隧道工程三臺(tái)階七步法要點(diǎn)研究

李曉朔

（江西贛粵高速公路工程有限責(zé)任公司，江西南昌330006）

0 引言

三臺(tái)階七步法主要被應(yīng)用于隧道工程中，該方法具備一定的施工優(yōu)勢(shì)，能夠提高工程項(xiàng)目的質(zhì)量，縮短隧道工程項(xiàng)目的施工周期，能夠在一定程度上提高工程項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。因此，對(duì)該技術(shù)的要點(diǎn)進(jìn)行研究、掌握該技術(shù)的應(yīng)用方法，對(duì)推進(jìn)項(xiàng)目的開(kāi)展有重要作用。

1 施工特點(diǎn)

在當(dāng)前的隧道施工中，應(yīng)用比較普遍的開(kāi)挖施工方式為中隔壁法（CD 法）、交叉中隔壁法（CRD 法）、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、臺(tái)階法、全斷面開(kāi)挖法等。在隧道工程建設(shè)的施工環(huán)節(jié)，開(kāi)挖施工階段必須做好兩側(cè)分別開(kāi)挖施工，且要在隧道內(nèi)設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)，達(dá)到隧道工程運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性要求。采用混凝土仰拱超前施工方式進(jìn)行閉合處理，可以形成穩(wěn)定性良好的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，達(dá)到隧道支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)要求。較之其他的隧道項(xiàng)目施工技術(shù)來(lái)說(shuō)，三臺(tái)階七步法有著非常明顯的優(yōu)勢(shì)。

該技術(shù)可以建設(shè)較大的使用空間，很多先進(jìn)的施工設(shè)備可以在隧道掘進(jìn)環(huán)節(jié)得到開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，從而大幅提高施工的質(zhì)量和效率，同時(shí)還能夠縮短項(xiàng)目工期，降低項(xiàng)目的運(yùn)行成本，促進(jìn)項(xiàng)目的建設(shè)和經(jīng)濟(jì)效益的全面提升。隧道工程的開(kāi)挖施工都是分階段進(jìn)行的，不會(huì)對(duì)隧道內(nèi)部造成過(guò)大的傷害和影響，可以保證隧道內(nèi)巖土結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)，避免發(fā)生坍塌事故，同時(shí)還能夠根據(jù)需要對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)做出必要的調(diào)整，保證開(kāi)挖施工進(jìn)度滿足要求，適應(yīng)性良好，且安全性高、穩(wěn)定性強(qiáng)，能夠?yàn)槠髽I(yè)帶來(lái)更高的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)隧道工程建設(shè)領(lǐng)域的發(fā)展具有很高的價(jià)值[1]。

2 隧道工程開(kāi)挖的施工要求

在隧道開(kāi)挖的施工環(huán)節(jié)，巖體基本達(dá)到靜置平衡性的要求。開(kāi)挖施工后，隧道圍巖的初始應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生變化，形成二次應(yīng)力場(chǎng)的形式。隨著時(shí)間的推移及支護(hù)施工的順利進(jìn)行，還會(huì)逐步形成三次、四次應(yīng)力狀態(tài)。從這個(gè)工作原理出發(fā)進(jìn)行分析，選擇最佳的開(kāi)挖方式，是提高隧道施工安全性的關(guān)鍵，特別在是軟弱圍巖的地質(zhì)條件下，隧道開(kāi)挖會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的擾動(dòng)，軟弱結(jié)構(gòu)面容易發(fā)生不同程度的損壞、松弛，節(jié)理、裂隙也會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，致使結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的變形。所以，施工單位應(yīng)選擇合適的施工方法，以保證施工的安全性、穩(wěn)定性合格。通過(guò)對(duì)目前我國(guó)的隧道施工方法進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，臺(tái)階法應(yīng)用廣泛，設(shè)備比較簡(jiǎn)單，施工成本低，在軟弱圍巖隧道建設(shè)中也有明顯的優(yōu)勢(shì)，所以選擇合適長(zhǎng)度的臺(tái)階結(jié)構(gòu)形式效果良好，綜合價(jià)值比較高[2]。

