黃土隧道仰拱同步三臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)施工工法

龐旭 潘軍華 盈科

摘要：本文以新建蒙西至華中鐵路煤運(yùn)通道范里隧道開(kāi)挖施工為背景，通過(guò)變更開(kāi)挖臺(tái)階高度，仰拱同步等施工方法使初期支護(hù)快速封閉。提高施工效率，保證施工質(zhì)量，保障施工安全，收獲經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：變更開(kāi)挖臺(tái)階高度；仰拱同步施工；施工效率；施工質(zhì)量；施工安全；經(jīng)濟(jì)效益

1前言

蒙華鐵路煤運(yùn)專線范里隧道設(shè)計(jì)為單洞雙線隧道。隧道施工是促進(jìn)鐵路建設(shè)的重點(diǎn)。只有保證隧道施工技術(shù)的發(fā)展，才能不斷加深鐵路建設(shè)，才能拓展鐵路線路，才能保障施工安全以及鐵路運(yùn)行的穩(wěn)定性。所以對(duì)隧道施工技術(shù)必須充分重視。不斷提高技術(shù)水平，通過(guò)鉆研找尋更加有效科學(xué)的方式，以解決各類復(fù)雜地質(zhì)條件下遇到的隧道施工問(wèn)題，避免由于地質(zhì)問(wèn)題而引發(fā)的災(zāi)害性事故。

2工法特點(diǎn)

2.1該工法只需常規(guī)施工機(jī)械，通過(guò)合理的人員調(diào)配和結(jié)合工法就能多作業(yè)面平行流水施工。大大提高工作效益。

2.2該工法效高，機(jī)械直接開(kāi)挖，能快速施作初期支護(hù)，減少圍巖擾動(dòng)。保證施工安全。

2.3該工法不需增加特殊設(shè)備，大大的減少投入成本少，且操作適用性強(qiáng)，易推廣應(yīng)用。

3適用范圍

本工法適用于黃土隧道的施工。

4工藝原理

4.1監(jiān)控量測(cè)對(duì)隧道全方位的圍巖的穩(wěn)定性合理評(píng)價(jià)。判斷支護(hù)效果，指導(dǎo)施工工序，對(duì)施工工法的保證。在地質(zhì)條件發(fā)生變化時(shí)，便于靈活、及時(shí)地轉(zhuǎn)換施工工序，調(diào)整施工方法。

4.2三臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)對(duì)細(xì)節(jié)變更后，在保證施工安全、質(zhì)量情況下加快了施工進(jìn)度，提高工作效率，減少了施工復(fù)雜性。

4.3充分利用施工空間大的優(yōu)勢(shì)，合理有效利用機(jī)械，使施工便利且高效。

4.4適應(yīng)不同跨度和多種斷面形式，采用挖掘機(jī)直接開(kāi)挖，工效較高。

5施工工藝流程及操作要點(diǎn)

5.1施工工藝流程

黃土隧道三臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)施工工藝流程（見(jiàn)圖5.1-1）。

5.1操作要點(diǎn)

5.2.1施工準(zhǔn)備

提前組織材料進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收，對(duì)于鋼架、超前錨管等需預(yù)制材料，應(yīng)提前預(yù)制，以便及時(shí)支護(hù)。隧道開(kāi)挖應(yīng)與支護(hù)緊密結(jié)合，嚴(yán)格按照“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)、早封閉”的18字方針組織施工。

5.2.2超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)采用TSP超前地質(zhì)雷達(dá)為主，超前地質(zhì)探孔為輔。超前地質(zhì)雷達(dá)有效距離100m，每次檢測(cè)搭接長(zhǎng)度10m。該方法檢測(cè)所需時(shí)間短，且檢測(cè)效果良好。超前地質(zhì)探孔每循環(huán)施作，上臺(tái)階施工3個(gè)孔。中、下臺(tái)階施工2個(gè)，仰拱施工一個(gè)孔，有效孔深不得小于3m。然后結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)資料分析探孔土質(zhì)與設(shè)計(jì)是否相符。

5.2.3超前支護(hù)

