滑石大跨度隧道三台阶临时仰拱开挖快速施工技术

摘要：结合石家庄市南绕城高速公路太行特长隧道工程实践，总结了三台阶临时仰拱法在滑石软弱地层下快速施工组织与技术应用，通过具体应用实现了很好的经济效益、技术效益和社会效益，为类似围岩地段的施工技术提供参考。

Abstract： Combined with the engineering practice of the Taihang Extra-long Tunnel in the South Ring Expressway in Shijiazhuang City， this paper summarizes the rapid construction organization and technical application of the three-step temporary inverted arch method under soft formation of talc， and realizes good economic， technical and social benefits through concrete application， which provides reference for construction technology similar to surrounding rock section.

关键词：滑石;大跨度;三台阶临时仰拱;快速施工

Key words： talc; long span;three-step temporary inverted arch;rapid construction

中图分类号：U455                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）09-0134-04

0  引言

大断面软岩隧道施工中，传统的施工方法有双侧壁导坑法、CRD法、CD法，这些施工方法进度慢、工效低，存在一定的局限性。如：限制了大型施工机械的使用，基本靠人工开挖，工效低、速度慢，难以满足工期要求;各部开挖工序衔接性差，相互干扰大，施工质量得不到充分保证。另外，较快速的施工方法有三台阶七步开挖法，但此法应用在滑石软弱地层时存在以下局限性，如：成环时间较长，安全风险大;难以有效控制上台阶扁平结构的拱顶沉降，围岩变形大。目前国内大断面软岩隧道施工过程中，往往会遇到工期紧、地质复杂、大型机械组织开展困难等问题，须根据实际地质情况选择一种安全快速的施工方法。

1  工程概况

石家庄市南绕城高速公路NRC-7标段位于石家庄市鹿泉区境内。施工任务主要为太行特长隧道出口端，为全线控制性工程，隧道设计为分离式双向六车道，最大开挖断面166m2，最大涌水量4247m3/天。标段范围内左线隧道长2270m，其中滑石软弱围岩段长407m;右线隧道长2290m，其中滑石软弱围岩段长390m。

软弱围岩地段，其岩性主要为辉绿岩、滑石，岩质较软，强度很差，指甲可刻画，重力场下可发生大变形。

2  施工方案选择

滑石是已知最软的矿物[1]，滑石软弱地段采用双侧壁导坑法开挖效率低，我项目借鉴近几年大断面隧道施工的成功经验，规避傳统施工方法的局限性，以加快隧道施工进度、保证隧道施工安全，提高施工质量为目的，提出了三台阶临时仰拱开挖法，提高了施工效率，增强了施工安全性，根据该项目现场施工情况，多次调整控制工艺，经总结最后形成此方法。

3  三台阶临时仰拱开挖法工艺特点

①施工空间较大，可进行机械化施工，可多作业面平行施工，工效较高。②在台阶法开挖的基础上，增加临时仰拱和竖向支撑，有效阻止支护结构的水平收敛和拱顶沉降，有利于开挖工作面的稳定。③在地质条件发生变化时，便于及时、灵活地调整施工方法，施工工法转换快捷。④各部开挖及支护自上而下，步步成环，及时封闭，提高安全系数。

4  工艺原理

设临时仰拱的三台阶开挖法就是将大断面划分成自上而下三个小单元进行开挖，缩小开挖断面;上台阶设临时仰拱钢架及竖向支撑，中台阶根据围岩稳定情况有选择性的增设临时仰拱钢架;采用临时仰拱就是使每个小单元及时封闭成环，形成环向受力，有效围岩水平收敛变形[2]，采用竖向支撑就是为了规避大跨度软弱围岩易坍塌的风险，阻止拱顶沉降变形，保证施工安全。

5  施工工艺流程及操作要点

5.1 施工工艺流程图

施工工艺流程参见图1。

5.2 施工步序方案图

5.2.1 三台阶临时仰拱开挖法施工方案图

施工步骤见图2，开挖透视见图3，施工工序见图4。

5.2.2 开挖支护顺序说明

①第1步，上部导坑开挖及支护。1）开挖上部导坑。在拱部超前支护后进行，开挖循环进尺根据初期支护钢架间距确定，最大不超过1.5m。2）施作上部导坑周边的初期支护，即钢架、钢筋网片、锁脚锚管、系统锚杆、喷射混凝土。钢架锁脚锚管设置于台阶钢架拱（墙）脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角23°打入，锚管尾部采用“L”形钢筋与钢架牢固焊接。钢架拱脚采用混凝土垫块支垫，以保证拱脚基础牢固，打设径向锚杆后复喷混凝土到设计厚度。3）安装底部临时仰拱钢架（I16工字钢）及竖向支撑钢架（I22工字钢）。底部临时仰拱钢架与正洞钢架牢固焊接。竖向支撑钢架上端与主洞钢架顶部连接，下端与底部临时钢架连接，三者共同构成支撑体系。底部临时仰拱钢架喷射20cm厚C25早强混凝土封闭。

