大拱脚台阶法施工技术在隧道软弱围岩施工中的应用

谢伟

【摘要】隧道工程建设中，软弱围岩隧道要穿越节理发育、围岩完整性差、围岩破碎的复杂地质，针对这一问题，在经过隧道建设者们长期的施工实践和不断总结后，形成了大拱脚台阶法这一施工技术，保证了隧道工程质量和安全。文章对大拱脚台阶法工艺流程、施工工艺、操作要点、施工质量控制要求进行了较为详细的阐述，以期为工程实践提供借鉴。

【关键词】软弱围岩隧道；大拱脚台阶法；施工技术

1.前言

近年来，国家加大了交通基础设施建设，特大长隧道、软弱围岩断面的隧道相继出在山岭地区现，特别是对于隧道Ⅴ、Ⅳ级围岩来说，施工难度大，而以往采用的传统矿山法中的三台阶法、预留核心土法难以满足施工安全要求，而CD法、CRD法又因施工复杂、速度慢常常无法满足施工进度要求。因此，我们需要研究出一种适用于软弱围岩隧道施工的施工工艺，即要求工艺成熟、又要便于操作，来满足隧道施工的需要。大拱脚台阶法在大断面软弱围岩隧道上的成功应用，这种技术也在实践中不断完善，给隧道工程建设带来了较好的经济效益和社会效益。神华集团的大准铁路增二线井沟1#隧道，全长465m，为双线隧道，隧道围岩主要为Ⅳ、Ⅴ级泥灰岩、新黄土，弱膨胀性，自稳性极差，对新黄土及泥灰岩地段采用了大拱脚台阶法施工，顺利、快速通过了该段软弱围岩地段。

2.大拱脚台阶法概述

2.1 工艺原理

大拱脚台阶法是将隧道开挖支护作业面分为6个阶段施工同时施工、同时支护形成稳固支护整体，逐步向前掘进的施工工艺。这种施工工艺的基本原理是将三台阶施工法的进一步优化，并借鉴了部分预留核心土的施工原理，符合隧道新奥法施工对围岩变形控制的原理。大拱脚台阶法施工可以减少三台阶分步开挖的次数，能及时将初期支护封闭，同时因为拱部及时成环，使边墙初期支护能尽早完成，利于控制变形，提高了施工过程中的安全性。针对隧道软弱围岩承载力不足，大拱脚的精髓就是可通过扩大台阶钢架拱脚的受力面积措施来增大承载力。

采用MIDAS 软件计算对井沟1#隧道新黄土地质进行受力验算，新黄土采用密度15.2KN/m3，弹性模量e=1.03+e5，泊松比0.3；模型建立采用上部开挖、初期支护硬化后计算钢架底部受力。因为当上部开挖支护后进行下部开挖时最容易发生塌方，此时采用采用大拱脚进行对钢架底部加固，防止塌方。应力如图1所示，通过软件计算结果可知，上拱钢架底部受力最大，左侧约102KN，右侧约99KN，如不采取加固措施，在下台阶开挖时上拱部初期支护极易变形、坍塌。

