三臺(tái)階預(yù)留核心土法施工技術(shù)在重載鐵路黃土隧道中的應(yīng)用

中鐵七局集團(tuán)第五工程有限公司，河南 鄭州 450000

1 施工方法及步驟

開(kāi)挖方法為采用挖掘機(jī)開(kāi)挖，人工配合修整，挖掘機(jī)配合裝載機(jī)出渣，無(wú)軌運(yùn)輸出渣。首先進(jìn)行上、中臺(tái)階開(kāi)挖，開(kāi)挖完成后配合裝載機(jī)裝渣，后八輪運(yùn)渣，同時(shí)上、中臺(tái)階人工修整并立架；裝渣完成后，下臺(tái)階和仰拱同時(shí)開(kāi)挖。立架完成后，先進(jìn)行下臺(tái)階及仰拱的噴射作業(yè)，噴砼完成后，及時(shí)回填仰拱，然后挖除核心土，濕噴機(jī)械手前移施工進(jìn)行上、中臺(tái)階噴砼，完成此循環(huán)。預(yù)留核心土有其不可替代的作用，它能減少開(kāi)挖的臨空面，支撐掌子面土體穩(wěn)定，又能夠?yàn)槌跗谥ёo(hù)施工提供一個(gè)自然的作業(yè)平臺(tái)。中導(dǎo)和下導(dǎo)左右側(cè)對(duì)稱開(kāi)挖、下臺(tái)階和仰拱同時(shí)開(kāi)挖，以達(dá)到快速封閉成環(huán)的目的，同時(shí)將仰拱封閉成環(huán)同掌子面距離控制在1.5倍洞徑以內(nèi)。具體施工步驟如下。

第一步：人工配合機(jī)械開(kāi)挖上臺(tái)階，臺(tái)階長(zhǎng)度控制在5m左右，上臺(tái)階預(yù)留核心土，開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺同初期支護(hù)鋼架間距相同。檢查斷面尺寸，每一開(kāi)挖循環(huán)采用全站儀檢查一次隧道開(kāi)挖斷面中線及高程和斷面尺寸，嚴(yán)禁欠挖，嚴(yán)格控制超挖。第二步：上臺(tái)階開(kāi)挖完成后，臺(tái)階長(zhǎng)度控制在5m左右，再人工配合機(jī)械開(kāi)挖中臺(tái)階，當(dāng)隧道掌子面不穩(wěn)定時(shí)，中臺(tái)階應(yīng)預(yù)留核心土，臺(tái)階高度控制在3～4m。每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺不大于2榀鋼架間距，兩側(cè)對(duì)稱開(kāi)挖，驗(yàn)收合格后，施作上、中臺(tái)階的初期支護(hù)。第三步：在滯后中臺(tái)階約5m距離后，下臺(tái)階和仰拱同時(shí)開(kāi)挖，下臺(tái)階對(duì)稱開(kāi)挖，每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺不大于2榀鋼架間距。驗(yàn)收合格后，施作初期支護(hù)。第四步：出碴，采用裝載機(jī)或挖裝機(jī)配合自卸汽車裝運(yùn)。施工完成后循環(huán)施工第一、二、三、四步。具體開(kāi)挖情況如圖1、圖2所示。

圖1 預(yù)留核心土正面圖（單位：m）

圖2 預(yù)留核心土剖面圖（單位：m）

2 應(yīng)用實(shí)踐

2.1 采用三臺(tái)階法開(kāi)挖，上臺(tái)階預(yù)留核心土

人工配合挖掘機(jī)施工，開(kāi)挖后人工修邊，機(jī)械開(kāi)挖時(shí)預(yù)留30cm由人工開(kāi)挖，用風(fēng)鎬開(kāi)挖修整，局部欠挖用洋鎬處理，盡量減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)，發(fā)揮圍巖的自承能力。開(kāi)挖時(shí)嚴(yán)格控制超欠挖，并保證巖面圓順。施工前根據(jù)隧道地質(zhì)情況預(yù)留開(kāi)挖變形量，施工前期可采用設(shè)計(jì)要求15cm的預(yù)留量，當(dāng)埋深大于30m時(shí)，可根據(jù)優(yōu)化的開(kāi)挖工藝及支護(hù)措施，通過(guò)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整預(yù)留量，以達(dá)到節(jié)約投資的目的。鋼架一般在初噴混凝土后立即架設(shè)，若圍巖軟弱、自穩(wěn)時(shí)間短，可先架設(shè)鋼架，然后噴混凝土封閉。