②第2步，中台阶开挖及支护。1）在滞后上台阶3～5m距离后，先拆除1～2榀临时钢架，再左右侧错开开挖中台阶，错开距离不小于5m，开挖进尺为1～2榀钢拱架间距，开挖高度为3.5m。2）导坑周边部分初喷厚4cm混凝土。3）铺设钢筋网片，架立型钢钢架，安装锁脚锚杆，打设径向锚杆后复喷混凝土到设计厚度。4）围岩稳定性差时架立临时仰拱钢架（I16临时钢架），封闭临时仰拱。

③第3步，下台阶开挖及支护。1）在滞后于中台阶10～15m距离后，先拆除1～2榀中台阶临时钢架（若有），再左右侧错开开挖下台阶，错开距离不小于5m，每循环开挖进尺为1～2榀钢拱架间距。2）施作台阶周边的初期支护。

④第4步，施作仰拱封闭成环。1）开挖底部其余仰拱部位，每次循环开挖进尺不大于3m。2）及时施作仰拱部位初期支护并封闭成环。封闭位置距离掌子面不得大于40m。3）分层浇筑仰拱衬砌混凝土及仰拱填充混凝土。

5.3 操作要点

5.3.1 开挖台阶长度控制[3]  上台阶长度不能太长也不能太短，太长会造成爆破开挖后扒碴困难和车载式湿喷机喷射混凝土臂长不够，太短会造成开挖台架放置不稳定，存在安全隐患。中台阶的长度要短，这样有利于隧道施工安全步距的控制。

5.3.2 下台阶高度确定  以中台阶的拱脚位置与仰拱填充顶面平齐或略高于仰拱填充顶面来确定下台阶的高度。每次出碴完成后，留存部分洞碴从仰拱位置到中台阶修一条临时便道，喷射混凝土作业时，将车载式湿喷机停放在临时便道上，能够将上、中、下台阶三个部位兼顾到。

5.3.3 工序作业安排  爆破开挖后首先将上台阶的洞碴翻至中下台阶，同时整修出下台阶至上台阶的临时便道，利用此便道将开挖台架、上台阶初期支护所需钢拱架、导管、锚杆、钢筋网等材料运至上台阶，进行上台阶初期支护施工，同时中、下台阶进行出碴作业。出碴完成后，上台阶初期支护施工也基本完成，施工人员开始中下台阶初期支护施工。如此形成工序间的平行作业，缩短循环作业时间，加快施工进度。

5.3.4 安全控制要点  ①及时施作上台阶临时支护和竖向支撑，尽早建立支撑体系，稳定围岩。②仰拱紧跟下台阶施工，尽早封闭成环。③构建控量测信息平台，及时上传数据，反馈信息，指导施工，保证安全。④必须保证锁脚导管施工质量和注浆效果。⑤加强超前地质预报[4]，采用地质素描、加深炮孔、TSP、红外探水等多种预报手段，综合预测前方围岩状况，根据预报结果及时调整支护参数，保证安全。

6  控制措施

6.1 质量控制措施  ①滑石软岩段围岩强度较低，遇水软化，必须做好注浆工作，有水地段采用双液浆，同时做好引排水工作。②主洞钢架、临时仰拱与竖向支撑之间的连接部位必须按照设计要求施作，保证三者构成牢固的支撑体系，有效阻止围岩变形，保证施工安全。③严格控制循环进尺和台阶长度，不得随意进行调整或更改。④必须保证拱脚锁脚锚管的施工质量，锁脚锚管与拱架间必须焊接牢固，必要时增加锁脚数量。⑤严格按照设计要求施作超前支护，控制好外插角，严格按照注浆工艺标准进行注浆加固，保证始终在超前支护的保护下向前掘进。⑥超挖部分必须采用同级别混凝土回填密实[5]，局部超挖较大喷射混凝土不易饱满的位置应留注浆孔，后期必须注浆饱满。⑦完善洞内临时排水系统，严禁积水浸泡拱脚，当水流较大或不能自然流出时应设置集水井，配备足数的抽水设备将积水抽至洞外，防止基底受浸泡而降低承载力。

