浅谈黄土隧道洞身开挖施工技术

李 磊

中铁四局集团第七工程分公司，安徽合肥 230000

陕西省陕北是是中国的黄土高原，在黄土台塬施工隧道，其施工进度和安全性一直是施工企业面临的难题。只要不是富含水的土壤，通过有效的开挖方式保持围岩的稳定性，就能够解决这个难题。对于黄土为强风化泥岩或粘土岩的Ⅴ级围岩，通过采用保留中央核心土的“三台阶七步法”开挖技术，在陕西延安一带的高速公路隧道施工中，得到了较好运用，既提高了工效又保证了施工安全。

1 隧道开挖方法

1.1 总体施工方案

对于粘土岩采用三阶段机械化作业，第一是洞身掘进，主要采用小型挖掘机开挖，人工采用风镐配合局部和细部的开挖、采用装载机、自卸汽车出碴运输；第二是围岩支护，浅埋或偏压洞口先采用管棚进行超前支护，采用钻机及注浆机进行超前小导管、中空径向锚杆进行施工和注浆；架立钢拱架和钢格栅使用湿喷机喷射混凝土封闭围岩。第三是衬砌施工，采用衬砌台车模板，混凝土采用机械集中搅拌、搅拌车运输，混凝土输送泵完成全断面衬砌一次成型。通风采用大功率通风机、大口径软管、压入式长大隧道供风技术。

1.2 三台阶七步开挖法

按照图1所示，下面将直观、详细地描述三台阶七步法开挖方式。

图1 三台阶七步开挖法施工立体效果图

（1） 上台阶的开挖 （第1步）：如图1所示，1数字表示的环形断面位置，为首先开挖的部位。开挖前必须检查上一循环的拱部超前支护是否完成，完成检验无误后方可开挖；沿环形开挖，环形中间预留核心土，其宽度为开挖总宽度的一半左右，掘进的深度要控制在3～5m的范围。每次掘进的深度按照钢拱架的设计架间距确定，开挖一个循环后，应及时安装钢拱架和锁脚锚杆，完成上台阶开挖的控制深度后，对上台阶的周边进行初期支护，立即喷射5cm厚的混凝土进行封闭。

（2） 中台阶的开挖 （第2、3步）：如图1所示，2、3数字表示为左右中台阶，中台阶的开挖要在上台阶做完初期支护后进行，每次掘进的深度按照钢拱架的设计间距确定，左右台阶必须交错开挖，前后要错开2～3m，开挖的高度应控制在3.2m左右。每完成一个循环进尺后，要立即接长上台阶的钢拱架，并且在中台阶安装好锁脚锚杆。完成中台阶开挖的控制深度后，对中台阶的周边进行初期支护，立即喷射5cm厚的混凝土进行封闭。

（3） 下台阶的开挖 （第4、5步）：如图1所示，4、5数字表示为左右下台阶，下台阶的开挖要在中台阶做完初期支护后进行，每次掘进的深度按照钢拱架的设计间距确定，左右台阶必须交错开挖，前后要错开2～3m，开挖的高度应控制在3.2m左右。每完成一个循环进尺后，要立即接长中台阶的钢拱架，并且在下台阶安装好锁脚锚杆。完成下台阶开挖的控制深度后，对下台阶的周边进行初期支护，立即喷射5cm厚的混凝土进行封闭。

（4） 核心土的开挖 （第6步）：如图1所示，6-1、6-2、6-3数字表示三个台阶的中心预留土，在下台阶完成初期支护后，按照6-1、6-2、6-3的顺序，采用小型挖掘机进行挖土，然后由装载机和自卸汽车运出碴土。

（5） 仰拱部的开挖 （第7步）：如图1所示，7数字表示仰拱部位的开挖。仰拱开挖要距离下台阶约20m左右，每次开挖的长度约为2.5m左右，开挖后及时施作仰拱初期支护，完成两次初期支护后要及时施工仰拱，并且封闭成环。仰拱的每次长度应当控制6m以内。

