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摘要：近十年,我国交通建设突飞猛进,许多边远山区也正在修建高速公路和铁路。对隧道的施工越来越普遍。本文通过某一山区隧道施工工程实例来说明复杂地质条件下隧道施工方法， 为以后在复杂山区的隧道的设计和施工方面提供一定程度上的借鉴意义。
关键词：山区地质；隧道施工；方法探讨
1 在复杂地质条件下隧道施工的原则
1.1 隧道在施工中应尽量避免扰动围岩，特别是山坡比较陡峭，经常发生滑坡和泥石流的地段；
1.2 在隧道施工的过程中要及时支护，尤其是初期支护在隧道开挖后必须尽快进行；
1.3 不管是施工前、施工过程中还是施工后，对施工现场要进行及时的监控量测,对由开挖引起的任何变化要时刻关注，对出现较大变化的地方采取加固措施，或者进行必要的专家论证，以确定后续工程的施工方法；
1.4 断面及早封闭成环。
2 在复杂地质条件下常见的隧道施工方法
在复杂地质条件下常用的开挖隧道施工方法主要有全断面法、台阶法和分部开挖法。全断面法经常用在Ⅰ～Ⅱ级围岩中，常采用大型机械化施工，提高作业速度，该法可以采用深孔爆破，复合式衬砌；台阶法多用于围岩较软而且节理裂隙较发育的围岩中，分为二种变化方案：a）短台阶法；b）微台阶法。分部开挖法指的是把设计的巷（隧）道断面划分成若干部分，进行二次及其以上开挖，最后达到巷（隧）道设计开挖断面的一种施工方法，可以分为四种变化方案：a）台阶分部开挖法；b）双侧壁导坑法；c）中隔壁法(CD法)；d）交叉中隔壁法(CRD法)。
3 工程实例及方法
雪峰山2#隧道全长9153米，属I级风险隧道，共设置2座斜井、1座横洞及进口四个作业工区组织施工，其中，Ⅲ级围岩采用全断面法施工，Ⅳ级围岩采用台阶法施工，Ⅴ级围岩采用三台阶七步开挖法施工。本人将三台阶七步开挖法作一个介绍。
3.1 七步开挖法主要技术特点
1),施工空间大,大型施工机械可在多个作业面平行施工,工效高。部分软岩地段可采用挖掘机直接开挖下半部断面减少对围岩扰动。
2),在地质结构复杂多变、软硬围岩相间的隧道中,施工方法调整灵活,进度稳定,工期保障性强。
3),适应不同跨度和多种断面形式,不需拆除临时施工支护,节省投资。
4),混凝土仰拱超前施作,便于初期支护及时封闭成环,改变洞内作业、运输环境。
5),全断面一次施作防水层和灌筑混凝土衬砌,确保混凝土衬砌施工质量。
6),无需增加特殊设备,投入少,操作性强,易推广。
3.2 施工原理及工艺
三台阶七步开挖法为平行流水作业,采用分步平行开挖和施作拱墙初期支护,仰拱超前施作及时封闭成环,构成稳固的初期支护体系,保护围岩的自然承载力,有效抑制围岩变形,并通过量测监控系统信息反馈,指导施工和及时调整支护参数与混凝土衬砌时间。
在断层带、破碎带等自稳性较差地层和富水地层中,采用小导管预注浆固结、止水等辅助施工措施,采用上部弧形导坑法短开挖施作拱部初期支护后,再左右错位开挖及进行边墙初期支护,下台阶立即进行仰拱施作,尽早封闭成环构成支护体系。
三台阶七步开挖法施工以机械为主,人工辅助修边。上台阶每循环开挖进尺为1榀钢架距离(0.8m),高度约3.9m,台阶长度控制在3-5m,核心土距拱顶1.5-2.0m,其两侧距开挖面约2m,中台阶开挖高度约4.5m,台阶长度控制在3-4m,下台阶开挖高度约2.5m, 上台阶钢拱架由3个单元组成,钢架节点避免在拱顶连接,各单元钢架之间采用16mm厚的钢板通过4套M20高强螺栓连接。
3.3 施工步骤
3.3.1上台阶开挖支护
1)在隧道拱部150°范围打设42超前小导管。相关施工参数,壁厚3.5mm,L=4.0m,环向间距30cm。外插角5°-10°,搭接长度≥1.0m。