設(shè)計(jì)熱軋無(wú)縫鋼管，單根長(zhǎng)5m，外徑50mm，壁厚5mm。外插角5°～10°為宜，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，但不得大于10°。由于該隧道為黃如土隧道，不易采用傳統(tǒng)先錨管再注漿方式，容易導(dǎo)致黃土遇水無(wú)法施工的情況，所以采用提前注水泥砂漿到小導(dǎo)管，增加小導(dǎo)管剛度。超前支護(hù)施工工序安排在立架施工完成后，由2人配合挖機(jī)頂管施工作業(yè)，尾端已鋼架作為支撐點(diǎn)焊接牢固，實(shí)現(xiàn)超前支護(hù)加固措施。

5.2.4三臺(tái)階法開(kāi)挖

1.三臺(tái)階開(kāi)挖工法調(diào)整

開(kāi)挖時(shí)將設(shè)計(jì)開(kāi)挖上臺(tái)階高度變更增加0.8m，下臺(tái)階高度減少0.8m，中臺(tái)階高度不變。

三臺(tái)階施工工法調(diào)整后施工優(yōu)勢(shì)，一是挖機(jī)對(duì)上臺(tái)階開(kāi)挖更有利，避免開(kāi)挖上臺(tái)階高度不夠，也解決上臺(tái)階高度過(guò)低挖機(jī)破壞已支護(hù)噴漿面的情況，同時(shí)對(duì)于立架施工、立架臺(tái)車安放等等都帶來(lái)了便利。二是降低了下臺(tái)階回填土與中臺(tái)階之間高度差，使得臨時(shí)仰拱橋更平，在仰拱橋臨時(shí)安裝和機(jī)械行走提高安全保障。三是減少了二次仰拱開(kāi)挖量及時(shí)間。減少施工仰拱時(shí)對(duì)初支的影響。

2.隧道開(kāi)挖、立架施工

隧道開(kāi)挖以新奧法為基本原則，以監(jiān)控量測(cè)核心控制。人工配合機(jī)械形式開(kāi)挖，開(kāi)挖機(jī)械為帶有松土器的挖機(jī)，主要負(fù)責(zé)大面積開(kāi)挖，開(kāi)挖后人工負(fù)責(zé)排險(xiǎn)找頂、挖大拱腳、邊璧修整等。隧道開(kāi)挖采用上、中、下臺(tái)階仰拱等順序依次開(kāi)挖。

上臺(tái)階開(kāi)挖，機(jī)械開(kāi)挖每循環(huán)控制0.6m左右，即1榀鋼架距離。不得開(kāi)挖進(jìn)尺過(guò)大（后期人工修整開(kāi)挖），機(jī)械開(kāi)挖時(shí)渣土堆放于中臺(tái)階，便于上臺(tái)階出渣和立架同時(shí)施工。三輛自卸汽車和一臺(tái)裝載機(jī)出渣施工，同時(shí)6人排除拱頂松散塊后修整邊壁和開(kāi)挖大拱腳，人工開(kāi)挖工具采用風(fēng)鎬。大拱腳開(kāi)挖完成立架施工，由于上臺(tái)階鋼架由3個(gè)單元組成，立架時(shí)9人立架拼裝拱架。同時(shí)開(kāi)挖中臺(tái)階，中臺(tái)階開(kāi)挖2榀鋼架距離，完成開(kāi)挖后隨即出渣。出渣同時(shí)上臺(tái)階拼裝完成后調(diào)4人至中臺(tái)階修整邊壁和開(kāi)挖大拱腳（此時(shí)上臺(tái)階3人連接件加固，2人施工鎖腳錨管），中臺(tái)階大拱腳開(kāi)挖后立架施工。同時(shí)下臺(tái)階及仰拱進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)，如果上、中臺(tái)階需要超前支護(hù)頂管（頂管作業(yè)由挖機(jī)施作，此時(shí)下臺(tái)階開(kāi)挖后延后）時(shí)開(kāi)挖渣土臨時(shí)堆放在已支護(hù)仰拱靠后兩側(cè)，開(kāi)挖完成后及時(shí)恢復(fù)臨時(shí)仰拱棧橋，方便上臺(tái)階噴砼準(zhǔn)備。此時(shí)將上臺(tái)階施工的5人及中臺(tái)階2人（中臺(tái)階2人施工鎖腳錨管）調(diào)至下臺(tái)階立架作業(yè)，確保在中臺(tái)階開(kāi)始噴砼前完成下臺(tái)階和仰拱立架施工。

