大断面软弱地层隧道三台阶四步交错法开挖施工技术

孙海亮

(中铁十九局集团第五工程有限公司，辽宁 大连 116100)

1 工程概况

赤峰至喀左铁路工程的建平隧道全长11 340 m， 进口里程DK030+060,出口里程DK041+400，最大埋深230 m。隧道共设3个斜井。

隧道地层岩性DK030+060～DK037+300段为片麻岩，强风化，节理裂隙较发育，岩体较破碎；DK036+300～DK037+800段为凝灰岩，强风化，节理裂隙较发育，岩体较破碎，呈角砾碎石状压碎结构,具中等膨胀性。DK037+800～DK047+500段为安山岩，弱风化，节理裂隙很发育，岩体破碎，呈角砾碎石状，松散结构，易发生围岩失稳塌方和大变形。DK36+220～DK36+505段为片麻岩和凝灰岩分界处，突水突泥风险等级为极高风险。不良地质及特殊岩土包括围岩失稳塌方、大变形、涌水、膨胀岩等。勘查区大地构造位于叨尔登—张家营断裂带西侧，构造部位属东西向构造带和北东向构造带交接地带。Ⅳ级、Ⅴ级围岩占隧道全长的66%，隧道区域内地下水类型可分为第四系空隙含水层、碎屑岩类裂隙水及基岩裂隙含水层。设计推荐采用传统的“三台阶七步开挖法”或“三台阶临时仰拱法”开挖方法施工。

施工过程中发现，使用“三台阶七步开挖法”施工时由于台阶长度过短，中台阶左右部分错开的距离也较短，开挖后易造成多榀钢架左右两边同时悬空的情况，施工安全隐患较大。其次是这种3个台阶分7步开挖的施工方法工序繁琐，各工序之间不能很好的衔接,施工效率较低。另外台阶长度较短不利于机械化作业，初期支护封闭成环的时间较长，沉降及收敛变形量较大[1-2]。

使用“三台阶临时仰拱法”施工时虽然能对初期支护变形进行较好的控制，却要增设临时仰拱支护，提高了施工成本，降低了施工效率；而且临时仰拱上方因大型机械行走，往往会对其造成损伤，拆卸临时仰拱时会增加对围岩的扰动。经过反复试验和比对，摸索出了“三台阶四步交错法”的开挖方法，取得了显著的成效，在此予以介绍。

2 开挖施工特点

“三台阶四步交错法”施工工序将开挖断面分为上、中、下3层台阶，开挖工序如图1所示。其施工特点为：

图1 三台阶四步交错法施工工序

(1)“三台阶四步交错法”开挖施工是在原三台阶的基础上将施工顺序进行了改进，将七步开挖改成为四步开挖，不同的台阶和部位相互交错开挖，平行推进。将原来一些先后施工的工序改成同步施工(如将上台阶的支护和中下层台阶的出碴同步进行，将上台阶的喷锚和中下层台阶的支护同步进行),减少了循环中一些工序占用的时间，工序循环安排紧密，提高了工作效率，加快了施工进度。

(2)“三台阶四步交错法”施工对开挖断面进行合理布置，合理制定各台阶的高度和长度，适当增加了中台阶的长度和中、下台阶左右部分的错开距离，既能保证安全步距要求和施工安全，又方便了大型机械作业。避免了钢架两侧拱脚同时悬空和围岩还未稳定就开始进行下一级台阶施工，将隧道开挖对围岩的扰动控制在最小程度，提高了围岩的稳定性。

(3)“三台阶四步交错法”施工改进了作业方式，将3个台阶的不同部位同步掘进，保证了隧道施工安全步距，缩短了从掌子面开挖至初期支护封闭成环的时间，提高了施工安全系数。

(4)“三台阶四步交错法”施工方法简便、灵活，在不增加临时支护的前提下，通过调整施工工序，能保证超前小导管、锁脚锚管的施工质量，减小了围岩裸露时间，提高支护效率，能在开挖后的第一时间进行初期支护施工，减小了初期支护拱顶下沉量和拱脚收敛量。

(5)“三台阶四步交错法”施工可以视实际情况取消核心土，通过制作开挖台架，极大程度的缩短了开挖爆破作业时间。

3 施工关键技术

3.1 施工工艺流程

“三台阶四步交错法”施工工艺流程见图2。

图2 施工工艺流程

3.2 施工准备

3.2.1 合理确定3个台阶的开挖高度

上台阶的开挖高度应为隧道开挖跨度的0.3倍左右，中、下台阶各自的开挖高度应为隧道总开挖高度(不包括仰拱高度)减去上台阶开挖高度的一半。结合本工程的具体情况，最终确定上台阶高度3.99 m，中台阶3.20 m，下台阶3.36 m。

3.2.2 合理确定各台阶的开挖长度

影响隧道台阶法开挖的稳定性有多种因素，诸如上、中、下断面和仰拱段的各自长度、台阶高度、支护参数、掘进进尺等等。虽然横断面上断面闭合围岩会趋于稳定，但是从纵断面角度上看，隧道闭合意味在各个阶段(上、中、下层断面的支护和仰拱支护)都要完成才能形成闭合的状态，如图3所示。故不能只看开挖横断面是否稳定，还要从整体上看隧道开挖后的纵断面是否稳定，也就是要认真研究隧道开挖的纵断面结构形式。

图3 开挖纵断面(单位：cm)

根据大量沉降观测数据显示，上台阶开挖完成后稳定期约为4～5 d，中、下台阶开挖完成后稳定期约为8～10 d。根据日进尺量确定各层台阶的合理长度为上台阶6 m、中台阶11 m、下台阶18 m。