2)利用挖掘机开挖上台阶, 每循环开挖长度控制在0.8-1.0m , 即1榀钢架距离, 开挖后人工修边,及时初喷4cm厚混凝土封闭作业面。
3)初喷后打设锚杆和挂设钢筋网片。锚杆拱部140°围内采用Φ22组合锚杆，边墙采用Φ22砂浆锚杆，锚杆长4.0m，间距1.2m×1.0m（环X纵），锚杆尾端配垫板、螺母，锚杆按梅花形布置。钢筋网片采用φ8钢筋,网格为20cm×20cm。
4)架设120b型钢钢架,上台阶分3节安装,环向用钢板螺栓连接, 纵向用φ22钢筋连接,环向间距1.0m,超前小导管尾端焊接在钢架上。
5)钢架安装完毕后进行锁脚锚杆施工,锁脚锚杆采用φ22钢筋,长4.0m,每处设置2根。
6)在钢架锚杆和钢筋网施工后,及时复喷C25混凝土,厚度应达到设计要求,上台阶施工完成后形成承载拱。
3.3.2中台阶左侧和下台阶右侧边墙开挖支护
1) 上台阶开挖超前中台阶3-5m后,交错开挖中台阶左侧和下台阶右侧边墙,每次开挖控制在1-2榀钢架距离,左右两侧初期支护不能同时处于悬空状态。中台阶开挖高度约4.5m,应分上下两次开挖,便于人工修边和对上台阶初期支护底部修凿。此期间挖掘机开挖下台阶。当中台阶上部修边和上台阶初期支护底部修凿结束后, 继续开挖中台阶下部。
2)中台阶下部修边结束后,及时初喷4cm厚混凝土封闭作业面。
3)初喷后打设锚杆和挂设钢筋网片。拱部140°围内采用Φ22组合锚杆，边墻采用Φ22砂浆锚杆，锚杆长4.0m，间距1.2m×1.0m（环X纵），锚杆尾端配垫板、螺母，锚杆按梅花形布置。钢筋网片采用φ8钢筋, 网格间距20cm×20cm。
4) 及时安装拱架,复喷混凝土。中台阶长度控制在3-4m。中台阶右侧和下台阶左侧边墙开挖支护方法同上,故不再赘述。
3.3.3仰拱开挖支护
下台阶开挖达到25m时进行仰拱开挖,每次开挖3m后立即进行仰拱初期支护,完成一个仰拱施工长度后,及时浇筑仰拱混凝土,随后搭设仰拱栈桥,继续开挖前方掌子面。
4 施工注意事项
1)为保证钢架设置稳固,钢架基脚部位地基应坚实,架立钢架时挖槽就位。
2)钢架平面应垂直隧道中线,倾斜度不应大于2°钢架任何部位偏离铅垂面不能大于5cm。
3)为增强钢架整体稳定性,应将钢架与纵向连接筋、锚杆、定位筋和锁脚锚杆焊接牢固。
4)钢架连接接头应连接牢固,拱脚部位易发生塑性剪切破坏,因此接头除采用螺栓连接外,四周还要焊接,确保其刚度和强度。
5)钢架和初喷层间存在较大间隙时,设置骑马或楔形垫块顶紧围岩,钢架与围岩间距不应大于5cm。
5 安全保证措施
5.1.监控量测
隧道施工中,在一个断面内的拱顶和拱脚处设置7个观测点,采用收敛计与水平仪观测拱脚水平收敛和拱顶下沉量。随着隧道施工进程,每隔10m为一个观测断面,最前端的观测断面紧跟掌子面。根据观测结果,适当调整预留沉降量, 保证二次衬砌厚度。施工中监控量测注意事项如下:一是为获取开挖后围岩早期状态变化数据,观测点应尽量靠近开挖面布设。开挖后24h内或下次开挖前,读取初次数据。二是周边收敛、拱顶下沉和地表下沉观测点应尽量集中在断面布设,以便量测结果的分析和综合运用。三是量测时,拉出钢尺在环境温度下停放20min后进行量测。四是采用台阶法开挖时,下半断面开挖靠近上半断面的量测断面时,适当增加量测次数。
5.2超前支护。
为保证开挖工作面稳定,防止开挖时出现坍塌,针对雪峰山2#隧道的围岩特点采取在拱墙打设超前小导管的超前支护措施。其直径42mm,长4.0m,环向间距30cm,外插5°-10°。首先将工作面整平,紧贴工作面支设1榀型钢钢架,用锁脚定位锚杆将其固定,沿断面外轮廓设置一环超前小导管,其尾端与钢架焊为一体。隧道内纵向间距设置一环小导管,其尾端与钢架焊为一体,每排小导管搭接长度≥1.0m。
