三台阶法在城市超大断面软弱围岩隧道中的运用

■陈仙华

（中铁十七局第六工程有限公司，福州 350014）

1 工程概况

厦门市成功大道一期工程由3750m 的梧村山隧道、2980m 的万石山隧道和钟鼓山立交隧道组成，主线隧道为双向六车道，行车限界13.5m×5m，梧村山隧道由北向南依次由明挖框架、双联拱、小净距、分离式隧道组成，为避免拆迁，纵断面调整为类似海底隧道的凹曲线型，其中出口段近400m 为浅埋，洞顶埋深在6m～40m，属分离式隧道，开挖跨度16.2m，高度11m，在距出口275m 处（K9+910～860 段）覆盖层仅6～10m，洞身围岩均为砂性土，并伴有裂隙水，地表分布有大型球状孤石。万石山隧道围岩变化多端，不间断分布有软弱带及破碎带,隧道埋深在20m～100m 之间。

2 工程地质条件

2.1 地质构造及地层岩性

隧址区地层结构较简单，覆盖层较簿，据地面调查及钻探揭露，除表层部分地段分布有少量种植土及第四系残坡积层外，主要由燕山晚期花岗岩(γ53(1))b)的不同风化层构成。外围主要受三条断裂带控制，受其影响，区内构造运动主要表现为以断块差异升降运动为主，断裂、裂隙走向主要呈NNE 向、高角度产出，并伴随较多的闪长岩脉侵入，晚更新世以来运动逐渐减弱，形成了本区以剥蚀作用为主的地质环境。受后期弱构造运动的作用，本场区沿北东向断裂带侵入一系列宽厚大小不等的辉绿岩、闪长玢岩等中性、中酸性岩脉。

2.2 水文地质条件

隧址区内地下水主要赋存和运移于强风化带及构造破碎带的裂隙中。地下水类型为潜水，主要接受大气降水的下渗及相邻含水层的侧向渗透补给，受地形、地貌影响变化较大，勘察期间测得各钻孔混合地下水位埋深（3.1～8.75）m，水位标高（28.09～51.75）m，根据区域水文地质资料，预计地下水位年变化幅度约（5～8）m。由于隧道洞身主要受力区位于微、弱风化花岗岩中，故洞内地下水主要来自与隧道相交的构造裂隙破碎带，受构造控制明显。本隧道以压扭性断层为主，构造裂隙多呈闭合状，间隙小，透水、储水性能较差，因此地下水量总体不大，但也不排除局部断裂带较宽、富水性相对较好的可能性。根据地区工作经验，洞内弱风化花岗岩一般呈淋湿状态，有渗透水、滴水现象，断裂带偶有成股水流涌出，局部水量较大。

2.3 不良地质

梧村山隧道出口段近400m 为Ⅳ、Ⅴ级围岩，覆盖层仅6m～40m，其中K9+910～850 段覆盖层仅6m～10m，属超浅埋隧道，洞身围岩为砂性土，并不同程度发育有球状孤石，同时洞顶距中线40m 还有一幢5 层砖混办公楼。万石山隧道间断性分布有断层破碎带。

3 隧道内轮廓断面确定

本隧道以建筑限界为基础,充分考虑衬砌结构的受力特性、工程造价、装饰厚度及富余空间、运营设施的安装空间等因素，采用受力条件好、断面利用率高的三心圆断面，拱部半径7.55m，曲墙半径为5.55m,净空面积为88.04m2。隧道单洞净宽13.92m，其中行车道宽度为3.75m×2＋3m，路缘带宽度0.5m×2，检修道宽度0.75m，净高7.77m，限高5m。详见图1。

图1 隧道净空断面

4 衬砌结构设计参数

梧村山隧道为三车道隧道（图2），最大开挖宽度16.2m，最大开挖高度为11.02m（含仰拱），最大开挖断面积为144.25m2，由于该隧道出口段有近400m 的超浅埋段，地质条件相对比较复杂，根据隧道所处的地质条件，按照新奥法原理进行设计，采用复合式衬砌，其支护参数按照工程类比，并结合有限元数值分析确定。

