黄土隧道仰拱同步三台阶开挖支护施工工法

庞旭 潘军华 盈科

摘要：本文以新建蒙西至华中铁路煤运通道范里隧道開挖施工为背景，通过变更开挖台阶高度，仰拱同步等施工方法使初期支护快速封闭。提高施工效率，保证施工质量，保障施工安全，收获经济效益。

关键词：变更开挖台阶高度；仰拱同步施工；施工效率；施工质量；施工安全；经济效益

1前言

蒙华铁路煤运专线范里隧道设计为单洞双线隧道。隧道施工是促进铁路建设的重点。只有保证隧道施工技术的发展，才能不断加深铁路建设，才能拓展铁路线路，才能保障施工安全以及铁路运行的稳定性。所以对隧道施工技术必须充分重视。不断提高技术水平，通过钻研找寻更加有效科学的方式，以解决各类复杂地质条件下遇到的隧道施工问题，避免由于地质问题而引发的灾害性事故。

2工法特点

2.1该工法只需常规施工机械，通过合理的人员调配和结合工法就能多作业面平行流水施工。大大提高工作效益。

2.2该工法效高，机械直接开挖，能快速施作初期支护，减少围岩扰动。保证施工安全。

2.3该工法不需增加特殊设备，大大的减少投入成本少，且操作适用性强，易推广应用。

3适用范围

本工法适用于黄土隧道的施工。

4工艺原理

4.1监控量测对隧道全方位的围岩的稳定性合理评价。判断支护效果，指导施工工序，对施工工法的保证。在地质条件发生变化时，便于灵活、及时地转换施工工序，调整施工方法。

4.2三台阶开挖支护对细节变更后，在保证施工安全、质量情况下加快了施工进度，提高工作效率，减少了施工复杂性。

4.3充分利用施工空间大的优势，合理有效利用机械，使施工便利且高效。

4.4适应不同跨度和多种断面形式，采用挖掘机直接开挖，工效较高。

5施工工艺流程及操作要点

5.1施工工艺流程

黄土隧道三台阶开挖支护施工工艺流程（见图5.1-1）。

5.1操作要点

5.2.1施工准备

提前组织材料进场验收，对于钢架、超前锚管等需预制材料，应提前预制，以便及时支护。隧道开挖应与支护紧密结合，严格按照“管超前、严注浆、短进尺、强支护、勤量测、早封闭”的18字方针组织施工。

5.2.2超前地质预报

在超前地质预报采用TSP超前地质雷达为主，超前地质探孔为辅。超前地质雷达有效距离100m，每次检测搭接长度10m。该方法检测所需时间短，且检测效果良好。超前地质探孔每循环施作，上台阶施工3个孔。中、下台阶施工2个，仰拱施工一个孔，有效孔深不得小于3m。然后结合地质雷达资料分析探孔土质与设计是否相符。

5.2.3超前支护

设计热轧无缝钢管，单根长5m，外径50mm，壁厚5mm。外插角5°～10°为宜，可根据实际情况调整，但不得大于10°。由于该隧道为黄如土隧道，不易采用传统先锚管再注浆方式，容易导致黄土遇水无法施工的情况，所以采用提前注水泥砂浆到小导管，增加小导管刚度。超前支护施工工序安排在立架施工完成后，由2人配合挖机顶管施工作业，尾端已钢架作为支撑点焊接牢固，实现超前支护加固措施。

5.2.4三台阶法开挖

1.三台阶开挖工法调整

开挖时将设计开挖上台阶高度变更增加0.8m，下台阶高度减少0.8m，中台阶高度不变。

三台阶施工工法调整后施工优势，一是挖机对上台阶开挖更有利，避免开挖上台阶高度不够，也解决上台阶高度过低挖机破坏已支护喷浆面的情况，同时对于立架施工、立架台车安放等等都带来了便利。二是降低了下台阶回填土与中台阶之间高度差，使得临时仰拱桥更平，在仰拱桥临时安装和机械行走提高安全保障。三是减少了二次仰拱开挖量及时间。减少施工仰拱时对初支的影响。

2.隧道开挖、立架施工

隧道开挖以新奥法为基本原则，以监控量测核心控制。人工配合机械形式开挖，开挖机械为带有松土器的挖机，主要负责大面积开挖，开挖后人工负责排险找顶、挖大拱脚、边璧修整等。隧道开挖采用上、中、下台阶仰拱等顺序依次开挖。