3.拱架的特殊“隔板”施工

在噴射混凝土施工容易出現(xiàn)初支拱腳噴射混凝土下面與渣土粘結(jié)。下臺(tái)階開(kāi)挖后，拱腳噴射混凝土下面粘結(jié)的渣土清除不干凈，存有虛渣，形成兩次噴射混凝土結(jié)合不緊密，后續(xù)噴射混凝土與前期噴射混凝土間軟弱夾層的質(zhì)量問(wèn)題。根據(jù)不同格柵鋼架型號(hào)，制作不同尺寸的隔板。隔板材料采用厚度為10mm以上鋼板，確保其剛度滿足重復(fù)使用要求。隔板長(zhǎng)為格柵鋼架設(shè)計(jì)間距，寬為噴錨厚度加50mm（外加寬度保證抽取時(shí)利于敲擊抽?。?。另外，為便于抽取，在隔板背側(cè)加焊可以轉(zhuǎn)動(dòng)的拉手（拉手能轉(zhuǎn)動(dòng)，便于方便埋設(shè)隔板用）。

安裝隔板前，先在格柵鋼架拱腳兩側(cè)連接鋼板上方鋪8-10cm高洞渣作為找平層墊實(shí)隔板（厚度滿足下方連接鋼板螺栓能夠順利穿入），相鄰鋼架隔板兩端底部必須全部墊實(shí)牢固并保證在同一水平面，隔板就位把提環(huán)翻下并防護(hù)。隔板安裝完成后，其表面用抹布擦干凈，保證無(wú)泥土。

5.2.5噴射砼施工

開(kāi)始噴射混凝土?xí)r，從隔離板開(kāi)始由下向上逐步，噴射時(shí)嘴噴與受壓面間保持60～100cm距離，噴嘴連續(xù)、緩慢移動(dòng)。待拱腳鋼板連接處噴密實(shí)后，再噴射上部混凝土，此時(shí)控制噴頭垂直于巖面?？傮w上控制噴射順序?yàn)樽韵露?，每層控制?～5cm左右，最后噴射施工拱架連接處，可將噴嘴與受噴面呈45°角。噴射混凝土完成后，立即清除拱腳和隔板50mm寬處回彈料。

5.2.6監(jiān)控量測(cè)

監(jiān)控量測(cè)是隧道施工管理的重要組成部分，它不僅能指導(dǎo)施工，預(yù)報(bào)險(xiǎn)情，而且通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)獲得圍巖動(dòng)態(tài)的信息（數(shù)據(jù)），可及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，改進(jìn)施工方法，確保施工安全和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，同時(shí)也為混凝土襯砌支護(hù)時(shí)間提供信息依據(jù)，為完善隧道工程設(shè)計(jì)與指導(dǎo)施工提供可靠的足夠的數(shù)據(jù)。

根據(jù)施工要求，為保證工程測(cè)量質(zhì)量，建設(shè)單位設(shè)專業(yè)監(jiān)控量測(cè)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，項(xiàng)目部成立專業(yè)測(cè)量隊(duì)，工班負(fù)責(zé)埋設(shè)及保護(hù)量測(cè)點(diǎn)等。測(cè)量隊(duì)根據(jù)測(cè)量實(shí)時(shí)上傳，聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)智能分析變化趨勢(shì)。項(xiàng)目部測(cè)量隊(duì)定期出圍巖變化情況報(bào)告，作業(yè)隊(duì)根據(jù)測(cè)量報(bào)告調(diào)整施工參數(shù)和是否能施工二襯。

5.2.7襯砌仰拱施工

1.仰拱洞渣回填開(kāi)挖

仰拱開(kāi)挖盡量避免對(duì)初支的影響，一般情況選擇只有上臺(tái)階施工的情況，這個(gè)時(shí)段對(duì)初支影響較小。出渣機(jī)械盡量不要開(kāi)挖到底，留一定余量，避免破壞初支面噴砼。清理到最后用強(qiáng)風(fēng)吹，不得用水沖洗。

