下穿村庄和公路的隧道四台阶六步开挖技术研究

张星江 ZHANG Xing-jiang

（云南交投集团云岭建设有限公司，昆明 650224）

0 引言

当今中国的高速公路获得了突飞猛进的发展，已有18 个省份实现了“县县通高速”的目标，高速公路给人们的生产、生活带来了方便，并且越来越以速度、舒适、生态、环保为设计宗旨，“桥隧比”越来越高，“逢山修隧道，遇水架桥”已成了常态。同时，工程设计理论、设计理念、材料、机械设备有了跨越式的发展，施工技术也得到了较大的提高，随之而来设计上出现了越来越多的需要穿过软弱围岩层、下穿村庄和公路的隧道。此类隧道的施工，需要解决常规隧道遇到的坍塌、拱顶整体下沉、收敛严重等技术难题，还须确保隧道上方村庄和公路不能出现下沉、开裂、坍陷甚至冒顶的质量事故。为此，笔者发明了一种隧道开挖施工技术——公路隧道三台阶五步开挖施工方法。随着人们对质量要求的提高，最新施工技术规范要求“仰拱衬砌混凝土应整幅一次浇筑成形，不得左右半幅分次浇筑，一次浇筑长度不宜大于5.0m”。鉴于此，基于“公路隧道三台阶五步开挖施工方法”技术的“四台阶六步开挖施工技术”应运而生。

在云南思茅至澜沧高速公路缆皮林隧道施工方案设计时，针对隧道施工需要穿过软弱围岩层、下穿村庄和公路的问题，在结合“公路隧道三台阶五步开挖施工方法”技术的基础上，增加了“一个台阶一个步骤”进行施工，解决了“确保隧道上方村庄和公路不能出现下沉、开裂、坍陷甚至冒顶的质量事故”的问题。

1 工程概况

云南思茅至澜沧高速公路第2 合同段缆皮林隧道为分离式隧道，左右幅间最小净距6.5m，其左线起讫桩号ZK82+200～ZK82+545，长345m，右线起讫桩号K82+180～K82+533，总长353m，左右洞最小净距约6m。隧道设计净跨为11.0m，净高为7.1m，双向四车道。隧道下穿石狮子村和省道S309 线，左线浅埋段埋深14m，右线浅埋段埋深17m。S309 省道车流量较大，载重货车较多，隧道与省道呈斜交状态，且斜交角度过大。路线穿越一北西～南东向山体脊岭地带，隧道进口位于一山体凸脊地带，出口位于一凹坡近坡脚地带，洞身略呈弧形展布。山脊狭长，脊顶地形平缓，脊顶一带有居民点分布，山脊以东侧不远为S309 省道。隧道所处围岩均为Ⅴ级，洞口分布残坡积含砾粉质粘土及全风化糜棱岩，洞身围岩主要由强风化糜棱岩构成。

2 关键技术方案选择

2.1 总体施工方案

洞门、明洞段、二衬、路面、交安工程等结构，以及超前地质预报、超前加固、超前支护等内容按常规方法施工，在此不祥细叙述。

洞身所处的围岩均为Ⅴ级，岩层为强风化糜棱岩，该岩层强度低，易引起渗漏和形成软弱夹层，对岩体稳定不利。另外，隧道需要下穿村庄和公路，要求不能出现下沉、开裂、坍陷甚至冒顶的质量事故，并且不能产生振动、影响到居民的起居生活，所以要求采用的施工方法以对隧道上方村庄和公路影响较小的方法为首选，施工中尽量不用爆破方式开挖（至少上台阶开挖不用爆破），以挖掘机（可更换破碎锤头）或凿岩台车为主、人工用风镐凿除修整配合的方式，降低震动，减少对隧道上方村庄和公路的干扰。

考虑到上述两个因素，决定采用以“公路隧道三台阶五步开挖施工方法”技术改进的“四台阶六步开挖施工技术”施工。该技术把隧道立面上分为四层台阶（上、中、下台阶和隧底）、平面上沿纵向方向分为六个开挖面（上台阶和隧底各1 个工作面、中台阶和下台阶各2 个工作面）进行施工。上台阶预留核心土环形开挖，其他台阶各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开、分步平行开挖、分步平行施作初期支护，超前支护和初期支护紧跟开挖平行作业，仰拱及时闭合，构成全环稳固的初期支护系统。

