三臺階七步開挖法在隧道進洞施工中的應用

第第頁三臺階七步開挖法在隧道進洞施工中的應用【摘要】以潮（州）惠（州）高速公路蓮花山2號隧道為背景，結合工程現(xiàn)場實際，對隧道開挖后的圍巖判斷及監(jiān)控量測情況，通過輔助施工措施及監(jiān)控手段對原設計的施工方法進行改進，從而達到節(jié)約成本加快進度的目的，并總結經驗指導現(xiàn)場施工。

【關鍵詞】隧道；大跨徑；三臺階；施工方法；應用

隨著我國高速公路建設，山嶺區(qū)的隧道凈寬和凈高也在加大，這給隧道施工帶來了新的難點，如何快速安全建設大跨徑隧道進洞成為隧道工作者孜孜以求的追求目標。三臺階七步開挖法以新奧法為理論指導，以機械技術和信息技術為依托，通過多種輔助施工措施，充分利用核心土的反壓作用，通過超前地質預報和監(jiān)控量測科學地指導施工，在大跨徑隧道施工中成功的應用。

1項目背景

1.1工程概述

蓮花山2號隧道設計為雙向六車道特長隧道，左右線分離布設，進口里程K200+337（ZK200+365）；出口里程K200+445（ZK205+505），隧道雙線全長10248m（左線長5140m，右線長5108m）。主洞最大開挖跨度為17.65m，最大開挖面積為169.2m2。進洞初期主要以Ⅴ級圍巖為主，原設計采用雙側壁導坑法進洞。

隧道區(qū)屬新華夏系東亞第二個隆起褶皺帶南段粵東沿海地區(qū)與南嶺東西復雜構造帶南緣交接復合部位。區(qū)內各類構造橫斜展露，形跡較為明顯。主要發(fā)育北東向構造形跡，北東向斷裂帶控制地形地貌，是隆起和拗陷的分界線。隧道區(qū)地表水不發(fā)育，隧址區(qū)未見湖泊、水庫等大型地表水體發(fā)育，僅沖溝地段雨季雨水匯集可產生的暫時性水流，蓮花山2號隧道主要發(fā)育有12條季節(jié)性溪流，溝面寬約1.0～3.8m，勘察期間水面寬約0.2～1.2m，水深0.2～0.4m最大洪水水位約0.3～1.5m。水位暴漲暴落。雨水下滲為地下水主要補給來源。

1.2工程地質及水文條件

該隧道區(qū)屬丘陵地貌，地形起伏較大。隧道范圍內中線高程118m～695m，最大高差578m。山體自然坡度20°～35°，植被較發(fā)育。進、出口均處于山前斜坡地帶，山坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。隧道區(qū)潮州端洞口附近僅有狹窄山路通過，惠州端洞口有簡易道路通過，交通條件較差。出口右洞進洞初期圍巖主要粉質黏土、強風化熔結凝灰?guī)r及中風化熔結凝灰?guī)r。粉質黏土受雨水浸泡易軟化，抗雨水沖刷能力差，強風化熔結凝灰?guī)r大部分破壞，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體呈碎裂結構，巖質較軟，巖體破碎，自穩(wěn)能力差。

2施工工法選擇

2.1超前地質預報

隧道進洞施工前，首先對隧道進行超前地質預報，采用地質雷達及超前水平鉆孔等手段，及時掌握掌子面地質情況，為制定相應的控制措施提供依據。

（1）掌子面情況：根據揭露的圍巖判斷：掌子面大部分為中風化為熔結凝灰?guī)r，局部夾強風化熔結凝灰?guī)r，圍巖節(jié)理發(fā)育，巖石為塊狀結構、堅硬，根據已開挖的邊仰坡情況，圍巖穩(wěn)定性較好。因洞口段處于沖溝地段，掌子面中部有較多裂隙水。另根據超前水平鉆孔取芯情況也可看出，圍巖總體上整體性較好，強度較高。掌子面基本情況如圖1所示。

（2）雷達數(shù)據分析：根據雷達的現(xiàn)場測試數(shù)據，采用RADAN雷達處理分析系統(tǒng)軟件進行分析，經過濾波、增益及其他工具的處理，得到掌子面前方雷達波形如圖2所示。

根據地質雷達數(shù)據分析，蓮花山2號隧道出口右洞K205+430～K205+427段存在破碎小夾層，K205+410～K205+407段局部電磁波傳播頻率有所降低，推斷該段圍巖局部整體性有所變差，但總體上圍巖整體性較好。