2.2 鋼筋網(wǎng)片安裝

安裝前首先進(jìn)行隧道斷面輪廓的測(cè)量，若發(fā)現(xiàn)輪廓線有侵限必須先進(jìn)行處理。鋼筋網(wǎng)采用人工鋪設(shè)，固定采用鋼筋頭臨時(shí)固定在周邊土層，格柵鋼架安設(shè)好后，與鋼架焊接牢固。鋼筋網(wǎng)片應(yīng)布設(shè)在靠近圍巖面的一側(cè)，格柵拱架外側(cè)。各鋼筋網(wǎng)片間要求搭接1～2個(gè)網(wǎng)格。

2.3 格柵鋼架加工及安裝

（1）格柵鋼架各分節(jié)及相關(guān)連接部件均由鋼筋加工廠工廠化制作而成，隧道內(nèi)僅通過(guò)連接部件組裝鋼架。格柵鋼架分節(jié)時(shí)，應(yīng)加大鋼架分段長(zhǎng)度，減少分段數(shù)量。上臺(tái)階應(yīng)分3節(jié)安裝，避開(kāi)拱頂和開(kāi)挖最大跨度處等應(yīng)力集中地段。（2）安裝前進(jìn)行開(kāi)挖斷面輪廓測(cè)量，嚴(yán)禁欠挖，驗(yàn)收合格后即安裝格柵鋼架，格柵鋼架連接要做到上、下端螺栓孔對(duì)齊。安裝時(shí)應(yīng)準(zhǔn)確測(cè)量定位，由測(cè)量人員控制樁點(diǎn)放樣，保證其安裝精度，并且要符合設(shè)計(jì)輪廓要求。鋼架間用縱向連接筋連接牢固，環(huán)向間距根據(jù)圍巖級(jí)別內(nèi)外交錯(cuò)設(shè)置，以便形成整體受力結(jié)構(gòu)。拱腳嚴(yán)禁落空或放置在虛渣上，鋼架與圍巖之間用混凝土墊塊支墊，雙線隧道墊塊布置間距不大于2m。安裝鋼架時(shí)，要嚴(yán)格控制其內(nèi)輪廓尺寸，且預(yù)留沉降量防止侵限。鋼架安裝好后，用鎖腳錨管焊接鎖定，鎖腳錨管與格柵鋼架通過(guò)“L”形連接筋焊接連接成整體，防止鋼架發(fā)生移位。

2.4 拱腳增設(shè)防虛渣鋼隔板

為解決初支鋼架連接處噴射混凝土存在虛渣、噴射混凝土不密實(shí)、連接板連接不密貼等問(wèn)題，項(xiàng)目開(kāi)展了拱腳增設(shè)防虛渣鋼隔板工藝試驗(yàn)。通過(guò)在格柵鋼架拱腳加設(shè)鋼隔板進(jìn)行混凝土噴射和虛渣隔離，有效解決了以上問(wèn)題，鋼隔板成品及鋼隔板拆除后效果如圖3、圖4所示。

圖3 鋼隔板成品

圖4 鋼隔板拆除后效果

2.5 噴射混凝土施工

噴射混凝土采用濕噴機(jī)械手施工，先進(jìn)行下臺(tái)階和仰拱的噴射施工，噴砼完成后，及時(shí)回填仰拱，然后將噴射混凝土機(jī)械手前移，進(jìn)行上、中臺(tái)階噴砼施工。

噴射作業(yè)分段、分片、分層，由下而上分層噴射，初次噴射混凝土的厚度不小于4cm，初噴完成后掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片，下一層噴射在上一層混凝土終凝后進(jìn)行。分段長(zhǎng)度不宜大于6m。在噴射側(cè)壁時(shí)應(yīng)清除上部斷面噴射時(shí)的回彈物，以免卷入下部噴層，降低初期支護(hù)強(qiáng)度。

3 施工注意事項(xiàng)