2.2 技术原理

遵从新奥法的基本原理，其重点是充分发挥围岩的自承能力。该技术从减少对围岩的扰动及提高围岩的自承能力出发，基于分台阶和分部开挖的技术，优化组合，合理的分台阶和分部，尽早支护闭合成环保证围岩的自承能力，保证施工安全，提高施工质量；同时提供较大的操作空间、较多的作业面保证平行流水施工，加快施工进度。

3 施工技术要点

开挖顺序见图1：以隧道起拱线为分界面，上半断面再一分为二成2 个台阶（姑且标记为上台阶和中台阶），下半断面也一分为二成2 个台阶（标记为下台阶和底部）。先预留核心土环形开挖上台阶1 部，然后分左右侧错开开挖中台阶及上台阶的核心土组成的2、3 部，再分左右侧错开开挖下台阶的4、5 部，最后开挖底部6（仰拱范围）。

图1 隧道四台阶六步法开挖示意图

3.1 洞口浅埋段施工

3.1.1 完善洞口施工防排水系统

施工前做好地表情况调查，完善施工范围内地表防排水系统，特别是对顶部及两侧的冲沟进行疏导引流，减少地表水对隧道周边岩体的侵蚀。

3.1.2 洞口边、仰坡防护。

主张“零开挖进洞”，尽量不扰动或不破坏洞口边、仰坡上的植被。但对洞口端存在危石、堆积、偏压等不良地质时，施工前进行清理、锚喷网防护、管棚超前支护等措施。

3.1.3 洞口浅埋段施工

在洞口Ⅳ、Ⅴ级围岩段进洞施工时采用双排长度为6m 的ф42×4mm 注浆小导管超前支护，前后循环间搭接长度在1.2m 以上；在土质或全、强风化的Ⅴ、Ⅵ级围岩段进洞施工时采用单排长度为22m 以上的ф108×6mm 大管棚超前支护，管棚间适当辅以长度为6m 的ф42×4mm 注浆小导管。

3.1.4 施工套拱及进洞施工。

施工套拱作用是预防洞顶落石，确保进洞安全，套拱施工长度2m。在套拱、ф108×6mm 大管棚或ф42×4mm 小管棚的防护下进行隧道洞身开挖施工。

3.2 超前支护

常用的超前支护方式有超前大管棚和超前小导管两种。超前小导管是在对施工安全要求较高的条件下使用，当地层卡钻严重时，可采用自进式锚杆。小导管一般采用ф42×4mm 的钢管，纵向长度4～6m。前后循环超前小导管间搭接长度在1.2m 以上，型钢间距为0.6～0.8m。

3.3 上台阶开挖与支护

进行拱部超前支护后，以挖掘机（可更换破碎锤头）或凿岩台车为主、人工用风镐凿除修整配合，预留核心土环形开挖上台阶1 部，碴土用挖掘机清运至中台阶。上台阶纵向长度控制在5m 内，高度在3.5m 左右，开挖矢跨比应大于0.3，弧形内外环的层间高度在1.8m 左右。每循环开挖进尺1 榀钢架（约50～60cm），开挖后应及时按“初喷—钢筋网—锚杆—钢架—复喷”的支护形式实施初期支护。

3.4 中台阶开挖与支护

紧跟上台阶，中台阶开挖前必须先进行超前支护，用挖掘机（可更换破碎锤头）对中台阶一侧2 部及上台阶核心土进行开挖支护后，再错开开挖另一侧3 部并支护，碴土用挖掘机或装载机装车运出洞外。中台阶纵向长度控制在15m 内，高度在3.5m 左右，左右侧错开5m 左右，不能同一断面左右侧同时开挖，避免钢架悬空。每循环开挖进尺2～3 榀钢架（约100～180cm），初期支护及锁脚方式与上台阶一样，上、中台阶的钢架接头必须采用钢板连接，接头固定紧密，线形平顺，没有凸起。