图2 三车道隧道II 类围岩段衬砌断面图

隧道初期支护以喷射砼、锚杆、钢筋网为主要支护手段，二次衬砌采用C25 素混凝土或C25 钢筋混凝土。洞口加强段、断层破碎带、局部软弱带采用Φ42 小导管预注浆作为超前预支护措施。隧道各类围岩支护衬砌参数详见表1。

表1 隧道衬砌支护参数表

5 隧道开挖方案选择

大跨度软弱围岩隧道的施工方法，主要有台阶法和双侧壁导坑法、中隔墙法等。但在工程实践中，发现双侧壁导坑法和中隔墙法存在以下缺点：一是限制了大型施工机械的使用，降低了工效；二是在软硬围岩相间的隧道施工中，施工方法的调整时间很长；三是临时施工支护多，投入大，不经济；四是施工中相互干扰大。鉴于上述情况，结合本工程的实际地质，梧村山隧道出口400m 的浅埋软弱围岩段采用三台阶七步平行流水法进行施工。

5.1 工艺原理

采用三层短台阶，分步平行开挖，分步平行施作拱墙初期支护，混凝土仰拱超前施作及时封闭，构成稳固的初期支护体系，保护围岩的天然承载力，有效抑制围岩变位，经量测监控信息化反馈指导施工，及时调整支护参数和混凝土衬砌施作时间。

在断层带、破碎带等自稳性较差的地层和富水地层中，采取大管棚、小导管预注浆固结、止水等辅助施工措施后，上部弧形导坑法短台阶开挖施作拱部初期支护，再左右错开开挖及施作边墙初期支护；混凝土仰拱紧跟下台阶并及时施作尽早闭合形成支护体系受力。

5.2 技术特点

(1)施工空间大，可以引进大型施工机械多作业面平行施工，工效高；部分软岩地段可以采用挖掘机直接开挖下半断面，减少围岩扰动。

(2)在地质复杂结构复杂多变、软硬岩相间的隧道施工中，便于灵活地调整施工方法，进度稳定，工期保障性强。

(3)能适应不同跨度和多种断面型式，没有需拆除的临时支护，节省投资。

(4)爆破施工可以分成多个作业面进行，将集中爆破化为分散爆破，既减少对围岩的扰动，又充分利用了时间空间，还增加了爆破临空面，降低了炸药消耗。

(5)混凝土仰拱超前施作，便于初期支护及早封闭成环承载，且改变了洞内作业、运输环境。

(6)无需投入特殊设备，投入少，操作性强，易推广。

6 施工工艺

6.1 开挖

对隧道周边围岩预加固后进行分部平行开挖。

Ⅴ级围岩和断层破碎带采用三台阶分步平行开挖法，施工顺序见图3。上台阶采用风镐开挖，预留核心土，台阶高度控制在2.5m 以内，便于拱部拱架安装，中台阶和下台阶及仰拱采用挖掘机开挖、装碴，每循环进尺一般控制在0.5m～1.2m 之间为宜，台阶高度以3m为宜，上台阶和中台阶距离控制在5m，中台阶和下台阶距离控制在10m。

Ⅳ级围岩采用两台阶法平行开挖，遵循“弱爆破、短开挖”的原则，采用光面爆破和预裂光爆层微振动控制爆破技术开挖上半断面，以减少对围岩的扰动。炮眼深度一般控制在1.5m～2.0m 之间。

6.2 初期支护施工

初期支护是由锚杆、钢筋网、钢架和喷射砼组成的一种联合受力结构。为保护围岩的天然承载力，初期支护要尽快施作。

（1）初喷混凝土封闭岩面。开挖完成并经人工修整无欠挖后，尽早对岩面进行初喷。先将凹洼部分找平，喷射砼表面应大面平整并略呈湿润光泽，无干斑或滑移流淌现象。

图3 三台阶七步平行流水作业法施工步骤图

（2）施作系统锚杆，挂设钢筋网。锚杆为全长粘结型砂浆锚杆，杆体为Φ22mm 的20MnSi 螺纹钢筋，长度4m，间距0.8m，梅花形布置，径向施作。各台阶初期支护连接处左右两侧均需设不少于两根锁脚锚杆，确保初期支护不失稳。为确保锚杆施作质量，有条件时，锁脚锚杆应尽量采用注浆小导管并再插入一根Φ22 螺纹钢增大锁脚小导管的刚度。