2.仰拱棧橋行走

當(dāng)在二次仰拱開(kāi)挖時(shí)，同時(shí)行走24m仰拱棧橋。該棧橋自動(dòng)行走采用液壓裝置，棧橋工作時(shí)前支撐于開(kāi)挖面上，后支撐于填充面上，行走系統(tǒng)懸掛于主橋前端；棧橋行走時(shí)行走系統(tǒng)支撐于開(kāi)挖面，收起前、后支撐及前、后引橋，同時(shí)驅(qū)動(dòng)輪會(huì)著于填充面上，通過(guò)驅(qū)動(dòng)輪及行走系統(tǒng)內(nèi)反作用力使棧橋前移或后退。同樣的設(shè)計(jì)同樣的設(shè)計(jì)原理也解決了仰拱棧橋的左右移動(dòng)的問(wèn)題。有效提高生產(chǎn)效率。

3.仰拱鋼架綁扎及混凝土澆筑

仰拱鋼筋在施工在兩端套上保護(hù)膠套，防止戳穿防水板，鋼筋雙層布置，先施工外層主筋，再施工外層縱向筋后排放好內(nèi)層縱向筋，其次施工內(nèi)層主筋。鋼筋保護(hù)層不得小于5cm，接頭在同一截面錯(cuò)開(kāi)25%，且最小長(zhǎng)度不得小于3m。

仰拱澆筑前隧底虛石、浮碴清理。如有積水排除干凈?；炷林苯尤雮}(cāng)分層澆筑，每層高度不大于30cm，采用軟軸式振搗棒進(jìn)行振搗，振搗時(shí)除了做到快插慢拔外，振動(dòng)棒各插點(diǎn)間距應(yīng)均勻。不要忽遠(yuǎn)忽近。一般間距不應(yīng)超過(guò)振動(dòng)棒有效作用半徑的1.5倍。振搗的時(shí)間，一般每插點(diǎn)振搗20～30s，以混凝土不再顯著下沉，不再出現(xiàn)氣泡，表面翻出水泥漿和外觀均勻?yàn)橹?。仰拱填充混凝土待仰拱混凝土初凝后澆筑?/p>

5.2.8二次襯砌施工

二襯混凝土一模施工12m，可以根據(jù)仰拱施工的進(jìn)度調(diào)整二村混凝土的進(jìn)度，不但能緊跟仰拱，還能協(xié)調(diào)初支和襯砌相互干擾，有效的控制初支圍巖變形，確保隧道施工安全。根據(jù)監(jiān)控量測(cè)反饋信息循環(huán)施工。

二次襯砌施工把人員分防水系統(tǒng)班、鋼筋班、混凝土班。各個(gè)班之間在仰拱和二襯間流水作業(yè)，互相不影響，快速推進(jìn)。同時(shí)每個(gè)班中選出1～2名班組長(zhǎng)，對(duì)班組長(zhǎng)實(shí)施獎(jiǎng)勵(lì)制和施工質(zhì)量責(zé)任制，不但提高生產(chǎn)效益，同時(shí)還保證了施工質(zhì)量。

6材料與設(shè)備

本工法使用的主要材料及設(shè)備詳見(jiàn)表6。

7質(zhì)量控制

7.1所有材料廠供材料必須有合格證書(shū)，并經(jīng)試驗(yàn)室復(fù)驗(yàn)，符合規(guī)范要求后才準(zhǔn)使用。

7.2所有投入施工的設(shè)備、儀器都必須經(jīng)檢驗(yàn)合格，并按規(guī)定對(duì)測(cè)量?jī)x器等設(shè)備、儀器進(jìn)行標(biāo)定。

7.3抓好焊材質(zhì)量控制、焊接規(guī)范的執(zhí)行和焊工培訓(xùn)，提高焊接質(zhì)量。

7.4按技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行焊接工藝評(píng)定和焊接試驗(yàn)。

7.5開(kāi)挖斷面的中線和高程符合設(shè)計(jì)要求，嚴(yán)禁超挖過(guò)大，不允許欠挖。

7.6鋼架安裝不侵入二襯斷面，底部無(wú)虛渣，保護(hù)層不小于4cm。表面護(hù)蓋不得小于3cm，周邊拼裝誤差±3cm，平面翹曲小于2cm，安轉(zhuǎn)間距偏差±100mm，高程偏差±50mm。

