三台阶带仰拱一次开挖工法在高铁隧道施工中的应用

中铁七局集团武汉公司

正文：

1、引言

三台阶带仰拱一次开挖工法是下台阶带仰拱一次开挖并快速封闭成环的施工工艺。该工法主要解决软弱围岩仰拱开挖与上、中、下台阶施工相互干扰、制约的施工特点。在施工的过程中对下台阶及仰拱开挖时间节点进行有效的控制，从而保障工程的顺利施工，提高施工进度，并使成本得到有效的控制。

2、工法的基本概述

2.1 基本原理

三台阶带仰拱一次开挖工法参考三台阶开挖工法，并在此基础上对下台阶及仰拱开挖进行衍化，即适当增加上、中台阶的高度、中台阶的开挖长度，在保证隧道仰拱安全步距的要求下，下台阶及仰拱一次开挖及立架支护，完成初期支护的封闭。另外，本工法结合新奥法施工，充分利用围岩的自稳能力和开挖面的空间约束作用，采用以锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，通过下台阶及仰拱一次开挖及支护，尽早的完成初期支护封闭成环，约束围岩的松弛和变形，减少了下台阶及仰拱之间的相互施工干扰，提高隧道施工的安全性。

2.2 施工原则

应用该工法在施工过程中一定要满足以下七个施工原则：（1）加强施工监控量测，实行信息化施工。对拱顶下沉、围岩收敛进行量测，及时对数据进行整理分析，反馈至设计和施工现场，优化设计参数和施工方法。（2）严格控制下台阶及仰拱开挖榀数，软弱围岩下台阶不宜超过2榀钢架设计间距，仰拱封闭成环一次不宜大于3m，并及时封闭成环。（3）按工法合理降低下台阶开挖高度，控制开挖量，节省出渣时间，加快下台阶及仰拱封闭成环，减少围岩暴露时间。（4）严格按照设计规范、标准及技术交底控制炮眼间距、角度、装药量及爆破顺序，从而有效控制隧道超欠挖。（5）钢架安装、锁脚锚管的打设与注浆和初期支护混凝土质量必须满足设计及规范要求。（6）移动栈桥的搭建必须满足车辆通行条件及隧道工程施工安全技术规程相关规定。（7）在施工的过程中重视通风、照明的情况。

3、工法的具体施工方式

3.1 工艺流程

施工准备→超前地质预报、测量放样→拱部超前支护→上、中台阶开挖、初期支护→下台阶、仰拱开挖、初期支护→监控量测→下一循环开挖、支护。

3.2 作业要点

三台阶带仰拱一次开挖工法工序横断面见下图:

三台阶带仰拱一次开挖工法工序图

1）开挖步骤：上、中、下台阶带仰拱①②③④部测量放线→上、中、下台阶带仰拱①②③④部打孔钻眼→上、中台阶①②部装药、爆破→上、中台阶①②部出渣→上、中台阶①②支护台车、材料到位→下台阶带仰拱③④部爆破→上、中台阶①②部立架、下台阶带仰拱③④部出渣→下台阶及仰拱③④部立架→上、中、下台阶带仰拱①②③④部一次喷砼到位→进入下一个循环。

2）开挖具体施组安排：上台阶开挖采用双拼的小台架，利用挖机进行移动，中下台阶之间搭设栈桥通行。施工时，上、中台阶同时起爆，通过1台挖机配合2台装载机出渣，挖机将上台阶石渣集中至中台阶，两台装载机配合出渣车在中台阶进行出渣作业，上中台阶完成出渣作业后，布置好上、中台阶支护台车及材料后，下台阶与仰拱进行爆破作业，下台阶及仰拱采用挖机配合出渣车装渣，考虑到上台阶的锚杆及超前支护的施工时间，现场上、中、下及仰拱支护完成时间相差不大，最后开始喷砼作业，上、中台阶采用湿喷机械手喷砼，下台阶及仰拱采用2台小型湿喷机进行作业。至此，隧道初期支护一个循环施工完成，开始进入下一循环施工。

3）开挖适用条件：本工法主要适用于Ⅲ～Ⅴ级围岩带仰拱结构形式的隧道开挖支护，配合超前支护确保施工过程中的围岩的稳定性。该工法用于开挖断面100～150m2之间的隧道，隧道顶面至仰拱底面开挖高度为12.5m。使用三台阶带仰拱一次开挖工法开挖时，上台阶开挖高度为450cm左右，长度控制在5m～8m以内；中台阶开挖高度为400cm，长度控制在25m左右，隧道左右两侧错榀开挖支护；下台阶及仰拱开挖高度为396cm，一次开挖支护，保证隧道安全步距控制在35m以内。

4、效果评价

根据胡家隧道工区实践数据统计，采用三台阶带仰拱一次开挖下台阶与仰拱初支钢架封闭成环时间从14天压缩至9～10天，初期支护收敛变形量从15～25mm缩小至5～10mm，Ⅳ开挖进度指标由设计70m/月提升至90m/月，Ⅴ开挖进度指标由50m/月提升至70m/月。

5、结束语

通过三台阶带仰拱一次开挖法在大断面隧道施工过程中的应用得到以下结论，三台阶带仰拱一次开挖法减少了一道作业工序，缩短了工序循环时间，加快了施工进度，从而有效地控制围岩收敛变形量；下台阶带仰拱一次封闭成环规避了常规三台阶法中下台阶钢架长期悬空的现象；仰拱底板开挖钻眼时，有利于底板外插角控制，能较大提高仰拱开挖成型，控制底板超欠挖。另外要注意采用三台阶带仰拱一次开挖应注意合理组织现场施工，协调各工序之间的衔接问题，保证施工工序的正常循环。