隧道開挖及仰拱初期支護成環(huán)施工技術

夏青青XIA Qing-qing

（中鐵北京工程局集團有限公司，北京100000）

0 引言

目前，我國鐵路隧道施工方法為明挖法、礦山法、盾構（TBM）法、隧道掘進機法、新奧法等，其中礦山法主要重大危險為隧道開挖塌方、上部結構沉陷等，如何防止隧道開挖塌方是目前需要解決的重大問題。根據(jù)當前各方面有關隧道開挖施工塌方事故分析與總結，在隧道開挖特別是在圍巖淺埋、偏壓、斷層破碎帶及Ⅴ級圍巖地段施做下臺階及仰拱時候，隧道巖層承受載荷最大，上部、中部已做鋼架剛度和穩(wěn)定性不足，隧道會因為洞內(nèi)圍巖壓力過大而崩塌。隧道開挖后，為控制圍巖應力適量釋放和變形，增加結構安全度和方便施工，解決好隧道開挖及主要承載結構隧初期支護問題，是提高圍巖的穩(wěn)定性，保證隧道施工安全，提高隧道施工質(zhì)量的，加快施工進度，提高經(jīng)濟效益的重要保障。鑒于我國地質(zhì)、地貌復雜多變、地質(zhì)問題突出，對隧道開挖及初期的施工技術研究，需不斷加強、完善、改進，以期取得更加成效顯著的結果。以下對實際工程隧道開挖及仰拱初期支護成環(huán)工程的跟進、研究、探討、分析有著十分重要的意義。

1 工程概況及適用范圍

陽春隧道位于廣東省陽春境內(nèi)，隧道全長3363m，其中暗挖3335m，明挖28m，隧道最小埋深約6.5m，最大埋深143m。測區(qū)覆蓋層為第四系全新統(tǒng)坡洪積層Q+p，坡殘積層Qt+e，下伏基巖為泥盆系中下統(tǒng)桂頭組上亞群（D.agt'）砂巖夾頁巖，泥盆系中下統(tǒng)桂頭組下亞群（D1.z2gt°）砂巖夾頁巖，寒武系八村群a段（∈bc°）變質(zhì)砂巖、頁巖互層，寒武系八村群b段（∈bcb）變質(zhì)砂巖、頁巖互層。測區(qū)不良地質(zhì)為順層偏壓和進口仰坡順層，環(huán)境地質(zhì)條件差；圍巖差異風化特點明顯；受構造影響，巖體較破碎；地下水較發(fā)育，存在逆斷層、物探異常段落、地層倒轉等復雜地質(zhì)情況。根據(jù)陽春隧道Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ級圍巖隧道開挖及仰拱初期支護成環(huán)技術的成功運用和其他隧道工程運用實例可知，各類隧道工程開挖適用此項技術。此項技術不僅應用于鐵路隧道施工項目中，在其他類似地下工程中也普遍適用。高速鐵路隧道工程具有建設工期緊、施工條件復雜、安全質(zhì)量要求高、技術性強等特點，想要取得不錯的經(jīng)濟效益，就要勇于跨越，追求卓越，不斷技術創(chuàng)新，做好成本控制，把握施工要點，做好技術措施、安全措施的管理。

2 隧道施工藝及技術措施

隧道工程主要采用新奧法原理，嚴格按照“三超前、四到位和一強化”（超前地質(zhì)預報、超前支護（軟弱圍巖段）、超前加固；工法選擇到位、支護措施到位、快速封閉到位、襯砌跟進到位；強化量測）的原則組織施工，考慮充分利用圍巖自承載能力，減少對圍巖的擾動。本隧道中施工采用光面爆破的施工工藝，從而有效減小破壞圍巖的原始穩(wěn)定性，為初期支護創(chuàng)造先決條件。

2.1 隧道開挖方法

隧道按新奧法原理組織施工，根據(jù)不同圍巖級別及地形、地貌采取開挖方法。Ⅴ級圍巖根據(jù)設計具體情況可采用三臺階預留核心土法施工、三臺階臨時仰拱法施工、三臺階法施工、三臺階臨時橫撐法施工；Ⅳ級、Ⅲ級圍巖地段采用臺階法施工，Ⅱ級圍巖地段采用全斷面法施工。