2.2方案對比與選擇

2.2.1施工方法的綜合比較

（1）雙側壁導坑法適用于Ⅴ級圍巖淺埋及軟質巖段，其精義在于化大斷面為若干小斷面開挖，能夠做到及時封閉、安全可靠，因需要拆除臨時支護，更適合于土質隧道，對于土石混合需要弱爆破的Ⅳ、Ⅴ級山嶺隧道并不十分適用。

（2）三臺階七步法開挖法是在臺階法和環(huán)形開挖法綜合的基礎上發(fā)展起來的，兼容了二者的優(yōu)點，通過預留核心土對掌子面提供反壓作用，且又可作為支護的作業(yè)平臺，不需要專門臺架，對防止邊墻局部坍塌更有利。

施工方法綜合比較見表1。

2.2.2結論及建議

超前地質預報段落未見不良地質體，總體上圍巖整體性較好，巖石主要為中風化，較堅硬，含裂隙水，圍巖工程地質條件比設計的Ⅴ級稍好。

因掌子面前方28m范圍內圍巖整體性較好，巖石堅硬，自穩(wěn)性好，考慮如果開挖斷面小則爆破的夾制性較大，因此，在考慮施工方案時建議適當加大開挖斷面，以提高爆破效果；另一方面，由于掌子面左側仰坡較高，施工時必須注意鎖腳錨桿質量及超挖回填質量，確保左側山體穩(wěn)定。

在施工過程中，施工單位考慮到自身施工工班比較熟悉三臺階施工工法，且該工法比較成熟，經過業(yè)主單位、監(jiān)理單位、設計院及施工單位四方會審，將原設計雙側壁導坑法變更為三臺階七步開挖法，但要求加強監(jiān)控量測，做好應急預案。

3進洞施工工藝

3.1洞口邊仰坡及排水系統(tǒng)處理

洞口邊仰坡開挖前，在洞口邊仰坡開口線范圍以外5m砌筑截水溝，并保證水溝截面符合設計要求。

根據洞口邊仰坡坡率、平臺寬度、明暗洞交界點、邊仰坡起坡點設計高程及寬度，同時結合現(xiàn)場地形情況，進行洞口邊、仰坡開口測量放樣，開挖時應隨時檢查邊坡和仰坡坡率和坡體穩(wěn)定。

3.2長管棚施作

超前長管棚采用節(jié)長3m、6mФ108×6mm無縫鋼管，環(huán)向間距40cm，絲扣連接。鋼管設置于襯砌拱部，洞口段縱向設置2m套拱，厚70cm，套拱內預埋Ф133×4mm導向管。長管棚沿隧道縱向同一橫斷面內接頭數(shù)不大于50%。

3.3三臺階七步開挖法施工工藝

三臺階七步開挖法分上臺階、中臺階內側、中臺階外側、下臺階內側、下臺階外側、隧底等三個臺階六個工作面，前后六個不同的位置相互交錯開挖，分部支護，平行推進。

3.3.1施工步序

①利用上循環(huán)架立鋼架施做超前支護，弱爆破分部開挖1部，同時每循環(huán)進尺一次，分部施做1部周邊初期支護，開挖核心土；②滯后1部一段距離弱爆破左右交錯開挖2、3部，施作初期支護，開挖核心土；③滯后3部一段距離弱爆破左右交錯開挖4、5部，施做初期支護，開挖核心土；④開挖7部，及時封閉初期支護；⑤灌筑該段內Ⅷ部仰拱及隧底填充（仰拱及隧底填充應分次施做）；⑥根據監(jiān)控量測資料，待初期支護收斂后，一次性灌筑Ⅸ部二次襯砌（拱墻襯砌一次施作）。三臺階七步開挖步序如圖3所示。

3.3.2洞身開挖

采用挖掘機開挖，人工配合整修，挖掘機配合裝載機出渣，無軌運輸出渣，開挖高度上臺階4.02m，中臺階3.49m，下臺階3.10m；按照下臺階滯后中臺階5m，中臺階滯后上臺階5m，隧道滯后上臺階20m，內側臺階滯后外側臺階3m，在各臺階分部開挖后及時施作初期支護。三臺階七步開挖法立體效果如圖4所示。