3 工程概況

某隧道形式被設(shè)計(jì)為分離式隧道形式，整個(gè)隧道建設(shè)總體長(zhǎng)度為457m，隧道凈寬為11.5m，凈高為5m。

右線進(jìn)口部位圍堰主要是殘積粉質(zhì)土，強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖形式，整體為Ⅴ級(jí)圍巖，圍巖結(jié)構(gòu)的聯(lián)合性比較差，不具備自穩(wěn)能力。根據(jù)施工技術(shù)要求，選擇使用環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心土的方式展開(kāi)施工。在隧道右線掘進(jìn)的施工環(huán)節(jié)，進(jìn)口部分的初期支護(hù)開(kāi)裂、拱頂沉降、地表開(kāi)裂的問(wèn)題較為明顯，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，隧道進(jìn)口部位構(gòu)造作用強(qiáng)烈，隱伏帶土體水含量較高、強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差。經(jīng)過(guò)多方專家討論、分析，最終選擇應(yīng)用三臺(tái)階七步法進(jìn)行施工，以保證工程結(jié)構(gòu)和質(zhì)量符合要求[3]。

4 施工工藝

三臺(tái)階七步法，是根據(jù)弧形導(dǎo)坑開(kāi)挖預(yù)留核心土的施工方式，按照從上到下的順序分為上、中、下三個(gè)臺(tái)階、七個(gè)步驟進(jìn)行施工，每開(kāi)挖一步都要及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)施工，各個(gè)位置的開(kāi)挖和支護(hù)要采取平行推進(jìn)的方式交錯(cuò)進(jìn)行，從而確保開(kāi)挖和治理效果滿足要求。

4.1 第一步

隧道在完成拱部初期支護(hù)施工后，環(huán)向開(kāi)挖上部弧形導(dǎo)坑。臺(tái)階施工時(shí)，應(yīng)按照百丈隧道圍巖開(kāi)挖要求逐一進(jìn)行開(kāi)挖施工，每次循環(huán)進(jìn)尺控制在6m 以內(nèi)，上臺(tái)階長(zhǎng)度超出中導(dǎo)坑為3m，高度尺寸控制在2.5m以內(nèi)。每次開(kāi)挖施工結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)噴射混凝土進(jìn)行掌子面封閉處理，同時(shí)還要進(jìn)行初期支護(hù)的施工，確保結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定性要求，且滿足現(xiàn)場(chǎng)施工安全性標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 第二步、第三步

應(yīng)用臺(tái)階法進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)，應(yīng)在隧道兩側(cè)分別開(kāi)挖，同時(shí)還要做好現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)處理，達(dá)到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性要求。在滯后于第一步的施工部分特定距離后，左右交錯(cuò)進(jìn)行隧道開(kāi)挖施工，即第二步、第三步施工：開(kāi)挖進(jìn)尺不超過(guò)0.6m、高度不超過(guò)2.5m，左右交錯(cuò)的距離為1～3m。開(kāi)挖施工結(jié)束后，應(yīng)立即噴射混凝土進(jìn)行掌子面封閉處理，然后對(duì)隧道周邊的圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行初期施工[4]。

4.3 第四步、第五步

隧道開(kāi)挖施工階段，下臺(tái)階部分的施工開(kāi)挖應(yīng)采取兩側(cè)分別開(kāi)挖的方式，且要做好支護(hù)施工，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性合格。在滯后于第三步的施工部分一定距離后，左右交錯(cuò)進(jìn)行隧道的第四步、第五步施工：開(kāi)挖進(jìn)尺不超過(guò)0.6m、高度不超過(guò)2.5m，左右交錯(cuò)的距離為1～3m，并及時(shí)噴射混凝土進(jìn)行掌子面封閉，做好周邊圍巖支護(hù)施工。臺(tái)階應(yīng)交錯(cuò)落地，單次落地長(zhǎng)度不能超過(guò)2 榀拱架。