6.2 安全控制措施

本工程严格执行安全技术规范[6]及相关安全法律法规的规定。①合理安排各工序间施工组织，控制仰拱及二衬施工速度，及时封闭成环，满足施工安全步距要求。②开挖后及时进行初喷作业，减少围岩暴露时间，避免出现围岩失稳。③加强监控量测，设专人全程监控，及时反馈监测数据，有异常时立即采取加固措施，确保施工安全。④中下台阶左右侧必须错开开挖，严禁同时悬空拱架现象，错开距离不小于5m。⑤设专职人员做好超前地质预报工作，及时根据预报结果调整施工方法和支护参数，严禁因不良地质发生事故。⑥设专职安全员，负责指挥掌子面区域的机械和车辆，避免伤人。⑦爆破作业时，人员必须撤离至安全区域，严格执行相关爆破安全规定。

6.3 环保控制措施  本工程严格执行国家及地方的相关环保政策和规定。①施工区域内裸露土方全部采用防尘网覆盖，减少扬尘。②安排洒水车对施工区域便道及场地进行不定期洒水，保证路面湿润不起尘。③加强隧道内通风效果，安排专人负责维护洞内文明施工，作业环境满足职业健康要求。④采用低噪声机械，施工过程中经常对设备进行维修保养，避免由于设备性能差而使噪声增强现象的发生。⑤所有施工废水必须经过三级沉淀池沉淀，达标后排放。⑥碴土运输至规划弃碴场，严禁随意倾倒碴土，严禁破坏自然植被或道路农田。

7  效益分析

7.1 經济效益  软岩大跨度隧道施工采用“三台阶临时仰拱法”，在经济方面表现突出，与传统CRD法比较，主要有以下几个方面的优点：一是通过对断面合理划分，工序衔接紧凑，各台阶能够形成流水作业，提高生产效率;二是拓展了作业空间，充分发挥大型设备生产效率，提高施工速度。

以石家庄市南绕城高速公路NRC-7标太行特长隧道为例：与传统的大断面隧道CRD法施工相比，采用“三台阶临时仰拱法”，施工进度由35～40m/月提升至72～80m/月，节约工期3.5个月，节约各项管理成本250万。

该方法在软岩大跨度隧道施工便于机械化作业，进度快，工效高，利于成本控制。

7.2 技术效益  采用该施工方法，各导坑开挖和支护时间短，成环快，规避了不安全因素，通过对量测数据和现场实际情况分析，采用该方法施工初支累计沉降量均在15mm以内，准确指导预留沉降量的调整，既减少了材料超耗，又保证了结构断面尺寸。另外，该方法简单，易于工人熟练操作，工序质量易于控制。

7.3 社会效益  石家庄市南绕城高速公路NRC-7标太行特长隧道采用“三台阶临时仰拱开挖法”的施工技术，率先完成隧道施工任务，受到了各级领导和参建单位的一致好评，丰富了滑石软岩隧道的开挖手段，解决了“大跨度滑石软岩隧道安全风险高、施工进度慢、施工难度大“的难题，实现了快速机械化流水作业。同时改善了软岩隧道的施工安全条件，推动了软岩隧道开挖施工技术的发展，具有巨大的潜在社会效益。

8  结束语

隧道工程开挖方法有很多[7]，针对特殊地质条件的隧道工程开挖方法仍然需要不断的去研究、创新和总结，保证隧道开挖安全、快速、高效，以解决更多由于复杂地质条件引起的施工难题。

参考文献：

[1]王新城.隧道在高-极高地应力辉绿岩、滑石地层条件下施工技术[J].建筑工程技术与设计.

[2]夏善明.三台阶临时仰拱法在软弱围岩隧道中的应用[J].工程技术.

[3]卢军燕，杨阳.沪昆高铁白力坞隧道三台阶临时仰拱法开挖技术[J].黄河水利职业技术学院学报，1008-486X（2014）01-0031-03.

[4]中华人民共和国行业标准.公路隧道施工技术规范[M].人民交通出版社，2009年10月1日实施.

[5]中华人民共和国行业标准.公路工程质量检验评定标准 第一册 土建工程[M].人民交通出版社，2018年5月1日实施.

[6]中华人民共和国行业标准.公路隧道施工安全技术规范[M].人民交通出版社，2015年5月1日实施.

[7]刘世坤.例谈隧道三台阶临时仰拱法开挖技术[J].价值工程，1006-4311（2014）03-0123-02.

作者简介：胡永强（1986-），男，河北邢台人，2009年毕业于石家庄铁道学院无机非金属材料工程专业，本科，工程师，现从事施工技术与管理工作。