5.3.及时封闭仰拱及施作二次衬砌
根据量测,初期支护完成后,为避免继续变形,应及时封闭仰拱,并施作永久支护二次衬砌。
5.4.加设锁脚锚杆
拱脚每侧加设2根锁脚锚杆。锚杆为φ22钢筋,长4m。
5.5.预防塌方
开挖过程中应遵循短开挖、强支护原则,随时观察围岩情况,发现围岩破碎、节理发育,应调整循环进尺,加密管棚钢管数量,及时进行初期支护,缩短开挖与衬砌间隔时间。如果发生塌方,必须用同强度等级混凝土回填密实。
6质量保证措施
(1)严格控制超前支护的外插角。
(2)严格执行喷射混凝土工艺,按配合比拌制混凝土料,控制外加剂掺量。新旧混凝土面清洗至露出本色,不能有泥土或杂物,应分层喷射,以保证喷射混凝土质量。
(3)保证拱架连接质量和连接筋的焊接质量。
(4)确保钢筋网与围岩紧密相贴,钢筋网必须连接牢固,以免喷射混凝土时钢筋网振动,降低喷射质量。
(5)保证核心土的几何尺寸。
(6)清除拱脚积水与淤泥,采用增设拱脚锚杆或扩大拱脚、加强纵向联结等措施,使初期支护与围岩形成完整体系。
(7)为避免上半断面两侧拱脚同时悬空,应尽量单侧落底或双侧交错落底,并控制落底长度,视围岩情况可为l-3m。
(8)减少上、下台阶施工相互干扰,并及时封闭成环。
(9)合理制定每道工序工时间,严格按标定时间施工,减少开挖面围岩暴露时间。
(10)及时监控量测围岩,观察拱顶、拱脚收敛情况,据此调整初期支护参数。
7 结束语
通过采用三台阶七步开挖法施工解决了施工中诸多技术难题,施工有序可控,确保了施工安全,实现了大断面隧道快速掘进,工期得到保证。施工中采用的新工艺和技术保证措施,对其他地质复杂的大断面隧道施工具有参考价值。
参考文献
[l]霍玉华大断面黄土隧道快速掘进施工方法研究[J].铁道标准设计,2007.
[2]杜永昌高速与客运专线铁路施工工艺手册[M]北京科学技术文献出版社,2006.
关键词：山区地质；隧道施工；方法探讨
1 在复杂地质条件下隧道施工的原则
1.1 隧道在施工中应尽量避免扰动围岩，特别是山坡比较陡峭，经常发生滑坡和泥石流的地段；
1.2 在隧道施工的过程中要及时支护，尤其是初期支护在隧道开挖后必须尽快进行；
1.3 不管是施工前、施工过程中还是施工后，对施工现场要进行及时的监控量测,对由开挖引起的任何变化要时刻关注，对出现较大变化的地方采取加固措施，或者进行必要的专家论证，以确定后续工程的施工方法；
1.4 断面及早封闭成环。
2 在复杂地质条件下常见的隧道施工方法
在复杂地质条件下常用的开挖隧道施工方法主要有全断面法、台阶法和分部开挖法。全断面法经常用在Ⅰ～Ⅱ级围岩中，常采用大型机械化施工，提高作业速度，该法可以采用深孔爆破，复合式衬砌；台阶法多用于围岩较软而且节理裂隙较发育的围岩中，分为二种变化方案：a）短台阶法；b）微台阶法。分部开挖法指的是把设计的巷（隧）道断面划分成若干部分，进行二次及其以上开挖，最后达到巷（隧）道设计开挖断面的一种施工方法，可以分为四种变化方案：a）台阶分部开挖法；b）双侧壁导坑法；c）中隔壁法(CD法)；d）交叉中隔壁法(CRD法)。
3 工程实例及方法
雪峰山2#隧道全长9153米，属I级风险隧道，共设置2座斜井、1座横洞及进口四个作业工区组织施工，其中，Ⅲ级围岩采用全断面法施工，Ⅳ级围岩采用台阶法施工，Ⅴ级围岩采用三台阶七步开挖法施工。本人将三台阶七步开挖法作一个介绍。
3.1 七步开挖法主要技术特点
1),施工空间大,大型施工机械可在多个作业面平行施工,工效高。部分软岩地段可采用挖掘机直接开挖下半部断面减少对围岩扰动。
