台阶法施工技术在高速铁路浅埋隧道工程中的应用

陶益胜，田 发，刘雪东，谢斌福

(中国建筑土木建设有限公司，北京 100073)

0 前 言

纵观现阶段的隧道工程施工技术，三台阶临时仰拱法颇具代表性，其在强风化的硬岩、风化强度高的软岩中均具有可行性，可以促进侧墙初期支护的成型，有效控制围岩变形，预留的大尺寸核心土可发挥出支撑作用，用于维持掌子面围岩的稳定性，同时在软弱围岩地层大断面隧道的拱顶沉降、地表沉降、围岩应力、塑性区扩展面积及深度控制方面要优于三台阶七步法。对于构筑安全施工环境、保证工程质量具有重要的作用。

1 工程概况

某双线单洞高速铁路隧道工程，起讫里程DK126+547～DK127+258，全长711 m。隧道共有5个浅埋段，埋深均在30 m以内。地质勘察结果显示，地表为沟谷，强风化厚度5～15 m。全强风化带现场的水文条件特殊，同时具有地表水和地下水均强烈活动的特点。由于地质、水文方面的特殊性，不利于隧道建设工作的顺利开展，潜在诸多安全隐患，易诱发坍方通顶等事故。

2 隧道工程施工状况概述及台阶法的提出

各隧道工程的围岩地质条件、水文条件等方面均有独特性，对应的开挖方法不尽相同。现阶段，隧道开挖的常见方法包含全断面法、台阶法、三台阶法、三台阶临时仰拱法等。相比之下，台阶法的应用较为广泛，但施工期间可能会出现拱脚变形现象，具体表现为以下两种形式：①拱脚的水平收敛变形；②拱脚的竖向沉降变形。在既有的隧道工程建设中，工程人员高度重视水平收敛变形，并采取针对性的防控措施，易忽视竖向沉降变形，但两者均是隧道工程建设中的重点内容。

值得肯定的是，随着隧道建设事业的发展，技术研究持续深入，工程实践经验愈发丰富，相继有更多前沿的方法被提出、被应用。其中，台阶法颇具代表性，较之于以往的方法，其施工方式更为合理，在维持结构稳定性方面有重要的作用，总体来看该项技术具有安全有效、质量可靠、经济高效等多重优势[1]。

3 台阶法施工技术

三台阶七步法在隧道工程中占据举足轻重的地位，其实施的是机械为主、人工为辅的模式，富有秩序性地开挖[2]。

掌子面用混凝土封闭，对冲沟进行反压回填处理，根据工程要求施作超前管棚和下导管，起到加固的作用；组织超前地质预报，根据掌握的掌子面前方地质条件合理规划后续的工作；上台阶开挖采取环形开挖的方法，适当扩大拱脚，提高稳定性；初期支护设置到位、上台阶施工5 m后及时预留核心土，起到支撑作用；设初期支护，增强稳定性，组织中台阶左侧开挖作业，依然在开挖量达到5 m后预留核心土；设置初期支护，组织下台阶右侧的开挖，进度达到2～3 m后预留核心土；经过前述施工后，开挖下台阶左侧；及时施作初期支护，并密切关注下台阶的开挖进度，待该部分开挖量达到10～20 m时，开始进入仰拱开挖环节，此部分的长度按3 m控制，尽可能缩短暴露于外界的时间，即在开挖后的8 h内予以封闭，随后将钢筋绑扎到位，组织仰拱混凝土浇筑施工；后续及时施作拱墙衬砌。

3.1 上台阶的开挖支护

1)取Φ42 mm、壁厚3.5 mm、长3.55 m的超前小导管，将其打设至拱部120°范围内，外插角5°～10°，环向间距40 mm。

2)上台阶开挖实施机械作业的模式，即利用挖掘机高效开挖，单个循环的长度以0.8～1.0 m为宜；机械开挖后安排施工人员精细化修边，保证开挖质量；此后喷射40 mm厚的混凝土，用此方法有效封闭作业面。

3)混凝土喷射施工后，将系统锚杆打设至指定位置，紧密挂设钢筋网片。系统锚杆按照1 m×1 m的间距有序布设到位；用Φ8 mm的钢筋制作钢筋网片，间距为200 mm×200 mm。