钢筋网由Φ8 的钢筋焊接而成，网格间距为15cm，钢筋网应随受喷面的起伏铺设，并与锚杆连接牢固。

6.3 安装钢架

钢架是软弱围岩中初期支护的重要组成部分，应严格按照设计要求加工制作和架设。施工时，要特别重视钢架落脚位置地基，必须落在原状土上，并用20＃槽钢垫起。钢架应垂直隧道中线，严格按照施工规范控制，否则三个台阶形成后，会造成钢架扭曲。钢架连接接头要牢固。拱脚部位易发生塑性剪切破坏，故接头的角钢连接板要焊接牢靠。为增强钢架的整体稳定性，应将钢架与纵向连接筋、结构锚杆、定位系筋和锁脚锚杆焊接牢固。

6.4 施作拱部超前支护和二次衬砌喷射砼

拱部按照设计技术参数施作下一循环超前支护，并把该支护的尾端焊接在钢架上。而后分层喷射砼，每层厚度在5cm～6cm，钢架保护层不小于2cm，整个喷射砼表面要平顺。

6.5 监控量测、修正支护参数

严格按照设计要求进行拱顶下沉和周边收敛位移量测，通过监控量测的信息反馈，及时调整支护参数，以保证结构的安全。监控量测项目及频率如表2 所示。

监控量测中应注意：

表2 监控量测项目及频率表

（1）为取得开挖后围岩早期状态变化数据，各项测点应尽量靠近开挖 面布置（不大于2m），在爆破后24h 内或下次爆破前，读取初次读数。

(2)周边收敛、拱顶下沉和地表下沉各项测点应尽量集中断面布置，以便量测成果的协调分析、综合运用。

6.6 仰拱施工

在拱墙初期支护完成后，要及时左右错位跳挖仰拱，安装仰拱钢筋，进行仰拱混凝土浇注施工，使初期支护尽早封闭成环。构成稳定的初期支护体系。并为运输创造良好的环境。

6.7 混凝土衬砌

采用可调式防水板作业台车施作防水层，铺设时要采用无钉孔工艺，并视初期支护的平整情况，将防水板预留一定的富余量，防止过紧而被混凝土挤破。混凝土衬砌采用全断面液压钢模衬砌台车，泵送混凝土灌注。采用商品砼，输送车运输。浇注时左右对称灌注，防止台车偏移。

7 K9+910～850 超浅埋段施工

K9+910～850 段覆盖层仅6m～10m，属超浅埋隧道，洞身围岩为砂性土，并不同程度发育有球状孤石，同时洞顶右侧距中线40m 还有一幢5 层砖混办公楼。施工中采取了超前大管棚预注浆和爆破监测等措施。

管棚采用φ108mm×6mm 无缝钢管，每循环长度20m，共设3 循环，管棚倾角控制在7.5°以内，拱部120°范围打设，管棚间距40cm，每循环搭接长度约3m，为了使管棚打设有足够的空间，在管棚打设处2m范围初期支护净空需要加宽50cm。管棚打设完毕后，再采取三台阶七步平行流水法施工。

由于洞顶上方右侧距洞身轴线约40m 有一幢5 层砖混办公楼，爆破施工时，委托专业爆破监测单位对办公楼进行了严密的监测，按照1.0cm/s 的振动速度进行控制，实测出最大允许段药量为6kg。

通过采取上述措施，顺利安全地通过K9+910～850超浅埋段。

8 结束语

（1）三台阶七步平行流水开挖法施工浅埋大跨软弱围岩隧道非常实用，能够有效保证大跨隧道拱部的施工安全。

（2）灵活的开挖与支护手段及相应的技术措施适应了地质变化，可以在多种开挖法中变化过渡，真正做到“岩变我变”，有效保证了隧道施工安全。这在万石山间断性软弱围岩中特别适用，极大地减少了工序转换所带来的机械设备及人员等资源配置。

（3）与双侧壁导坑法相比，可节省大量的临时支护费用，减少投资，每延米节约近5000 元。