3.5 下台阶开挖与支护

紧跟中台阶，用挖掘机（可更换破碎锤头）对下台阶一侧4 部进行开挖支护后，再错开开挖另一侧5 部并支护。下台阶纵向长度控制在15m 内，下台阶高度在3m 左右，左右侧错开5m，不能同一断面左右侧同时开挖，避免钢架悬空。每循环开挖进尺2～3 榀钢架（约100～180cm），初期支护与上台阶一样，若拱架下沉、变形量大可增加锁脚，中、下台阶的钢架接头与中台阶一样。

3.6 隧道底部、仰拱衬砌与填充施工

紧跟下台阶，用挖掘机（可更换破碎锤头）对隧道底6部进行开挖，使钢架闭合成环。仰拱距掌子面距离35m 左右，6 部高度在1m 左右，每循环开挖进尺3～5 榀钢架（约150～300cm），初期支护与上台阶一样，下台阶与隧道底部的钢架接头与中台阶一样。隧道底部的钢架闭合成环后，即可施工仰拱衬砌，一次施工的仰拱衬砌纵向长度不宜大于5m。按设计及规范安装好仰拱衬砌钢筋，安装好模板（可一次安装好仰拱衬砌及填充混凝土的模板），先浇筑仰拱混凝土，待仰拱混凝土初凝后再浇筑填充混凝土。为了保证仰拱衬砌受力和质量，要求仰拱衬砌混凝土整幅一次浇筑。为减少对前方施工作业的影响，一般需要采用钢结构的移动栈桥跨越。为方便栈桥架设和控制仰拱开挖暴露距离，要求仰拱一次浇筑长度不大于5.0m。

3.7 地质超前预报和监控量测

通过超前地质预测预报，可主动获取地质信息，及时发现异常情况。预报开挖面前方不良地段的位置、规模和性质，为优化设计、完善设计、制定科学合理的施工方法提供地质信息依据。确保为施工提前做好准备，及早制定预案，采取相应的技术和安全措施，以保证施工的正常、安全进行。地质素描、物探、超前钻探方法是软弱围岩超前预报的主要手段。在破碎带和断层地段，加强超前长、短钻孔，及时探明隧道前方地质情况，特别是地下水的发育情况，严禁在未探明情况下盲目开挖。

监控测量工作必须紧跟开挖、支护作业进行布点和监测，并根据现场施工情况及时调整测量项目和内容，量测数据应及时分析处理，并与工程类比法相结合，及时反馈以便调整支护参数或施工决策。

4 施工情况及应用效果

4.1 施工情况

该隧道的洞身工程于2018 年3 月6 日开始，由于地面水、地下水影响不大，围岩基本与设计吻合，主要用挖掘机和带破碎锤头的挖机开挖，采用既分台阶又分部的“四台阶六步开挖技术”施工，并采用单边进洞（另一端只是开挖施工明洞段），每个洞平均开挖进尺27m/月，2 个洞于2019 年6 月10 日顺利贯通。

4.2 工程监测与结果评价

隧道洞身施工过程处于安全、优质的可控状态，并按照计划工期要求完成。隧道上方的村庄建筑和公路没有出现下沉、开裂、坍陷甚至冒顶情况，经过第三方监控量测单位的检测，隧道整体情况良好，没有二衬厚度不足及侵限或其它质量缺陷，顺利的通过了验收。整个隧道土建工程造价6204 万元（不包括沥青路面、机电、交通工程等），使施工单位的施工成本得到了降低。

5 分析与对比

①隧道四台阶六步开挖技术综合了台阶开挖法和分部开挖法的优点。采用该技术施工降低了安全和质量的预支成本，节约了施工管理成本，加快了施工进度，确保了施工安全及工程质量，是一种可行性强的隧道施工方法。

②该技术与相同围岩条件常用的施工方法（台阶法、三台阶法、两台阶五步法等）相比较，施工较为安全可靠。该技术采用分台阶、分部开挖技术，实施短进尺、及时封闭的原则，可以较大的减少对围岩的扰动，保护围岩的天然承载力。仰拱及时闭合，能较好地保证隧道的整体稳定性及隧道施工的安全性，很好地避免了冒顶、塌方等事故，避免了坍方引起的牵引破坏，避免对地表的破坏，能保证隧道的整体稳定性及隧道施工的安全性。