图1 隧道拱部受力图

2.2工艺优势

（1）快速便捷。与其他开挖方法相比，大拱脚台阶法可以使各个作业面平行作业，避免了预留核心土操作空间小，开挖慢的缺陷。不需要临时支护，满足机械化施工的要求。

（2）适应性高。如出现软硬围岩变化、围岩结构复杂多变等情况时，可以较为迅速的转换为CD法或CRD法等其他工法进行施工。

（3）更安全。大拱脚台阶法没有临时支撑或支护，与CD法或CRD法对比，避免了拆除临时支护的安全隐患，有效降低了风险。

（4）节约成本。与传统施工方法相比，大拱脚施工方法的材料、设备均为隧道施工常用材料、设备，便于采购，成本低廉，这样大大节约了施工成本。

（5）工效快。由于大拱脚台阶法平行作业，使前期作业时间提前，加快了施工进度，缩短施工时间。

2.3工艺适用范围

（1）一般适用于Ⅳ、Ⅴ级软弱围岩大断面隧道、浅埋以及深埋的地质情况较好的大断面隧道。

（2）另外对于低风险、低浓度瓦斯隧道， 也可应用。

3.大拱脚台阶法开挖工序说明

隧道开挖分步工艺见图2。

（1）利用上一循环架立的钢架，施作隧道拱部?42mm超前小导管，小导管长3.5m，重叠2m，然后在拱部超前支护后进行上部弧形导坑的环形开挖，预留长度为3～5m，宽度为隧道开挖宽度的1/3到1/2之间的核心土。开挖后立即施作上部初期支护，具体做法：先喷射4cm厚的混凝土，上面挂钢筋网，并架设钢架，然后人工开挖施作大拱脚系统支护，同时注意在钢架两侧边沿45度倾角设锁脚锚杆，将锁脚锚杆与钢架焊牢，施工置径向锚杆后再次喷射混凝土至设计厚度。开挖循环进尺为一榀钢架，间距0.8m。

（2）在滞后部位约3～5 m后，进行左侧部中台阶的开挖。开挖高度一般为3.5～4m，按初期支护钢架间距确定。开挖后立即施作下部初期支护，具体做法同上部初期支护的施作。

（3）在滞后部位约2～3m后，进行右侧部中台阶的开挖，右侧部中台阶的开挖支护方式同左侧部中台阶。

（4）见图2，开挖上台阶④部位、中台阶⑤部位，在滞后部位约3～4m后，依次进行上台阶④部位、中台阶⑤部位的开挖，开挖进尺与台阶循环进尺一致。

（5）见图2，开挖隧底⑥部位，在滯后⑤部位约4～5m后，开挖⑥部位剩余部分，开挖后先喷4cm厚混凝土，安装仰拱钢架，将仰拱钢架与左右侧落地钢架连接牢固，再次喷混凝土至设计厚度。为了不影响车辆进出，应及时施作仰拱并进行仰拱回填，仰拱分段开挖长度一般3榀拱架。

（a）大拱脚台阶法施工工序横断面

（b）大拱脚台阶法施工工序纵断面

图2 大拱脚台阶法开挖分步工艺

大拱脚台阶法初期支护施工工艺流程见图3

图3 大拱脚台阶法初期支护施工工艺流程

4.操作要点

采用大拱脚台阶法进行开挖前，必须先进行超前地质预报，本隧道因无地下水，采用TSP203长距离物探法配合超前水平钻孔进行预报即可，石质地段采用弱爆破，新黄土地质采用小型机械开挖，并加强监控量测。为使钢架基础稳定性得到保证，台阶长度应尽量缩短，同时在不同工序交接部位，应立即在末端施作锁脚锚杆。为了使满足要求的支护体系及时形成，初期支护要快速封闭，仰拱和衬砌也要同步作业。

4.1超前小导管施作

超前小导管一般采用的是热轧无缝钢管，钢管直径42mm、长3.5m、壁厚3.5mm，环向间距在30到50cm之间，搭接长度≥1m。钻孔的外向插入角度在10°到 12°之间，根据具体施工作业要求可略微调整，钻孔直径≧45mm，钻孔方向应平顺并与围岩保持垂直。超前小导管施作位置见图2（a）①部位，总数目有38根。

4.2台阶的开挖

台阶开挖前要先进行轮廓线的放样，具体是依据开挖的尺寸和形状按设计规范要求来确定。同时为了避免因围岩的实际变形量超过预留变形量而导致的初期支护的侵限，在隧道周边应预留变形量，变形量大小依隧道围岩的地质条件而定。

4.3混凝土的第一次喷射

混凝土的第一次喷射应在开挖后及时进行。采用高压风将整个岩面吹干净，并设控制标尺来控制喷射混凝土厚度，如工作面上出现渗水，应埋设盲管做好引排水。喷砼作业时应从拱脚自下而上进行喷射，避免上部喷射回弹。喷嘴与受喷岩面之间的距离保持在1到2米，喷嘴与受喷的岩面应垂直。