3.3 第一步、第二步开挖施工

3.3.1 钻孔、爆破作业

隧道掘进时，上、中、下3层台阶同时开挖，中、下台阶交错开挖。即上台阶开挖1榀钢架(掘进0.8 m)，中台阶右侧开挖2榀钢架(掘进2×0.8 m)，下台阶左侧开挖2榀钢架(掘进2×0.8 m)；接着是下一循环上台阶开挖1榀钢架，中台阶左侧2榀钢架，下台阶右侧2榀钢架。

施工过程中可搭设简易开挖台架，配备适量的风枪进行钻爆作业。根据掌子面围岩状况，调整钻爆参数。

3.3.2 上台阶扒碴

钻爆结束后挖掘机先将上台阶残碴扒至中、下层台阶，残碴形成缓坡，便于用装载机将预制钢拱架、钢筋网片等原材料运送至上层台阶。挖掘机对上台阶工作面清理完毕后，进行下一道工序施工。

3.3.3 上台阶支护安装

扒碴工作结束后在上台阶进行初期支护的安装作业，挖掘机在中台阶出碴，装载机在下台阶出碴，3个台阶同步进行各自的作业。

上台阶立架结束后，接入风管水管，进行系统锚杆、锁脚锚管和超前小导管施工。待中、下层台阶出碴完成后立架工人开始先后进行中、下层台阶的立架作业。

3.3.4 上层台阶喷锚

上层台阶超前小导管、系统锚杆、锁脚锚管等支护施工完成后，用喷锚机械手对上层台阶进行喷锚作业。此时中层台阶立架作业已经完成，上层台阶的支护工人开始进行中层台阶系统锚杆及锁脚锚杆施工，中层的立架工人开始进行下台阶立架作业。

上层台阶喷锚完成后，中层台阶同时也完成了系统锚杆及锁脚锚管的施工，喷锚机械手接着对中层台阶进行喷锚作业，此时下层台阶开始进行系统锚杆及锁脚锚管施工。中层台阶喷锚完成后，下层台阶系统锚杆及锁脚锚管的施工也同时完成，开始对下层台阶进行喷锚施工作业。

超前支护：在拱部和边墙部位打设长2.5 m、∅42 mm×3.5 mm无缝钢管制作的注浆小导管，间距0.4 m，外插角1～5°，搭接长度1.7 m，压注1∶1水泥浆，注浆压力1.0～1.8 MPa。

初期支护：Ⅰ20a型钢分段制作全环钢架，间距0.8 m，L=1.3 m、∅25 mm螺纹钢筋做纵向连接钢筋，间距1 m，交叉布置。分段制作的拱、墙钢架必须准确对接，焊接牢固，要及时焊接纵向连接钢筋，使初支尽早成环。拱、墙部位钢筋网用∅8 mm钢筋，间距20 cm×20 cm。系统锚杆：拱部用长4 m、∅22 mm组合中空锚杆，边墙采用长4 m、∅22 mm砂浆锚杆，间距均为1.2 m×1.0 m(环×纵)，压注1∶1水泥浆，注浆压力1.0～1.8 MPa。全环喷射厚度为28 cm的C25混凝土。在每个钢架接头处打设2根长6.0 m、∅50 mm×5 mm的注浆锁脚锚管，锁脚锚管必须及时打设，立即压注1∶1水泥浆，注浆压力1.0～1.8 MPa，并要立即与钢架焊接牢固，必要时可加焊钢筋头或扁钢。

隧道初期支护喷射混凝土作业应使用大型机械手进行湿喷作业。湿喷作业具有回弹量小、粉尘小、作业时间短等优点。喷射混凝土作业时间要与支护作业时间相匹配，上、中、下层台阶同步施工，以缩短循环时间，加快初期支护施工进度。

3.3.5 循环进行第二步开挖作业

上一循环完成后以相同的步骤进行第二步开挖作业，即开挖上层台阶+中层台阶左侧+下层台阶右侧施工。

3.4 核心土开挖

根据台阶长度，核心土开挖每隔2循环(上台阶进尺约1.6 m，中、下台阶进尺约3.2 m)开挖一次。钻爆、出碴作业与第一、第二步的钻爆、出碴作业同步进行。

3.5 隧底开挖及支护

当上台阶开挖进尺达到3 m时，进行一次隧底开挖，隧底一次开挖长度控制在3 m左右。采用人工配合机械开挖，人工清底，并及时施作仰拱初支,尽早将初期支护闭合成环。根据《高速铁路隧道工程施工技术规程》中相关规定，隧道开挖后初期支护封闭位置距离掌子面不得大于35 m，所以隧底开挖工序必须及时、连续。隧底开挖及支护施工利用仰拱栈桥进行，与隧道上、中、下台阶施工互不干扰。

3.6 仰拱和二次衬砌施工

隧底开挖和支护完成后，及时进行仰拱及二次衬砌的施工。根据《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》和《关于进一步明确软弱围岩及不良地质铁路隧道设计施工有关技术规定的通知》中的相关要求，Ⅴ级围岩二衬距离掌子面不得大于70 m，Ⅳ级围岩二衬距离掌子面不得大于90 m。

4 结束语

在赤峰至喀左铁路工程的建平隧道施工过程中，采用“三台阶四步交错法”开挖施工技术，顺利地完成了大断面软弱地层隧道施工，消除了塌方隐患，提高了施工工效，缩短了工期，施工质量和施工安全得到了保证，在Ⅴ级围岩段中取得了月进尺71.6 m的好成绩，收到了良好的社会效益和经济效益。“三台阶四步交错法”开挖施工工法适合在公路、铁路、高速铁路大断面软弱地层隧道施工中应用。