上台阶开挖，机械开挖每循环控制0.6m左右，即1榀钢架距离。不得开挖进尺过大（后期人工修整开挖），机械开挖时渣土堆放于中台阶，便于上台阶出渣和立架同时施工。三辆自卸汽车和一台装载机出渣施工，同时6人排除拱顶松散块后修整边壁和开挖大拱脚，人工开挖工具采用风镐。大拱脚开挖完成立架施工，由于上台阶钢架由3个单元组成，立架时9人立架拼装拱架。同时开挖中台阶，中台阶开挖2榀钢架距离，完成开挖后随即出渣。出渣同时上台阶拼装完成后调4人至中台阶修整边壁和开挖大拱脚（此时上台阶3人连接件加固，2人施工锁脚锚管），中台阶大拱脚开挖后立架施工。同时下台阶及仰拱进行开挖作业，如果上、中台阶需要超前支护顶管（顶管作业由挖机施作，此时下台阶开挖后延后）时开挖渣土临时堆放在已支护仰拱靠后两侧，开挖完成后及时恢复临时仰拱栈桥，方便上台阶喷砼准备。此时将上台阶施工的5人及中台阶2人（中台阶2人施工锁脚锚管）调至下台阶立架作业，确保在中台阶开始喷砼前完成下台阶和仰拱立架施工。

3.拱架的特殊“隔板”施工

在喷射混凝土施工容易出现初支拱脚喷射混凝土下面与渣土粘结。下台阶开挖后，拱脚喷射混凝土下面粘结的渣土清除不干净，存有虚渣，形成两次喷射混凝土结合不紧密，后续喷射混凝土与前期喷射混凝土间软弱夹层的质量问题。根据不同格栅钢架型号，制作不同尺寸的隔板。隔板材料采用厚度为10mm以上钢板，确保其刚度满足重复使用要求。隔板长为格栅钢架设计间距，宽为喷锚厚度加50mm（外加宽度保证抽取时利于敲击抽取）。另外，为便于抽取，在隔板背侧加焊可以转动的拉手（拉手能转动，便于方便埋设隔板用）。

安装隔板前，先在格栅钢架拱脚两侧连接钢板上方铺8-10cm高洞渣作為找平层垫实隔板（厚度满足下方连接钢板螺栓能够顺利穿入），相邻钢架隔板两端底部必须全部垫实牢固并保证在同一水平面，隔板就位把提环翻下并防护。隔板安装完成后，其表面用抹布擦干净，保证无泥土。

5.2.5喷射砼施工

开始喷射混凝土时，从隔离板开始由下向上逐步，喷射时嘴喷与受压面间保持60～100cm距离，喷嘴连续、缓慢移动。待拱脚钢板连接处喷密实后，再喷射上部混凝土，此时控制喷头垂直于岩面。总体上控制喷射顺序为自下而上，每层控制在4～5cm左右，最后喷射施工拱架连接处，可将喷嘴与受喷面呈45°角。喷射混凝土完成后，立即清除拱脚和隔板50mm宽处回弹料。

5.2.6监控量测

监控量测是隧道施工管理的重要组成部分，它不仅能指导施工，预报险情，而且通过现场监测获得围岩动态的信息（数据），可及时调整支护参数，改进施工方法，确保施工安全和结构稳定，同时也为混凝土衬砌支护时间提供信息依据，为完善隧道工程设计与指导施工提供可靠的足够的数据。

根据施工要求，为保证工程测量质量，建设单位设专业监控量测联网系统，项目部成立专业测量队，工班负责埋设及保护量测点等。测量队根据测量实时上传，联网系统智能分析变化趋势。项目部测量队定期出围岩变化情况报告，作业队根据测量报告调整施工参数和是否能施工二衬。

5.2.7衬砌仰拱施工

1.仰拱洞渣回填开挖

仰拱开挖尽量避免对初支的影响，一般情况选择只有上台阶施工的情况，这个时段对初支影响较小。出渣机械尽量不要开挖到底，留一定余量，避免破坏初支面喷砼。清理到最后用强风吹，不得用水冲洗。

2.仰拱栈桥行走

当在二次仰拱开挖时，同时行走24m仰拱栈桥。该栈桥自动行走采用液压装置，栈桥工作时前支撑于开挖面上，后支撑于填充面上，行走系统悬挂于主桥前端；栈桥行走时行走系统支撑于开挖面，收起前、后支撑及前、后引桥，同时驱动轮会着于填充面上，通过驱动轮及行走系统内反作用力使栈桥前移或后退。同样的设计同样的设计原理也解决了仰拱栈桥的左右移动的问题。有效提高生产效率。

3.仰拱钢架绑扎及混凝土浇筑

仰拱钢筋在施工在两端套上保护胶套，防止戳穿防水板，钢筋双层布置，先施工外层主筋，再施工外层纵向筋后排放好内层纵向筋，其次施工内层主筋。钢筋保护层不得小于5cm，接头在同一截面错开25%，且最小长度不得小于3m。

仰拱浇筑前隧底虚石、浮碴清理。如有积水排除干净。混凝土直接入仓分层浇筑，每层高度不大于30cm，采用软轴式振捣棒进行振捣，振捣时除了做到快插慢拔外，振动棒各插点间距应均匀。不要忽远忽近。一般间距不应超过振动棒有效作用半径的1.5倍。振捣的时间，一般每插点振捣20～30s，以混凝土不再显著下沉，不再出现气泡，表面翻出水泥浆和外观均匀为止。仰拱填充混凝土待仰拱混凝土初凝后浇筑。