4.4钢筋网和系统锚杆施作

钢筋网制作材料根据设计要求一般为直径8mm的HPB235圆钢，网格尺寸为15 cm×15cm，搭接长度为1到 2个网格，网片之间采用点焊或绑扎连接，钢筋保护层厚度≧4 cm。径向锚杆应在第一次喷射混凝土后及时进行施作，锚杆要在末端铺设垫板，并与钢筋网牢固连接。系统锚杆的设置在拱部，设计采用带排气装置的中空注浆锚杆，边墙采用直径22mm，长4 m的砂浆锚杆。

4.5 钢架安装

钢架安装前必须先清除拱脚杂物，保证钢架底脚落在牢固地基上。钢架架设前均应预先设好定位系筋，以确保钢架位置准确安设，系筋一端锚入围岩并用砂浆锚固，另一端与钢架焊接。钢架拼装时，钢架间的连接板螺栓必须密贴连接，钢架连接不得焊接。初期支护时采用I20a型钢钢架，相邻钢架采用HRB400直径22mm钢筋进行横向连接，间距1m，纵向间距为每榀0.8m，斜向内侧布置。进行隧道上部弧形导坑开挖时，先预留安装大拱脚钢架的支撑凹槽，预留位置在大拱脚连接板处。然后进行大拱脚系统支护施作，同时在钢架两侧边沿45度倾角设长4m的锁脚锚杆，每环设8根，牢固焊接锁脚锚杆与钢架，增加拱脚的支撑力。

4.6混凝土的第二次喷射

钢架安装完成后，再次进行混凝土喷射至设计厚度。同初喷混凝土时一样，首先将设计厚度标记出来。厚度标记可利用锚杆外露长度部件或是在钢拱架上焊接标注刻度的短钢筋。每层混凝土喷射厚度宜在5到6cm之间，一次喷射厚度过大会削弱颗粒间的凝聚力，导致喷层脱落或使喷层与围岩面产生空隙；厚度过小则会使粗骨料弹回。喷射拱部时一般每层5～6cm，时间间隔为15～ 20m in。喷射作业应分片进行，这样可以保证质量并提高功效。为避免回弹物附着在未进行喷射岩面上而影响粘结力，应按照由下而上呈“S”形方式喷射；进行喷射前先找平初喷面的凹处，然后将喷头成螺旋形均匀缓慢移动，以确保混凝土表面平顺、疏松且无空鼓裂缝，平整度符合标准。

4.7仰拱施作

采用全幅分段施工进行隧道底部开挖时，隧道底部上方铺设长16～18m，单幅宽1.2m的仰拱栈桥，栈桥每幅由4根I36型钢和防滑钢板焊成。为确保施工安全，应及时进行仰拱初期支护和混凝土浇筑，让支护尽快闭合成环，使其能整体受力，保证支护结构的稳定性。仰拱混凝土浇筑长度与拱墙衬砌长度尽量相同，施工时应保证仰拱施工缝与拱墙施工缝尽量在同一断面上。仰拱混凝土应采用全幅分段浇筑，不留纵向施工缝，变形缝和仰拱施工缝要设置止水带。仰拱填充混凝土浇筑前必须将仰拱表面的积水和杂物清理干净。

5.大拱脚台阶法施工监控量测

隧道施工监控量测是指通过对围岩的受力变形状态的了解，来判断初期支护和围岩稳定性和安全性是否满足要求，然后将这些信息进行及时的反馈并做好相应预测预报，同时还可作为优化支护参数的依据，实现对初期支护和围岩的动态管理。隧道施工监控量测项目分为选测项目和必测项目。选测项目的选取按照《铁路隧道监控量测技术规程》的有关规定执行。必测项目见表1。监控量测采用 “五点法”进行监测，每个断面设置1个拱顶下沉测点，2条净空变化基线。Ⅴ级围岩监控量测断面间距5m，初始读数必须在开挖后12 h内完成，测读时间和量测频次必须严格照《铁路隧道施工规范》要求执行，根据量测结果对开挖预留变形量进行调整，避免初支侵入二次衬砌的范围。