2),在地质结构复杂多变、软硬围岩相间的隧道中,施工方法调整灵活,进度稳定,工期保障性强。
3),适应不同跨度和多种断面形式,不需拆除临时施工支护,节省投资。
4),混凝土仰拱超前施作,便于初期支护及时封闭成环,改变洞内作业、运输环境。
5),全断面一次施作防水层和灌筑混凝土衬砌,确保混凝土衬砌施工质量。
6),无需增加特殊设备,投入少,操作性强,易推广。
3.2 施工原理及工艺
三台阶七步开挖法为平行流水作业,采用分步平行开挖和施作拱墙初期支护,仰拱超前施作及时封闭成环,构成稳固的初期支护体系,保护围岩的自然承载力,有效抑制围岩变形,并通过量测监控系统信息反馈,指导施工和及时调整支护参数与混凝土衬砌时间。
在断层带、破碎带等自稳性较差地层和富水地层中,采用小导管预注浆固结、止水等辅助施工措施,采用上部弧形导坑法短开挖施作拱部初期支护后,再左右错位开挖及进行边墙初期支护,下台阶立即进行仰拱施作,尽早封闭成环构成支护体系。
三台阶七步开挖法施工以机械为主,人工辅助修边。上台阶每循环开挖进尺为1榀钢架距离(0.8m),高度约3.9m,台阶长度控制在3-5m,核心土距拱顶1.5-2.0m,其两侧距开挖面约2m,中台阶开挖高度约4.5m,台阶长度控制在3-4m,下台阶开挖高度约2.5m, 上台阶钢拱架由3个单元组成,钢架节点避免在拱顶连接,各单元钢架之间采用16mm厚的钢板通过4套M20高强螺栓连接。
3.3 施工步骤
3.3.1上台阶开挖支护
1)在隧道拱部150°范围打设42超前小导管。相关施工参数,壁厚3.5mm,L=4.0m,环向间距30cm。外插角5°-10°,搭接长度≥1.0m。
2)利用挖掘机开挖上台阶, 每循环开挖长度控制在0.8-1.0m , 即1榀钢架距离, 开挖后人工修边,及时初喷4cm厚混凝土封闭作业面。
3)初喷后打设锚杆和挂设钢筋网片。锚杆拱部140°围内采用Φ22组合锚杆，边墙采用Φ22砂浆锚杆，锚杆长4.0m，间距1.2m×1.0m（环X纵），锚杆尾端配垫板、螺母，锚杆按梅花形布置。钢筋网片采用φ8钢筋,网格为20cm×20cm。
4)架设120b型钢钢架,上台阶分3节安装,环向用钢板螺栓连接, 纵向用φ22钢筋连接,环向间距1.0m,超前小导管尾端焊接在钢架上。
5)钢架安装完毕后进行锁脚锚杆施工,锁脚锚杆采用φ22钢筋,长4.0m,每处设置2根。
6)在钢架锚杆和钢筋网施工后,及时复喷C25混凝土,厚度应达到设计要求,上台阶施工完成后形成承载拱。
3.3.2中台阶左侧和下台阶右侧边墙开挖支护
1) 上台阶开挖超前中台阶3-5m后,交错开挖中台阶左侧和下台阶右侧边墙,每次开挖控制在1-2榀钢架距离,左右两侧初期支护不能同时处于悬空状态。中台阶开挖高度约4.5m,应分上下两次开挖,便于人工修边和对上台阶初期支护底部修凿。此期间挖掘机开挖下台阶。当中台阶上部修边和上台阶初期支护底部修凿结束后, 继续开挖中台阶下部。
2)中台阶下部修边结束后,及时初喷4cm厚混凝土封闭作业面。
3)初喷后打设锚杆和挂设钢筋网片。拱部140°围内采用Φ22组合锚杆，边墻采用Φ22砂浆锚杆，锚杆长4.0m，间距1.2m×1.0m（环X纵），锚杆尾端配垫板、螺母，锚杆按梅花形布置。钢筋网片采用φ8钢筋, 网格间距20cm×20cm。
4) 及时安装拱架,复喷混凝土。中台阶长度控制在3-4m。中台阶右侧和下台阶左侧边墙开挖支护方法同上,故不再赘述。
3.3.3仰拱开挖支护
下台阶开挖达到25m时进行仰拱开挖,每次开挖3m后立即进行仰拱初期支护,完成一个仰拱施工长度后,及时浇筑仰拱混凝土,随后搭设仰拱栈桥,继续开挖前方掌子面。