5.2.8二次衬砌施工

二衬混凝土一模施工12m，可以根据仰拱施工的进度调整二村混凝土的进度，不但能紧跟仰拱，还能协调初支和衬砌相互干扰，有效的控制初支围岩变形，确保隧道施工安全。根据监控量测反馈信息循环施工。

二次衬砌施工把人员分防水系统班、钢筋班、混凝土班。各个班之间在仰拱和二衬间流水作业，互相不影响，快速推进。同时每个班中选出1～2名班组长，对班组长实施奖励制和施工质量责任制，不但提高生产效益，同时还保证了施工质量。

6材料与设备

本工法使用的主要材料及设备详见表6。

7质量控制

7.1所有材料厂供材料必须有合格证书，并经试验室复验，符合规范要求后才准使用。

7.2所有投入施工的设备、仪器都必须经检验合格，并按规定对测量仪器等设备、仪器进行标定。

7.3抓好焊材质量控制、焊接规范的执行和焊工培训，提高焊接质量。

7.4按技术规范、标准要求进行焊接工艺评定和焊接试验。

7.5开挖断面的中线和高程符合设计要求，严禁超挖过大，不允许欠挖。

7.6钢架安装不侵入二衬断面，底部无虚渣，保护层不小于4cm。表面护盖不得小于3cm，周边拼装误差±3cm，平面翘曲小于2cm，安转间距偏差±100mm，高程偏差±50mm。

7.7分层喷射混凝土，拱顶一次喷射混凝土厚度5-6cm，墙部7-10cm。配合比选定和强度符合设计要求，总厚度大于设计，表面平整度允许偏差30mm。喷射混凝土终凝5h后养护，养护时间不小于14d。

7.8二次衬砌在初期支护变形稳定后施工，拆模混凝土强度不小于8Mpa。

8安全措施

8.1对施工设备、仪器使用前，必须按照标准进行检验，经检验确认合格后方能使用。定期检修与维护保养，消除事故隐患、

8.2电线路坚持一机一闸一漏电保护器，三相五线制和保护零线重复接地做法。无论是总配电箱还是分箱，一律设门加锁盖防雨罩，临时电路必须按规程要求加设。

8.3洞内作业必须要有足够的照明，直接用于操作的照明灯，应采用36V的低压防爆灯，还须设置夜间反光灯。

8.4行车安全保证，坚持合理运输计划、合理安排车辆、合理安排装卸；定人、定车、定任务、定路线、定物资类别。

8.5做好司机的安全教育、管理教育和技术培训工作，落实安全责任制，严禁酒后驾车，带病行车和赌气开车。

8.6作业人员防护用品到位，安全帽、呼吸防护具、防护鞋、防护手套、防护服等等。

8.7洞内通风安全措施，保证作业人员呼吸正常。

9环保措施

9.1施工中加强洞内通风，创造有利的施工环境。定期对隧道可能出现的有害、有毒气体进行检测。一经发现立马处理。

9.2洞口提前做好防水系统，防止雨水破坏四周自然环境，坚持做到“少破坏、多保护、少扰动、多防护、少污染、多防治”。

9.3采取可靠措施保证原有交通正常通行和维护沿线村镇的居民饮水、灌溉及正常生活。

9.4尽可能降低施工建设中噪音对周围环境的影响。

10效益分析

10.1采用变更后的开挖工法有效提高开挖效率，使开挖操作更方便，机施工快速有效。

10.2采用三台阶循序开挖，同时支护的方法有效提高了施工效率。

10.3采用24m仰拱栈桥的利用，减少了仰拱施工对初期支护的影响等。

综合以上几个工法特点，减少了施工时间，也较少了人员的使用，节省了机械设备成本等等。

11应用实例

范里隧道位于河南省卢氏县境内，该地区黄土地质居多。该土质松散，强度较低，处于第四系上更新统黏质黄土，灰黄色～黄褐色，硬塑，垂直节理发育，直立性良好。且该隧道洞口埋深浅，地表沉降大。

范里隧道由中铁五局贵州公司承建。按新奥法结合该工法组织施工，隧道全长仅667米，充分利用工法比计划工期提前3个月贯通。更好的完成施工任务，促进铁路事业的发展，赢得更多的社会效益以及经济效益。

参考文献

[1]郭坤，王刚，刘紫朝.浅埋黄土隧道新三台阶开挖法施工技术研究[J].建筑工程技术设计.2016（3）：15-21.

[2]张汉高，三台阶七步法在黄土隧道开挖[J].民营科技.2014（3）：156-156.

[3]李一萍，三台阶七步开挖法在黄土隧道施工中的应用[J].中国科技纵横.2010（23）：4-5.

（作者单位：中铁五局蒙华铁路MHTJ-15标项目经理部二工区）