序号监测项目测量方法和仪表

1 洞内、外人工观察

2 二次衬砌前净空变化（拱架、拱脚） 收敛仪、隧道激光断面仪、全站仪测量等测量仪器

3 初期支护拱顶下沉水准量测，全站仪

4 地表下沉水量量测，全站仪

表1监控量测必测项目

6.大拱脚台阶法质量控制要點

（1）工序安排和循环进尺的确定要合理，如围岩长时间暴露，将会导致围岩稳定性遭到破坏，所以在开挖后应立即进行混凝土的第一次喷射，减少围岩暴露的时间。

（2）为了确保隧道开挖施工安全，需要超前小导管的支撑保护，所以对超前小导管的外插角的控制尤为严格，参照设计标准（见表2），外插角应控制在10度到15度之间。

（3）隧道周边要预留一定变形量，并坚持“人工开挖为主，机械为辅，弱爆破，强监控量测”的原则，保证围岩稳定和施工安全。

（4）拱脚的稳定程度直接影响着隧道垂直方向的变形控制，所以确保拱脚的稳定很重要。为了增大拱脚的承载力，可在隧道上部增设钢架拱脚，还可在钢架拱底紧贴钢架两侧边沿45度角设锁脚锚管，并将其与钢架牢固焊接，确保钢架基础稳定。

（5）钢架加工制作及架设应严格按照设计标准和钢架底脚基础的牢固规范要求，上下断面初期支护钢架应平顺连接，螺栓连接也要密贴牢固。另外要保证钢架底脚基础的牢固，严格禁止悬空。

（6）及时跟进仰拱，确保仰拱与掌子面距离不超过30 m。

表2 质量控制标准

7.大拱脚台阶法施工安全措施

（1）严格遵守建设单位安全管理的要求，认真贯彻执行国家关于安全生产的法律法规。

（2）加强全员安全教育，为爆破、支护、出碴等重大危险源的操作人员配备（下转）（上接）个人安全防护物品。

（3）持证上岗，特种设备操作人员、专职安全员、爆破人员必须经过专业培训并取得国家监管部门颁发的合格证书。

（4）对于特殊地质条件，应加强隧道施工风险的评估管理，保证针对性的预防措施的落实。

（5）落实安全生产责任制，细化安全考核办法，加强日常安全检查的力度，制定一定奖惩措施。

（6）进行专项安全技术交流，建立快速反应机制和隧道施工应急预案，并定期进行应急演练。

（7）详细掌握隧道设计地质资料，在施工时做好瓦斯、CO等有害气体检测工作。

（8）隧道内搭设的临时工作台必须放置稳妥，坚固牢靠，而且工作台应当设有梯子和安全防护杆。

（9）严格遵守现行《爆破安全规程》有关规定，对隧道爆破作业和火工品进行安全管理。特别是存在瓦斯风险的隧道，在施工作业中应符合《铁路瓦斯隧道技术规范》的有关规定。对于地层含有瓦斯的隧道施工区段，要采用煤矿许用安全炸药、雷管。

8.总结

与传统施工方法相比，大拱脚台阶法有着较为明显的优势，特别是对于施工空间大，机械化程度高的软弱围岩大断面隧道。应用这种方法操作简单，作业速度快，经济安全，有效地提高了开挖质量，使其成为了软弱复杂地质条件下大断面隧道的主要施工方法。随着隧道工程建设的需求在不断增多，要求也越来越高，只有不断总结传统施工技术的优点和成功实践应用的经验，创造更好的施工技术，才能满足工程建设的要求，做好隧道工程建设。

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