3.3.3初期支護

（1）在拱部超前支護施工完畢后，對上臺階用挖機進行開挖。

（2）人工對開挖面進行整修、初噴，把上臺階內外側兩個工作面進行初步開挖。

（3）對上臺階進行拱架的支立，進行上臺階錨桿、小導管施工，鋪設鋼筋網片、噴射砼。在開挖下臺階內外側，并對中臺階開挖面進行人工修整。

（4）中臺階內外初噴立鋼拱架、掛網、下臺階外側修整初噴、立架。

（5）中、下臺階4個工作面噴砼。

設計初期支護主要參數(shù)見表2。

3.3.4開挖及初期支護注意事項

（1）如上臺階掌子面遇到富水及穩(wěn)定性較差的圍巖，上臺階預留核心土高度2.14m，寬度為4m，長度3m。核心土面積不少于上臺階開挖面的50%，以防止掌子面坍塌。

（2）上中臺階的長度控制在5m以內，下臺階控制在20m以內，中下臺階內外側錯開開挖，隧道底開挖機初期支護及時施作，緊跟掌子面，間距控制在40m以內，開挖采用仰拱棧橋配合施工。

（3）開挖進尺按照循環(huán)控制，及時做好拱架鎖腳錨桿及初期支護，拱架落地處挖機、人工配合開挖，嚴禁超挖，確保底部牢固。

（4）過程中應加強監(jiān)控量測，及時成環(huán)封閉圍巖，監(jiān)控數(shù)據異常時，停止臺階開挖進行隨底開挖，使初支仰拱封閉成環(huán)。

3.4仰拱施工

待初期支護收斂穩(wěn)定后，仰拱開挖至設計標高，及時灌注邊墻基礎、仰拱及仰拱回填混凝土。仰拱混凝土超前二次襯砌混凝土的距離保持3倍以上襯砌循環(huán)作業(yè)的長度。

3.5二次襯砌施工

在仰拱和回填完成后，開始二次襯砌施工，按照設計要求施作防水層和其他排水措施，同時做好各種預埋件及預留洞室的安裝，利用襯砌模板臺車一次性灌注襯砌混凝土。

3.6監(jiān)控量測

根據隧道的工程地質條件、圍巖類別、圍巖應力分布情況、隧道跨度、埋深、開挖方法及支護類型等因素確定地表沉降觀測、拱頂下沉量測、周邊收斂量測為蓮花山2號隧道的監(jiān)控量測項目。

3.6.1地表下沉量測

地表下沉量測，每個斷面上測線與隧道中心線垂直，埋設測點時中心監(jiān)測點設在隧道軸線的地表位置，其他監(jiān)測點沿中心線對稱布置，測點間距由中心監(jiān)測點開始至距離地表隧道軸線最遠一點由密至疏布置，具體距離按2～5m布置，寬度范圍為：W=B（開挖寬度）+H/2（兩側埋深的一半）。

3.6.2拱頂下沉量測

拱頂下沉量測數(shù)據，主要用于確認圍巖的穩(wěn)定性。測點布設方法是在拱頂中心位置，常與周邊量測點布設在一起，即布在主量測斷面。用鑿巖機鉆孔，然后將錨固劑置入孔中，最后將收斂預埋件敲入，旋正收斂鉤，以利收斂計懸掛和量測。待凝固后，拱頂下沉量測采用收斂計進行數(shù)據采集。

3.6.3周邊收斂量測

周邊收斂量測，在預設點的斷面，隧道開挖爆破以后，沿隧道周邊的拱頂、拱腰和邊墻部位分別埋設測樁。測樁埋設深（下轉第189頁）（上接第94頁）度30cm，鉆孔直徑Ф42，用錨固劑固定，測樁頭需設保護罩，測樁每斷面6組，共12根。采用鋼尺式周邊收斂儀量測周邊收斂變形。所有測點布置在量測斷面位置。

4幾點體會

（1）與雙側壁導坑開挖法相比，三臺階七步開挖法能夠充分利用大型挖裝設備，施工工效成倍提高，節(jié)約臨時支護費用，取得了良好的社會和經濟效益。

（2）隧道洞口段埋深較淺，地質較差，巖層較破碎，易風化，節(jié)理發(fā)育，巖層穩(wěn)定性差，在遵循“早進洞、晚出洞”的原則下，先護后挖，及時襯砌穩(wěn)住洞口，不能貿然前挖，必須將洞口襯砌形成簡支梁后才能按三臺階七步開挖法逐步推進。

（3）由于隧道地質的千變萬化，三臺階七步開挖法在軟巖大跨徑隧道中應用，需要始終繃緊安全弦，牢記施工準則，消除僥幸思想，以科學為指導，才能確保施工安全。

5結語

蓮花山2號隧道出口V級圍巖改三臺階施工工法后，在施工過程中嚴格按照上述施工步驟施工，隧道開挖進展順利。事實證明，在三車道大斷面V級圍