4 施工注意事项
1)为保证钢架设置稳固,钢架基脚部位地基应坚实,架立钢架时挖槽就位。
2)钢架平面应垂直隧道中线,倾斜度不应大于2°钢架任何部位偏离铅垂面不能大于5cm。
3)为增强钢架整体稳定性,应将钢架与纵向连接筋、锚杆、定位筋和锁脚锚杆焊接牢固。
4)钢架连接接头应连接牢固,拱脚部位易发生塑性剪切破坏,因此接头除采用螺栓连接外,四周还要焊接,确保其刚度和强度。
5)钢架和初喷层间存在较大间隙时,设置骑马或楔形垫块顶紧围岩,钢架与围岩间距不应大于5cm。
5 安全保证措施
5.1.监控量测
隧道施工中,在一个断面内的拱顶和拱脚处设置7个观测点,采用收敛计与水平仪观测拱脚水平收敛和拱顶下沉量。随着隧道施工进程,每隔10m为一个观测断面,最前端的观测断面紧跟掌子面。根据观测结果,适当调整预留沉降量, 保证二次衬砌厚度。施工中监控量测注意事项如下:一是为获取开挖后围岩早期状态变化数据,观测点应尽量靠近开挖面布设。开挖后24h内或下次开挖前,读取初次数据。二是周边收敛、拱顶下沉和地表下沉观测点应尽量集中在断面布设,以便量测结果的分析和综合运用。三是量测时,拉出钢尺在环境温度下停放20min后进行量测。四是采用台阶法开挖时,下半断面开挖靠近上半断面的量测断面时,适当增加量测次数。
5.2超前支护。
为保证开挖工作面稳定,防止开挖时出现坍塌,针对雪峰山2#隧道的围岩特点采取在拱墙打设超前小导管的超前支护措施。其直径42mm,长4.0m,环向间距30cm,外插5°-10°。首先将工作面整平,紧贴工作面支设1榀型钢钢架,用锁脚定位锚杆将其固定,沿断面外轮廓设置一环超前小导管,其尾端与钢架焊为一体。隧道内纵向间距设置一环小导管,其尾端与钢架焊为一体,每排小导管搭接长度≥1.0m。
5.3.及时封闭仰拱及施作二次衬砌
根据量测,初期支护完成后,为避免继续变形,应及时封闭仰拱,并施作永久支护二次衬砌。
5.4.加设锁脚锚杆
拱脚每侧加设2根锁脚锚杆。锚杆为φ22钢筋,长4m。
5.5.预防塌方
开挖过程中应遵循短开挖、强支护原则,随时观察围岩情况,发现围岩破碎、节理发育,应调整循环进尺,加密管棚钢管数量,及时进行初期支护,缩短开挖与衬砌间隔时间。如果发生塌方,必须用同强度等级混凝土回填密实。
6质量保证措施
(1)严格控制超前支护的外插角。
(2)严格执行喷射混凝土工艺,按配合比拌制混凝土料,控制外加剂掺量。新旧混凝土面清洗至露出本色,不能有泥土或杂物,应分层喷射,以保证喷射混凝土质量。
(3)保证拱架连接质量和连接筋的焊接质量。
(4)确保钢筋网与围岩紧密相贴,钢筋网必须连接牢固,以免喷射混凝土时钢筋网振动,降低喷射质量。
(5)保证核心土的几何尺寸。
(6)清除拱脚积水与淤泥,采用增设拱脚锚杆或扩大拱脚、加强纵向联结等措施,使初期支护与围岩形成完整体系。
(7)为避免上半断面两侧拱脚同时悬空,应尽量单侧落底或双侧交错落底,并控制落底长度,视围岩情况可为l-3m。
(8)减少上、下台阶施工相互干扰,并及时封闭成环。
(9)合理制定每道工序工时间,严格按标定时间施工,减少开挖面围岩暴露时间。
(10)及时监控量测围岩,观察拱顶、拱脚收敛情况,据此调整初期支护参数。
7 结束语
通过采用三台阶七步开挖法施工解决了施工中诸多技术难题,施工有序可控,确保了施工安全,实现了大断面隧道快速掘进,工期得到保证。施工中采用的新工艺和技术保证措施,对其他地质复杂的大断面隧道施工具有参考价值。
参考文献
[l]霍玉华大断面黄土隧道快速掘进施工方法研究[J].铁道标准设计,2007.
[2]杜永昌高速与客运专线铁路施工工艺手册[M]北京科学技术文献出版社,2006.