4.4 第六步

分臺(tái)階進(jìn)行第六步上、中、下臺(tái)階核心土開(kāi)挖施工。第六步，是根據(jù)要求進(jìn)行仰拱和左右仰拱填充。在隧道開(kāi)挖的施工環(huán)節(jié)，首先需要在隧道內(nèi)部設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)，然后即可進(jìn)行分區(qū)開(kāi)挖施工，隧道內(nèi)部仰拱結(jié)構(gòu)的挖掘施工完成后，應(yīng)及時(shí)展開(kāi)支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)置施工，選擇使用混凝土噴涂的方式，封閉裸露的巖體結(jié)構(gòu)，并結(jié)合項(xiàng)目的建設(shè)方案和施工進(jìn)度計(jì)劃，按照要求進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的安裝和控制，再根據(jù)施工工藝方案進(jìn)行二次噴涂作業(yè)，保證涂層結(jié)構(gòu)的厚度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，確保隧道開(kāi)挖施工支護(hù)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量性能合格[5]。

此外，根據(jù)隧道工程項(xiàng)目建設(shè)中施工項(xiàng)目數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)要求，還應(yīng)確保施工環(huán)節(jié)中的圍巖結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的性能，保證項(xiàng)目挖掘建設(shè)的順利實(shí)施，達(dá)到項(xiàng)目的安全標(biāo)準(zhǔn)。三臺(tái)階七步法在施工時(shí)，各個(gè)工序應(yīng)相互銜接，并做好各環(huán)節(jié)的監(jiān)督、管理與控制，保證施工的質(zhì)量符合要求。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，明確施工質(zhì)量管理控制措施，嚴(yán)格執(zhí)行質(zhì)量控制的標(biāo)準(zhǔn)和要求，對(duì)工程的總體水平的提高有重要價(jià)值。

4.5 第七步

滯后于第六步施工部分超出5m 的距離，對(duì)第五步施工部分的薄弱結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行初期圍巖支護(hù)施工，其主要的工作內(nèi)容如下：先進(jìn)行初期噴護(hù)施工，噴射厚度為4cm 的混凝土，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置鋼架支撐結(jié)構(gòu)，并懸掛鋼筋網(wǎng)，將鋼筋結(jié)構(gòu)接長(zhǎng)進(jìn)行支撐，安裝、設(shè)置系統(tǒng)錨桿與鎖腳錨桿，復(fù)噴混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。而后，再進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)的施工，根據(jù)需要插入仰拱鋼筋并進(jìn)行綁扎，并開(kāi)展立模澆筑混凝土施工，然后進(jìn)行仰拱填充混凝土施工，此時(shí)要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)置中心排水溝，在內(nèi)部設(shè)置小立模結(jié)構(gòu)，待澆筑結(jié)構(gòu)形成后，再進(jìn)行仰拱頂填充混凝土施工。

5 施工控制要點(diǎn)

5.1 做好超前預(yù)支護(hù)

隧道工程項(xiàng)目開(kāi)挖施工建設(shè)中，應(yīng)采用超前預(yù)支護(hù)施工技術(shù)，以保證結(jié)構(gòu)開(kāi)挖施工達(dá)到安全性、穩(wěn)定性的要求。只有充分地利用超前支護(hù)施工技術(shù)，才能保證隧道開(kāi)挖施工各個(gè)環(huán)節(jié)的承載性能達(dá)到要求，保證承載力可通過(guò)支護(hù)結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)，切實(shí)提升隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在該技術(shù)的應(yīng)用環(huán)節(jié)，要考慮到隧道工程的具體情況，嚴(yán)格執(zhí)行勘測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，了解當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛矖l件，選擇科學(xué)、合理的支護(hù)施工方案，保證工程質(zhì)量達(dá)到要求。