（6） 仰拱衬砌施工：仰拱初期支护完成后，进行定期检测，待初期支护稳定后，浇筑仰拱衬砌和拱墙混凝土，然后在进行拱底填充施工。

2 施工控制要点

2.1 超前支护注浆小导管

采用壁厚5mmΦ50热轧无缝钢管加工，单根长度5m；环向间距50cm，搭接长度不小于1m；小导管应从钢拱架内穿过，与开挖线保持15°向外夹角进行钻孔，然后把小导管插入拱部围岩内，注浆后立即封堵小导管与孔洞的孔隙，小导管露出的部分必须与钢架焊接。

2.2 中空注浆锚杆

施工工艺：钻孔→清孔→插杆体→注浆→上垫板、螺帽并紧固。

按照设计的深度要求，采用人工进行钻孔，钻好孔后要清理孔内残存的渣土，最好用空压机吹干净，锚杆插入后用高压泵灌注水泥浆。

2.3 型钢拱架、格栅钢架

钢拱架应当在加工厂按设计图进行制作，制作后应当试拼，合格后方可使用，拼装钢架时，每段的连接螺栓必须拧紧，连接板间不得虚空。

为防止拱架下沉，拱脚底部设托板，控制拱架下沉量。拱架与锁脚锚杆必须焊接牢固，每榀钢架间用钢筋焊接形成一个整体。

2.4 砂浆锚杆、钢筋网

施工工序：钻孔→清孔→注浆→插杆体→上垫板、螺帽并紧固。

砂浆锚杆采用螺纹钢制作，网片在洞外加工成型。锚杆与网片通过锚杆垫片连接固定，网片之间要满足设计要求的搭接长度。

钢筋网喷射砼时，采用砼湿喷机先在围岩面喷射一层砼后再进行钢筋网的铺设，并在锚杆安设后进行。

2.5 机喷混凝土

喷射砼要紧跟开挖面施工，采用机械湿喷。喷前，应将壁面的浮尘与杂物清理干净。喷射时应分段、分片有序进行，喷嘴与壁面应当保持垂直，距离保持在0.8m左右为宜。

3 施工注意事项

（1） 尽量减少围岩暴露时间，避免土壤失水脱落。

（2） 初期支护应及时封闭成环，二衬距开挖掌子面最大不超过70m。

（3） 超前支护是安全施工的重要保证，必须严格做到。

（4） 隧道周边宜采用人工辅助开挖，扰动小，防超挖。如果发现超挖现象，初支与围岩间空隙应当注浆充填。

（5） 做好洞内排水，严禁拱脚积水。

（6） 定期进行监控量测，发现超常，立即处理。

4 适用范围和技术特点

4.1 适用范围

三台阶七步开挖法，适用于100～180m2开挖断面，且Ⅳ、Ⅴ级围岩要具备一定自稳条件，围岩呈流塑状态的不能采用此法施工。本法适用于强风化粘土岩、强风化泥质粉砂岩等。如果隧道洞口出现浅埋或偏压，必须做一环30m长，Φ108钢管超前大管棚支护，方可采用此法施工。

4.2 技术特点

采用此法施工，能够形成多个施工作业面，方便小型机具直接开挖，提高月进尺。如果围岩情况发生变化，能够及时改变施工方法；分段的初期支护操作比较方便，采用两边相错开挖，预留中间核心土墩，对于隧道工作面的稳定起到了很大作用，很大程度上提高了作业面施工人员的安全。

5 结语

三台阶七步开挖法通过在黄土地区Ⅴ级粘土岩的施工实践，对工程质量、施工进度和施工安全性，都起到了很大的帮助，取得良好的经济效果。该方法比传统软弱围岩施工的侧壁导坑法、CD法、CRD法减少了拆除临时支护，避免了拱顶受力转换而形成的不安全因素，有着很好的参考价值和普遍的推广意义。