4)钢架以I20a型钢为原材料搭设成型，环向用钢板螺栓进行连接处理，以保证稳定性，纵向则用Φ42 mm钢管连接。在设置超前小导管时，以焊接的方法将其尾端稳定连接在钢架上[3]。

5)钢架成型后施作锁脚锚管，材料选用的是长度为4 m的Φ42 mm钢管。

6)待锚杆、钢筋网、钢架设置到位后喷射C25混凝土。经过上台阶的施工后，构成稳定可靠的承载拱。

3.2 中台阶左侧和下台阶右侧边墙开挖支护

1)随着施工进程的推进，上台阶超前中台阶3～5 m后，以交错开挖的方式施工中台阶左侧和下台阶右侧，单次开挖量为1～2榀，确保左右两侧暴露的初支结构有足够的稳定性(即不可同时处于悬空状态，否则稳定性难以得到保证)。中台阶开挖高度约为4.5 m，为保证开挖安全和开挖质量，分上、下两次有序开挖，期间由施工人员适时修边。此后继续中台阶下部的开挖作业。

2)中台阶的下部修边工作落实到位后喷射混凝土，厚度控制在40 mm，采取此方法尽快封闭作业面。随后将系统锚杆打设到位，挂设钢筋网片。

3)及时安装拱架，复喷混凝土。

3.3 仰拱开挖支护

下台阶开挖量达到25 m时进行仰拱开挖，此部分分两次完成，单次开挖长度按3 m控制，随后再于仰拱处设置初期支护结构[4]；合理协调工序，尽快浇筑仰拱混凝土，成型后将仰拱栈桥搭设成型；经过前述施工后继续开挖掌子面。

3.4 核心土的开挖

核心土是台阶法施工中的重点部分，合理预留核心土后可起到反压的作用，以便后续施工的顺利进行。进入上台阶开挖环节时同步挖除核心土。靠前一侧的中台阶需跟到上台阶核心土的尾部，全程协同推进；上台阶核心土和对应台阶的土体可被同步挖除，经此环节的施工后喷锚网支护。各台阶施工时均要先开挖两侧拱脚，随后方可挖除核心土，若由于现场条件限制或其他原因而导致中、下台阶不得不挖除核心土，出于安全层面的考虑，需确保拱架底部有1 m或更多的部分得到土体反压覆盖处理。严格控制各台阶的开挖长度，不宜过大，否则不利于支护工作的顺利开展，也会对工序循环秩序造成不良影响。对于喷射混凝土，需使用到喷锚料，此类材料可将其临时堆放在中台阶中部的平台处。

3.5 监控量测

开挖施工的复杂度较高、隐蔽性较强，需要密切关注围岩的实际状态和支护结构的稳定性，以保证开挖作业的顺利开展。除了提供有关隧道的信息资料外，还需要立足于实际情况，及时做好地质超前预报工作，同时以科学的方法加强监控量测，用实测数据指导工作的开展。集多重信息于一体，动态化调整支护结构的参数，营造良好的施工环境[5]。此外，准确计算量测数据，及时反馈，形成畅通的信息沟通机制，做到及时发现问题、尽快处理问题，保证结构稳定和施工安全。在地质信息的收集方面可采用超前地质预报的方法。

3.6 三台阶七步法施工注意事项

工程实践经验表明，三台阶七步法如果充分应用到大型机械设备，可提高施工效率。但在大断面隧道施工中，由于现场环境的复杂性，需要高度重视各项细节，以保证三台阶七步法的合理应用。

1)合理控制台阶的长度至关重要，合适长度的台阶能够为机械设备的高效运行创设良好的条件，也有利于提升大断面隧道的安全性。在实际施工中，需紧密结合现场地质条件，灵活控制台阶的长度，例如遇到地质条件较差的施工环境时，较为可行的方法是尽量缩短台阶的长度。

2)在三台阶七步法施工中，变形控制主要依赖隧道两侧的拱脚而实现，因此为了保证隧道的稳定性(最大限度减小变形量)，则需要充分考虑拱脚的稳定性，以可行的方法尽可能提高其稳定性。为此，可采取增设锁脚锚杆的方法，将该构件插向拱脚的斜下方，切实发挥出拱脚的承载力优势。