7.7分層噴射混凝土，拱頂一次噴射混凝土厚度5-6cm，墻部7-10cm。配合比選定和強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求，總厚度大于設(shè)計(jì)，表面平整度允許偏差30mm。噴射混凝土終凝5h后養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不小于14d。

7.8二次襯砌在初期支護(hù)變形穩(wěn)定后施工，拆?；炷翉?qiáng)度不小于8Mpa。

8安全措施

8.1對(duì)施工設(shè)備、儀器使用前，必須按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)確認(rèn)合格后方能使用。定期檢修與維護(hù)保養(yǎng)，消除事故隱患、

8.2電線路堅(jiān)持一機(jī)一閘一漏電保護(hù)器，三相五線制和保護(hù)零線重復(fù)接地做法。無(wú)論是總配電箱還是分箱，一律設(shè)門加鎖蓋防雨罩，臨時(shí)電路必須按規(guī)程要求加設(shè)。

8.3洞內(nèi)作業(yè)必須要有足夠的照明，直接用于操作的照明燈，應(yīng)采用36V的低壓防爆燈，還須設(shè)置夜間反光燈。

8.4行車安全保證，堅(jiān)持合理運(yùn)輸計(jì)劃、合理安排車輛、合理安排裝卸；定人、定車、定任務(wù)、定路線、定物資類別。

8.5做好司機(jī)的安全教育、管理教育和技術(shù)培訓(xùn)工作，落實(shí)安全責(zé)任制，嚴(yán)禁酒后駕車，帶病行車和賭氣開(kāi)車。

8.6作業(yè)人員防護(hù)用品到位，安全帽、呼吸防護(hù)具、防護(hù)鞋、防護(hù)手套、防護(hù)服等等。

8.7洞內(nèi)通風(fēng)安全措施，保證作業(yè)人員呼吸正常。

9環(huán)保措施

9.1施工中加強(qiáng)洞內(nèi)通風(fēng)，創(chuàng)造有利的施工環(huán)境。定期對(duì)隧道可能出現(xiàn)的有害、有毒氣體進(jìn)行檢測(cè)。一經(jīng)發(fā)現(xiàn)立馬處理。

9.2洞口提前做好防水系統(tǒng)，防止雨水破壞四周自然環(huán)境，堅(jiān)持做到“少破壞、多保護(hù)、少擾動(dòng)、多防護(hù)、少污染、多防治”。

9.3采取可靠措施保證原有交通正常通行和維護(hù)沿線村鎮(zhèn)的居民飲水、灌溉及正常生活。

9.4盡可能降低施工建設(shè)中噪音對(duì)周圍環(huán)境的影響。

10效益分析

10.1采用變更后的開(kāi)挖工法有效提高開(kāi)挖效率，使開(kāi)挖操作更方便，機(jī)施工快速有效。

10.2采用三臺(tái)階循序開(kāi)挖，同時(shí)支護(hù)的方法有效提高了施工效率。

10.3采用24m仰拱棧橋的利用，減少了仰拱施工對(duì)初期支護(hù)的影響等。

綜合以上幾個(gè)工法特點(diǎn)，減少了施工時(shí)間，也較少了人員的使用，節(jié)省了機(jī)械設(shè)備成本等等。

11應(yīng)用實(shí)例

范里隧道位于河南省盧氏縣境內(nèi)，該地區(qū)黃土地質(zhì)居多。該土質(zhì)松散，強(qiáng)度較低，處于第四系上更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土，灰黃色～黃褐色，硬塑，垂直節(jié)理發(fā)育，直立性良好。且該隧道洞口埋深淺，地表沉降大。

范里隧道由中鐵五局貴州公司承建。按新奧法結(jié)合該工法組織施工，隧道全長(zhǎng)僅667米，充分利用工法比計(jì)劃工期提前3個(gè)月貫通。更好的完成施工任務(wù)，促進(jìn)鐵路事業(yè)的發(fā)展，贏得更多的社會(huì)效益以及經(jīng)濟(jì)效益。

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（作者單位：中鐵五局蒙華鐵路MHTJ-15標(biāo)項(xiàng)目經(jīng)理部二工區(qū)）