1）施工中分四台阶并预留上台阶的核心土、左右侧分步开挖等方法，以减少对围岩的扰动，保护围岩的天然承载力，能较好地保证围岩的稳定性及在安全的环境条件下进行隧道施工。

2）采取各台阶及各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开、分步平行开挖、分步平行施作初期支护，施工支护采用较强的钢拱架喷锚支护，超前支护和初期支护紧跟开挖平行作业，仰拱及时闭合，构成全环稳固的初期支护系统，以有效地加强围岩的自承能力，保证能在安全的环境条件下进行隧道施工。

3）通过对围岩进行监控量测，把握施工中所处的安全状态，反馈围岩变化信息来指导现场施工，并及时调整支护参数和确定二次衬砌的时间，有效抑制围岩变形，能较好地保证隧道的整体稳定性及隧道施工的安全性。

4）通过对各工序间的合理管理，各班组间交接时间的压缩，能提高施工速度，减少围岩暴露的时间，避免围岩的自承能力的降低。

5）易形成流水循环施工，循环作业时间大大缩短，使初期支护能更早封闭成环，保证施工安全。

6）减少了超挖，减少了对围岩的扰动，维护掌子面的稳定，很好地避免了冒顶、塌方等事故，避免了坍方引起的牵引破坏，避免对地表的破坏，能保证隧道的整体稳定性及隧道施工的安全性。

③采用该技术施工，工程质量好。该技术施工的毛洞成型好，且超欠挖少，初期支护质量容易控制。

1）采用短进尺多部开挖的方法，使毛洞成型好，减少了超欠挖，初期支护质量容易控制。

2）受施工扰动相对较小，不易因机械设备碰触或人为损伤造成初期支护质量下降。同时，因不涉及临时支护的安拆，初期支护表面外观质量也能得到保证，为后续防水层施工质量奠定了良好的基础。

3）以钢架为主的初期支护系统性能稳定可靠；初期支护整体性强，与二次衬砌结合紧密，能保证隧道初期支护、二衬的质量。

④该技术与其他软弱围岩隧道施工方法（双侧壁导坑法、CD 法、CRD 法、三台阶临时仰拱法、三台阶七步法等）相比较，施工速度快、经济效益显著、社会效益好。减少了分部开挖次数，无过多的临时支护，节约大量的型钢、钢筋、锚杆、喷射砼等材料用量，以及节省了安装和拆除临时支护时间。施工工序相对较为简单，台阶之间可平行穿插作业，便于现场施工组织管理。能减少冒顶、塌方等事故，减少因坍方造成的经济损失，同时减少对社会造成的负面影响。

1）施工工序相对较为简单，不需要特殊的施工机具设备，台阶之间可平行穿插作业，便于现场施工组织管理，能节省大量的机械台班费和管理成本，减少能源的浪费。

2）作业空间相对较大，可形成平行流水化作业，减少了多工序间的相互干扰，具有较快的施工速度。

3）通过对各工序间的合理管理，各班组间交接时间的压缩，能提高施工速度，节约施工成本。

4）开挖具有足够的作业空间，便于大型机械化施工，机械利用率高，可提高工效20～45%，大大节约了工期和减少了管理成本。

5）施工作业面空间较大，空气流通较好，作业环境亦能得到很大的改善。

6）减少了分部开挖次数，无过多的临时支护，节约大量的型钢、钢筋、锚杆、喷射砼等材料用量，以及节省了安装和拆除临时支护时间。并减少了由于拆除临时支护对围岩的扰动。

7）在围岩情况或其它条件发生变化时，由于其作业空间相对较大，可以提供机械设备快速进入使用，使应急处理措施能得到快速实施。并可以迅速地转换为其它技术进行施工。

8）减少了超挖，减少了对围岩的扰动，很好地避免了冒顶、塌方等事故，能减少安全、质量预支成本。隧道坍方可造成较大的直接和间接经济损失，并造成不好的社会影响。

6 结束语

综上所述，四台阶六步开挖施工技术，可以有效预防和解决施工引起坍塌、拱顶整体下沉、收敛严重等问题，并适用于穿过Ⅴ级及以下软弱围岩层、下穿村庄和公路的隧道，是一种值得推广的施工方法。