5.2 嚴(yán)格控制開(kāi)挖長(zhǎng)度及臺(tái)階長(zhǎng)度

在隧道項(xiàng)目的施工環(huán)節(jié)，必須做好對(duì)每次開(kāi)挖施工長(zhǎng)度、臺(tái)階長(zhǎng)度的控制。為確保隧道項(xiàng)目建設(shè)施工的順利完成，必須設(shè)置完整的支護(hù)結(jié)構(gòu)，以達(dá)到工程的標(biāo)準(zhǔn)要求，還要做好巖土工程結(jié)構(gòu)的勘測(cè)與判斷，明確施工計(jì)劃和工藝技術(shù)要求，掌握巖石結(jié)構(gòu)參數(shù)，逐一完成施工工序，保證隧道開(kāi)挖的效果，并將開(kāi)挖長(zhǎng)度控制在6m 以內(nèi)。開(kāi)挖施工全部完成后，需要及時(shí)進(jìn)行初步混凝土噴射施工，盡量縮短隧道圍巖結(jié)構(gòu)的暴露時(shí)間。具體的隧道施工中，如果勘測(cè)數(shù)據(jù)反映出巖土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性比較差，應(yīng)盡量縮短開(kāi)挖施工的長(zhǎng)度，保證隧道初期支護(hù)施工效果合格，在保證安全性達(dá)標(biāo)的情況下完成施工。如果一次設(shè)置的開(kāi)挖施工長(zhǎng)度過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致隧道長(zhǎng)期裸露在自然環(huán)境中，支護(hù)時(shí)間延長(zhǎng)，致使結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性變差，容易影響工程的安全性，無(wú)法達(dá)到工程的施工建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和要求。

5.3 采用弱爆破

隧道工程挖掘施工環(huán)節(jié)，通常需要應(yīng)用爆破施工技術(shù)完成隧道開(kāi)挖工作。在該環(huán)節(jié)中，施工技術(shù)人員應(yīng)加強(qiáng)對(duì)爆破藥物使用量的控制，避免爆破威力過(guò)大而影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，避免產(chǎn)生嚴(yán)重的安全事故，影響人們的生命安全。

5.4 加強(qiáng)拱腳承載力

由于隧道項(xiàng)目建設(shè)的施工工藝比較特殊，在挖掘施工階段，支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載性能是比較強(qiáng)的，而且支護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)的拱腳部位承擔(dān)了主要的垂直荷載，如果該位置的承載性能不足，則容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，進(jìn)而引發(fā)安全事故。因此，在初期支護(hù)環(huán)節(jié)，應(yīng)加強(qiáng)施工質(zhì)量的控制，保證拱腳結(jié)構(gòu)的支護(hù)性能符合要求，在開(kāi)挖環(huán)節(jié)達(dá)到巖土穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)，最終達(dá)到工程的安全標(biāo)準(zhǔn)。

5.5 加強(qiáng)初期支護(hù)縱向連接

隧道結(jié)構(gòu)的圍巖穩(wěn)定性，對(duì)整個(gè)隧道項(xiàng)目的正常運(yùn)行和使用也存在著直接影響。所以，要保證巖土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的承載性能符合要求，確保圍巖符合穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)。隧道挖掘施工階段，做好隧道支護(hù)管理工作極為重要，避免對(duì)隧道結(jié)構(gòu)圍巖產(chǎn)生不利影響，防止圍巖結(jié)構(gòu)塌陷而造成較大損失。