3)大断面围岩变形的预留初始值相对较大，在实际施工中需要紧扣具体的环境，客观分析变形量，富有针对性地做出调整，做好此方面的工作后能够为后期衬砌混凝土施工创设良好的条件，以免出现超方问题。

4)大断面围岩的完整性欠佳，以破碎状为主，易失稳，施工时需要以可行的方法阻止地表水下渗，否则在水的侵蚀作用下土体的自重有所增加，此时隧道支护变形量较大，不利于正常施工。不仅于此，针对大断面软弱围岩的裂隙水，需联合应用排、堵、防多重方法，有效疏导。

4 钻爆设计

4.1 装药结构

1)周边眼。合理选择装药结构，有效控制装药量，尽可能保证炸药孔深的均匀分布，以免围岩遭到扰动。为此，可采取不耦合装药结构，炸药选用Φ22 mm的2号抗水炸药，不耦合系数控制在1.4～2.0。

2)其他眼。包含底板眼、掘进眼、掏槽眼等，较为适宜的是采用Φ32 mm的药卷，并且需要选择连续装药结构。

3)起爆顺序。为了保证爆破开挖效果并减小不良扰动作用，将底板眼分为两段分开起爆。总体上，按照掏槽眼→掘进眼→二台眼→内圈眼→底板眼→周边眼的顺序起爆。

4.2 爆破作业

1)测量放线。由专员合理操作全站仪，结合工程要求测放出各炮眼的具体位置。在距离开挖面50 m处埋设中线桩，按照100 m的间隔依次设置临时水准点。为了保证爆破效果，每次测量放线时均详细检查上一次爆破情况，针对施工期间记录的数据展开分析，动态修正爆破参数。

2)钻孔。以测量放线结果为准在指定位置钻孔，未经许可不得随意改动位置，亦不可随意调整炮孔的数量。钻孔采用的是定位凿岩台车，安排该设备就位，调整好台车钻杆的姿态，以便顺利钻进。

5 施工质量问题的防控措施

1)于软弱围岩地段开挖时，为保证施工安全，需要严格控制开挖循环进尺，以上、下台阶为例，前者以1榀钢架间距为宜，后者不大于2榀钢架间距。此外，遵循“先护后挖”的原则，用适量的超前小导管增强支护效果。爆破时不可避免存在扰动作用，为此可采取弱爆破技术，对于埋深较浅的施工地段，还需充分考虑到周边地面建筑物的防护要求，尽可能减小爆破对周边环境造成的不良影响。

2)施工期间加强监测，以此及时掌握现场施工情况，进而根据信息展开分析，明确结构稳定程度、围岩应力等情况，以便更为合理地施工。此外，基于已掌握的现场信息制定风险应急预案，以备不时之需。若现场存在异常状况则及时做出响应，尽快发现问题并予以处理，使隧道施工恢复正常状态。

3)在拆除临时支护时需要加强现场监控，判断是否会对后续的施工造成影响。此外，注重对施工工序的协调，及时跟进仰拱和二衬施工。对于临时支护混凝土的拆除需要加强防护，不可因为此项工作的开展而导致初支结构受到扰动性影响。

4)围岩变形现象的出现将加剧现场施工安全隐患，不利于正常施工，为此，在施工中需注意：①遵循“短进尺、弱爆破、强支护、勤量测、早封闭”的基本原则；②检测上台阶喷射混凝土的强度，实测值达到设计值的70%后才具备开挖下台阶的条件；③可根据现场情况，以分左、右两部分错开开挖的方式施工下台阶，且及时采取支护措施；④根据现场围岩等级，灵活控制仰拱与掌子面的距离，例如：Ⅲ级围岩≤90 m、Ⅳ级围岩≤50 m、V级围岩≤40 m。

6 结束语

大断面软弱围岩隧道的施工条件特殊，质量要求较高，通过三台阶七步法的应用可取得良好的应用效果，能够实现施工安全、质量可靠、经济高效的目的，由此说明三台阶七步法具有可行性。在类似的隧道工程中，工程人员需从现场地质、水文等基础条件出发，制定具有可行性的三台阶七步法开挖施工方案，再根据特定的流程有条理地开展施工，保证隧道施工质量。

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