2.1.1 臺階法

臺階法需要超前支護的首先進行超前支護；然后進行上半斷面，并及時施作上半斷面初期支護；再進行下半斷面開挖，并及時施作下半斷面初期支護；下半斷面施工一定距離后施作仰拱；最后進行二次襯砌。

2.1.2 三臺階預留核心土法

第一，先開挖①部（預留核心土），然后進行預留核心土周邊的支護，先初噴4cm厚混凝土，再進行鋼筋網(wǎng)鋪設，架立鋼拱架，并設置鎖腳錨桿。最后打入徑向錨桿并復噴混凝土至設計要求厚度。

第二，在滯后①部一段距離之后（可根據(jù)施工機械配置、人員安排等情況適當調(diào)整），開挖②部，待②部開挖完后進行臺階周圍部分初噴4cm厚混凝土，鋪設鋼筋網(wǎng)，接長鋼拱架，最后打入徑向錨桿并復噴混凝土至設計要求厚度。

第三，開挖③部臺階，及時封閉初期支護。（圖1）

圖1 三臺階預留核心土法工序橫斷面圖

2.1.3 三臺階臨時仰拱法

臨時仰拱設置于中臺階,臨時鋼架采用I18工字鋼，縱向每2榀設1處，縱向連接筋環(huán)向間距1m，鋼架間采用10cm厚C25噴射混凝土封底。適用于V級圍巖洞口淺埋、偏壓、斷層破碎帶以及地表有敏感構筑物需要控制沉降等地段。

施工工序：①利用上一循環(huán)架立的鋼架施作拱部縱向超前預支護。②開挖上臺階，并施作上臺階部洞身結構的初期支護，即初噴4cm厚混凝士，架立初期支護鋼架，并設置鎖腳錨。③上臺階施工至適當距高后，開挖中臺階，施作洞身結構的初期支護和臨時仰拱，即初噴4cm厚混凝土，架立初期支護鋼架及臨時鋼架，并設置鎖腳錨管。鉆設系統(tǒng)錨桿后復噴混凝土至設計厚度臨時鋼架間噴射10cm厚混凝土封。④開挖下臺階，及時封閉初期支護?？蓞⒁姽ば颌圻M行。⑤灌筑該段仰拱及隧道仰拱填充。⑥利用村砌模板臺車一次性灌筑仰拱、拱墻二次村砌（拱墻村砌-次施作）。

2.1.4 三臺階臨設橫撐法

第一，先開挖①部，然后進行①部臺階周邊的支護及臨時支護，即先噴4cm厚混凝土，再進行鋼筋網(wǎng)鋪設，架立鋼拱架。最后打入徑向錨桿并復噴混凝土至設計要求厚度。

第二，在滯后①部一段距離之后（可根據(jù)施工機械配置、人員安排等情況適當調(diào)整），開挖②部，待②部開挖完后進行臺階周圍部分初噴混凝土至4cm厚，鋪設鋼筋網(wǎng)，接長鋼拱架和I18臨時橫撐（僅在部分Ⅴ級圍巖淺埋、斷層破碎帶和Ⅴ級圍巖淺埋偏壓地段設置），并設置鎖腳錨桿，打入徑向錨桿后復噴混凝土至設計厚度。

第三，開挖③部臺階，及時封閉初期支護?？蓞⒁姽ば颌圻M行。

2.2 仰拱初支施工工藝及技術措施

施工準備→測量放線→開挖→基底清理→安裝鋼架→噴射混凝土。

①測量放線：隧道開挖應對需要開挖深度進行測量放線，具體方法為：在邊墻上準確測量出預留鋼筋的上下線，根據(jù)基線標高與仰拱開挖面的標高的高差，計算預開挖仰拱段橫向每間隔1m處的鉆孔深度，以此為依據(jù)指導鉆爆的深度，從而保證仰拱開挖深度符合設計要求。

②開挖：仰拱開挖根據(jù)圍巖軟硬程度采用以下兩種方法進行：對于硬質(zhì)巖、中硬巖采用鉆爆開挖仰拱，鉆孔設備采用YT-28氣腿式鑿巖機，一次爆破成型，人工配合機械清底，對于軟弱圍巖段及土質(zhì)段采用以機械開挖為主，局部弱爆破為輔，人工清底的方式開挖。