（1）隧道拱腳通常用混凝土墊塊墊實(shí)。由于混凝土墊塊笨重、易破損，與噴射混凝土黏結(jié)后不易拆除，因此通過(guò)實(shí)踐將其優(yōu)化為改性聚氨酯墊板、泡沫鋁合金墊板，使其具有強(qiáng)度高、輕便耐用、可多次循環(huán)使用等優(yōu)點(diǎn)。（2）鎖腳錨管是保證初期支護(hù)安全的重要措施，保證了格柵鋼架在受到側(cè)向力時(shí)不發(fā)生向洞內(nèi)的位移變形；在各臺(tái)階施工的底腳部位設(shè)置鎖腳錨管，每處2根，錨管角度斜向下45°，鎖腳錨管與格柵鋼架通過(guò)“L”形連接筋焊接成整體。（3）隧道全段采用由格柵鋼架、鋼筋網(wǎng)及噴射混凝土組成的聯(lián)合支護(hù)體系。施工中要注意單元間節(jié)點(diǎn)板的螺栓連接質(zhì)量，縱向連接鋼筋的數(shù)量、間距及焊接質(zhì)量。格柵鋼架應(yīng)靠緊圍巖，其與圍巖的間隙應(yīng)用噴射混凝土填實(shí)。（4）超挖部分必須采用噴射混凝土或同標(biāo)號(hào)混凝土回填密實(shí)，不得用片石等填筑或人為造成空洞。（5）控制噴射混凝土厚度，用埋設(shè)鋼筋頭設(shè)置砼厚度的標(biāo)志。噴砼完成后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行厚度檢查，若厚度不足要及時(shí)補(bǔ)噴。

4 結(jié)論

浩吉重載鐵路南王隧道通過(guò)應(yīng)用三臺(tái)階預(yù)留核心土法施工技術(shù)，在確保安全的情況下使施工過(guò)程有序可控，實(shí)現(xiàn)了黃土隧道快速開(kāi)挖掘進(jìn)及初支封閉成環(huán)的施工目標(biāo)，保證了施工進(jìn)度，為其他黃土隧道施工提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

（1）按照“兩緊跟”原則施工，上臺(tái)階開(kāi)挖預(yù)留核心土。上臺(tái)階預(yù)留核心土使掌子面更加穩(wěn)定，初支鋼架緊貼掌子面能夠有效穩(wěn)定掌子面圍巖，仰拱緊跟是確保初期支護(hù)安全的根本措施，快速形成完整的初期受力體系降低了掌子面圍巖坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。施工中把超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和監(jiān)控量測(cè)納入工序管理，嚴(yán)格控制開(kāi)挖進(jìn)尺，做到“初支緊跟掌子面，仰拱緊跟下臺(tái)階”，使初支快速成環(huán)，最大限度地保證了現(xiàn)場(chǎng)的施工安全，提高了質(zhì)量。（2）采用左右兩側(cè)對(duì)稱開(kāi)挖、下臺(tái)階與仰拱同步開(kāi)挖的方案。應(yīng)用該技術(shù)縮短了臺(tái)階長(zhǎng)度，達(dá)到了短進(jìn)尺、少擾動(dòng)開(kāi)挖及早封閉的目的，并且減少了圍巖的擾動(dòng)，降低了開(kāi)挖軟弱圍巖地段的潛在風(fēng)險(xiǎn)，縮短了循環(huán)作業(yè)時(shí)間。快速封閉開(kāi)挖斷面抑制了圍巖收斂變形，仰拱初支與下臺(tái)階同步封閉成環(huán)加強(qiáng)了初期支護(hù)的穩(wěn)定性，在保證施工安全與質(zhì)量的前提下加快了現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度。（3）仰拱初支與上、中、下臺(tái)階同步施工，減少了仰拱單獨(dú)開(kāi)挖工序。與三臺(tái)階法相比，下臺(tái)階與仰拱一次開(kāi)挖支護(hù)及時(shí)封閉成環(huán)，縮短了初支仰拱施工循環(huán)時(shí)間，加快了初支封閉成環(huán)時(shí)間。該方法能有效阻止支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平收斂，減少隧道圍巖變形，是隧道施工防坍塌的關(guān)鍵技術(shù)；缺點(diǎn)是需要進(jìn)行仰拱回填，后續(xù)施工仰拱二襯需要二次開(kāi)挖。