灰比1∶1；水泥标号：42.5R，开动注浆泵，通过小导管向周边围岩压注水泥浆。注浆按照以由低到高隔孔预注或群孔注浆的方法进行；单孔注浆时，首先以初压注浆，然后在终压下进行注浆，并保持1～2min 终压再卸荷，保证注浆量及扩散半径达到设计要求，进而达到超前加固的目的。注浆过程中，应对浆液不停搅动，避免沉淀分层，影响浆液浓度。注浆过程采用双指标控制，即注浆量和注浆压力。

3.4 开挖施工步骤

3.4.1 上部弧形导坑开挖：环向开挖上部弧形导坑，预留核心土，宽度为隧道开挖的一半。开挖后，应及时进行喷射混凝土、锚杆支护、钢筋网片和拱架支护，锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。

3.4.2 中台阶开挖：开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，一般小于2m，开挖高度约3m，右侧台阶错开约4m，立刻喷射混凝土加固。开挖后，应及时进行喷射混凝土、锚杆支护、钢筋网片和拱架支护，打设锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接后喷射支护。

3.4.3 下台阶开挖：开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，一般小于2m，开挖高度约3m，左、右侧台阶错开约4m，立刻喷射混凝土加固。开挖后，应及时进行喷射混凝土、锚杆支护、钢筋网片和拱架支护，打设锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接后喷射支护。

3.4.4 上中下三个台阶分别开挖，并且预留核心土。

3.4.5 隧底开挖：每循环开挖长度宜为3m作业，开挖后及时施作仰拱初期支护；另外，完成两个隧底开挖、支护循环后，及时施作仰拱及下一步工序。

图1 三台阶七步开挖法施工立体效果图

3.5 开挖施工技术重点

3.5.1 上台阶循环进尺Ⅲ、Ⅳ围岩不得大于2 榀拱架间距，V 级围岩不应大于1 榀拱架间距。

3.5.2 上台阶的长度不宜大于隧道开挖宽度的1.5 倍。为尽早使初期支护封闭成环，可控制台阶距离为3～5m。

3.5.3 下台阶开挖时，宜采用先挖侧槽、左右错开向前推进的方法，侧槽一次开挖长度一般比较短；靠近边墙范围应采用风钻、风镐手工开挖，人工清壁扒渣，避免扰动上台阶初期支护。

3.5.4 下台阶在上台阶喷射混凝土达到设计强度的70%以上时开挖；当岩体不稳定时，应合理缩短进尺，先施工边墙初期支护，后开挖中间土体[3]。

4 结语

本项目为纳雍至晴隆高速公路T19 合同段小马厂隧道，研究探讨了软弱破碎围岩隧道三台阶七步法开挖施工技术，全体参与的管控及施工人员精心组织、合理安排，对关键工序和重点工艺科学布排，在保质、保量、保安全的基础上，实现了软弱破碎围岩隧道安全开挖支护及如期贯通的节点目标，确保了该小马厂隧道的安全贯通，该隧道三台阶七步开挖法施工技术经验分享，可为今后类似软弱围岩隧道项目开挖及支护施工技术提供经验，并在长大隧道施工中值得推广和应用。