采用爆破開挖方法開挖時應注意控制鉆孔深度，根據(jù)仰拱底部圍巖情況預留15-30cm采用人工配合機械清底，防止擾動底部圍巖和超挖，鉆孔深度根據(jù)預留先測出的標示于兩側邊墻上的基準點連線進行控制。V級圍巖仰拱單循環(huán)開挖長度按照驗標要求不超過3m。

③型鋼（格柵）鋼架安裝：隧道內(nèi)拱架主要有型鋼鋼架和格柵拱架兩種，拱架統(tǒng)一在鋼筋集中加工，型鋼鋼架采用冷彎機分單元彎曲成型，格柵拱架采用八字節(jié)數(shù)控彎曲機批量生產(chǎn)“八字節(jié)”，然后在拱架胎模上人工焊接組裝。首榀拱架加工完成后，必須進行試拼，確保加工的成品拱架，弧度、尺寸、與設計一致。拱架經(jīng)加工檢查合格后，采用運輸車分批運至洞口指定臨時存放場存放，施工時運至洞內(nèi)。

技術員每循環(huán)放樣拱架位置，確定拱架高度及內(nèi)凈空，保證連接質(zhì)量。

④噴射混凝土：隧道初支采用濕噴混凝土機械手施工，先對受噴巖面進行處理，再進行噴射。清除松石、危石后，根據(jù)巖面情況，分別采用高壓水、高壓風清洗受噴巖面，使其噴射密實層層密貼，嚴禁初支背后出現(xiàn)空洞。

采用濕噴法施工，分初噴、復噴和終噴三階段進行，濕噴機械采用濕噴機械手，以提高施工效率。

3 隧道開挖、初支安全措施

3.1 隧道開挖安全技術措施

①對隧道安全控制最重要的環(huán)節(jié)開挖，要采取不同的開挖方案以適應不同的地質(zhì)情況，嚴格把控開挖進尺，保持安全步距，采用最佳爆破參數(shù)，嚴格執(zhí)行爆破振動安全技術規(guī)程要求。

②對所以施工的人員進行安全教育，安全技術交底，保證教育及交底的有效性。其中爆破及操作機械的人員，必須是經(jīng)過專業(yè)教育培訓和考試，并取得合格證，在合格證有效內(nèi)方予上崗。爆破按其隧道設計進行施工，嚴格把控裝藥量，要設專人監(jiān)督，防止不規(guī)范操作及失誤造成不安全事故。

③鉆眼人員到達工作面時，先檢查工作掌子面是否處于安全狀態(tài)。嚴禁在殘眼中鉆眼。鉆孔臺車進場，需有專人指揮，按照規(guī)范要求，檢查路徑安全及施工安全，依次經(jīng)過的道路和臨時臺架。

④仰拱及襯砌安全步距需滿足以下要求：

1）仰拱：Ⅲ級圍巖距掌子面不大于150m，Ⅳ、Ⅴ級初支封閉圍巖距掌子面不大于50m。

2）二襯：Ⅲ級圍巖不大于200m，Ⅳ、Ⅴ級圍巖不大于145m。

3.2 初期支護的安全技術措施

①隧道現(xiàn)場施工負責人應定期會同相關技術、安全人員對初期支護各部位實施情況及質(zhì)量進行檢查。當發(fā)現(xiàn)初期支護變形或缺失損壞時，應馬上進行整修、補漏并及時加固，當現(xiàn)場支護情況嚴重時，馬上要求施工人員撤離現(xiàn)場，再組織專業(yè)人員進行加固處理，保證施工安全。

②洞內(nèi)初期支護與仰拱的連接處，選取正確連接結構，嚴格按照施工設計要求增強支護，并及早進行永久襯砌。錨桿的質(zhì)量、長度，噴射混凝土的質(zhì)量、厚度，以及鋼拱架的安裝位置、間距等嚴格按設計施工。

③洞內(nèi)支護，應隨挖隨支護，初期支護至開挖面掌子面距離一般不得超過4m。盡量縮短支護至掌子面的距離。施工需要短期暫停，需支護至開挖掌子面。

為保證支撐的安全有效性，支撐立柱不能置于虛渣或松散的黃土里，軟弱圍巖地段的立柱加設墊板或墊梁，確保支護結構有足夠的強度。

安裝鋼拱架，應遵守有關起重和高處作業(yè)等安全規(guī)則，選用適宜的小型機具進行吊裝。

進行錨桿施工時，必須保證核心土的安全距離，以便施工人員能夠進行操作。

密切注意圍巖變化，使用風鉆打孔時要兩人同時進行操作，以避免引起震動傷人。

噴錨支護的腳手架應進行檢查保證牢固可靠，噴射手按要求佩戴必要的防護用品，機械部位應顯示正常工作，壓力應保持在0.5～1MPa左右。嚴謹將噴嘴對人放置，造成傷人事件。