5.6 仰拱和二襯施工

隧道工程開(kāi)挖施工階段，應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工參數(shù)和情況的監(jiān)測(cè)與控制，了解隧道開(kāi)挖臺(tái)階的總體長(zhǎng)度，并保證隧道的仰拱二襯與臺(tái)階位置形成一個(gè)整體，建設(shè)出穩(wěn)定性強(qiáng)、強(qiáng)度高的隧道支護(hù)防護(hù)結(jié)構(gòu)。因?yàn)樗淼理?xiàng)目的仰拱結(jié)構(gòu)并不具備較高的支護(hù)效果，承載性能也很差，因而隨著隧道工程施工的深入進(jìn)行，在支護(hù)性能較差的位置上就會(huì)發(fā)生巖土結(jié)構(gòu)的變形和損壞的問(wèn)題，直接造成隧道圍巖的穩(wěn)定性下降，從而誘發(fā)塌落問(wèn)題。因此，在挖掘施工作業(yè)環(huán)節(jié)，必須嚴(yán)格、有效地控制施工進(jìn)度，保證隧道結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果符合工程要求，確保內(nèi)部圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、強(qiáng)度合格。如果發(fā)現(xiàn)拱基的承載性能不足，應(yīng)立即采取二次襯砌的施工方式，保證隧道內(nèi)部形成穩(wěn)定、強(qiáng)度合格的支護(hù)形式，達(dá)到工程的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

5.7 監(jiān)控、勘測(cè)要求

現(xiàn)場(chǎng)施工人員必須隨時(shí)監(jiān)控和了解隧道內(nèi)部的地質(zhì)條件變化，勘測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并通過(guò)了解隧道施工數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整施工計(jì)劃和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的順利進(jìn)行起到積極作用。根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)的施工目標(biāo)和設(shè)計(jì)方案要求，做好現(xiàn)場(chǎng)施工的全面管理和控制，且要繪制出施工時(shí)間位移的變化曲線，以確保不會(huì)對(duì)施工安全產(chǎn)生任何負(fù)面影響。

5.8 完善隧道洞內(nèi)的臨時(shí)防、排水系統(tǒng)

隧道工程建設(shè)施工階段，應(yīng)確保內(nèi)部結(jié)構(gòu)的安全性要求，設(shè)置臨時(shí)防、排水系統(tǒng)，保證其可以及時(shí)排出內(nèi)部的積水，避免隧道工程由于浸水而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損壞，切實(shí)提升項(xiàng)目施工的安全性和穩(wěn)定性。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)該次工程案例進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用三臺(tái)階七步法進(jìn)行隧道施工具備可行性，各項(xiàng)施工環(huán)節(jié)符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，達(dá)到了隧道運(yùn)行的要求。應(yīng)用三臺(tái)階七步法進(jìn)行隧道工程施工，支護(hù)效果滿足要求，工程質(zhì)量合格，且各個(gè)結(jié)構(gòu)部分的性能達(dá)標(biāo)，不影響正常的使用和運(yùn)行。

在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析后發(fā)現(xiàn)，通過(guò)三臺(tái)階七步法開(kāi)展隧道工程施工，側(cè)墻結(jié)構(gòu)的承載性能合格，可將側(cè)向水平力及時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端結(jié)構(gòu)上，保證結(jié)構(gòu)側(cè)墻支護(hù)效果合格，達(dá)到封閉的標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，由于圍巖容易發(fā)生塑性變形的問(wèn)題，拱肩和拱底塑性區(qū)發(fā)展變化較快，仰拱封閉易變形，極易導(dǎo)致隧道變形，影響圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，所以，在高地應(yīng)力隧道工程的實(shí)施環(huán)節(jié)，應(yīng)分析現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)力變化情況，并隨時(shí)做好現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作，了解應(yīng)力變化，以便采取必要的應(yīng)對(duì)和處理措施。

總之，應(yīng)用三臺(tái)階七步法進(jìn)行施工，隧道圍巖封閉效果良好，初期封閉后可成環(huán)形結(jié)構(gòu)形式，減小地應(yīng)力的作用，保證初期支護(hù)更加安全穩(wěn)定，保證隧道建設(shè)施工更加安全，對(duì)提高隧道的運(yùn)行效果也有積極作用。