施工中必須加強超前地質(zhì)預報和監(jiān)控量測工作，實行施工動態(tài)管理。發(fā)現(xiàn)圍巖突變、地質(zhì)預報異常和監(jiān)控量測數(shù)據(jù)超標等問題，必要時馬上報告上級和安排作業(yè)人員撤離危險現(xiàn)場，專業(yè)人員調(diào)整施工方法、安全步距及開挖進尺，保證施工安全，才能繼續(xù)施工。

④鋼拱架施工的安全控制要點：

1）鋼拱架制作和搬運過程中，先將鋼拱架構件綁扎固定，以防止發(fā)生整體構件或連接鐵件碰撞傷人、構件掉落等安全事故；

2）鋼拱架的架設，采取專人按要求信號現(xiàn)場進行指揮，并隨時觀察四周圍巖及初噴混凝土層的動態(tài)變化，及時發(fā)現(xiàn)危險情況以防止引起傷亡事故；

3）鋼拱架前，先采用墊板等將鋼拱架的基礎面墊平。架設時，相鄰的鋼拱架應連結牢固，以防發(fā)生鋼拱架倒塌、扭曲、彎屈及變位等安全傷人事故；

4）對鋼拱架應經(jīng)常檢查，如發(fā)現(xiàn)不正常征兆時，必須及時采取加固措施。出現(xiàn)嚴重情況時，安排人員迅速撤，以防止造成傷亡事故；

5）隧道開挖多大斷面居多，鋼拱架的頂部連結作業(yè)時，多為高空作業(yè)，施工人員需配帶安全繩、安全帶、安全帽，作業(yè)平臺設有安全欄桿等防范措施；

6）鋼架拱頂緊固連接螺栓、楔緊鋼拱架時，要求施工人員以正確的姿勢站立在安全可靠的腳手架上，臺架上面均應張貼反光標識及安全操作標識牌，必須克服麻痹思想，穿戴好安全防護用品，安全繩高掛低用，謹防人員傷亡事故。

4 環(huán)水保風險與預防

4.1 環(huán)水保風險點

根據(jù)工程實際及擬采用的施工工藝，環(huán)境主要風險點包括：施工揚塵、隧道粉塵、噪音排放、污水排放、植被破壞水土流失。

4.2 環(huán)水保預防

在工程施工過程中，除了重視施工進度、施工技術、安全質(zhì)量等管理方面，環(huán)水保問題也應納入施工過程。必須嚴格按水保方案要求落實各項水土保持措施，加強施工營地及施工隊伍的環(huán)境保護管理，要采取有力措施全面嚴格控制施工污染。例如現(xiàn)場主要道路采用硬化地面；使用先進設備、工藝降低噪聲排放或使用吸聲裝置；加強作業(yè)人員噪聲防護，配戴必要的防護用具；對職工進行環(huán)保教育，提高環(huán)保意識，在施工過程中，加強對植被的保護，尤其在高原、沙漠地區(qū)；隧道棄方遵循遠離河道，少壓植被，盡量選擇荒地，及時對棄方壓實，在表面進行植被覆蓋，防止水土流失，美化環(huán)境；污、廢水要盡量清污分流，污染物超標的廢水應經(jīng)過處理使之達標排放，禁止將未經(jīng)沉淀處理的施工污水直接排入河道、市政雨水管網(wǎng)?，F(xiàn)場污水，運輸車輛、砼輸送泵的沖洗污水、作業(yè)污水、應先排入沉淀池，經(jīng)沉淀后方可外排或二次利用，沉淀池應及時清理。

5 結束語

隧道工程是高鐵建設中不可避免需要建設的工程，由于規(guī)模大、施工環(huán)境差、工期緊、成本高、風險大等特點，使其對隧道施工技術的要求極高。對此我們需要不斷的摸索、探究和總結經(jīng)驗，創(chuàng)新發(fā)展，突破行業(yè)技術，保證我國鐵路建設的快速發(fā)展，實現(xiàn)祖國的繁榮昌盛。