浅析三台阶短台阶开挖法在高速公路黄土有水偏压隧道的

浅析三台阶短台阶开挖法在高速公路黄土有水偏压隧道的

应用

涂旋  

中铁科学研究院有限公司四川成都

摘  要：以高速公路潘城隧道施工为例，通过三台阶短台阶开挖法施工及关键技术研究，施工过程中，有效控制了隧道初支结构沉降、变形，安全快速地完成了该隧道施工，取得良好的施工效果。为以后类似工程提供一定的参考及借鉴。

关键词：隧道   黄土有水偏压    三台阶短台阶    施工技术

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1  工程概况

潘城隧道位于甘肃省平凉市崆峒区潘城村，属于黄土隧道。隧道右线全长2082m，左线全长2105m，左、右线全部为V级围岩。采用设计速度80km/h的双向四车道高速公路标准，按分离式双洞布置。隧址区位于黄土塬沟壑区，最大埋深约 112m，所涉及地层上部为马兰黄土（Q3），下部为离石黄土（Q2），隧道洞身主要穿越离石黄土层。经施工过程中检测，隧道围岩天然含水量为25%-27%，有明显的流水现象。岩类全部为老黄土，局部段落洞顶存在大冲沟，地质构造复杂，安全风险极高，施工难度极大。

2  三台阶短台阶施工工艺原理、适用范围及技术特点

2.1工艺原理

此工艺主要根据三台阶工艺，结合超前地质预报，根据围岩和支护的变形情况，调整隧道的台阶长度；开挖后根据监测数据对初期支护进行加强和增加临时支护等措施。如采用中台阶加设临时仰拱、上、中台阶钢架增设托梁，可缩短仰拱至掌子面距离和二次衬砌至掌子面距离、缩短开挖循环进尺、减少开挖面等综合措施在保证安全稳定的前提下，秉承新奥法短进尺，早封闭快速穿越地质复杂多变地段，保障内作业人员及机械设备安全，以满足施工进度和施工质量的要求。

2.2适用范围

此工法主要适用于黄土隧道中有水、浅埋偏压段的施工，主要阐述隧道短台阶的方案、工艺工法、影响施工的主要因素和预防隧道变形和坍塌发生的有效措施。

2.3技术特点

（1）严格控制台阶长度，在满足机械施工的空间要求下，尽可能压缩上中下台阶的长度，及时进行仰拱封闭和二衬施工。这比常规软弱围岩的CD法、CRD法等，因能机械利用率高，故可以缩短工序时间，并加快施工进度。

（2）通过在钢架增设托梁，将初期支护连成整体,加强初支的连接性，仰拱封闭后初期支护能形成一个整体结构，抵抗围岩压力，减少隧道变形。

（3）必要时，可在中台阶设置临时仰拱，能有效的抑制隧道的沉降和收敛变形，确保施工的安全性。

（4）同时可以合理利用台阶法的优越性，短进尺多次开挖，通过减少对围岩的扰动，降低围岩应力的释放，同时避免塌方的发生，施工较为安全。

3  关键技术研究

施工中严格遵循“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则。三台阶七步开挖法包含上部弧形导坑开挖并施作拱部初期支护，再左右错开，开挖中、下台阶并及时施作边墙初期支护，及时施作仰拱混凝土，尽早封闭成环，二衬紧跟。三台阶七步开挖法施工流程图如下页图3-1。

3.1 施工工艺见三台阶七步法施工工艺流程图。

3-1 三台阶七步法施工工艺流程图

3-2 三台阶七步短台阶开挖法施工开挖工序示意图

3.2 为控制隧道变形，在原一般三台阶工法工艺上进行优化，采用三台阶短台阶步距控制工艺，具体如下：

3.2.1 上台阶一次开挖按1榀钢架控制；中下台阶交错开挖，每次开挖按照1榀钢架控制（即施工左中台阶则施工右下台阶）；仰拱初支一次开挖长度按4榀钢架控制，不得大于4榀；施工两环仰拱初支后再施工仰拱及填充。

3.2.2 上台阶台阶控制长度3m，先行中台阶在上台阶施工3m后开始施工，中台阶交错开挖错开2榀拱架间距，台阶高度为2.5m，为了便于施工，同侧中、下台阶错开距离为5m，下台阶初支封闭10m后施工仰拱初支。

3.2.3 短台阶步距要求：首先是上台阶长度严格按照3-4m控制，先行中台阶处上台阶长度为3m，后行中台阶处上台阶长度为4m，然后中下台阶实行错开施工，中台阶长度为5m，先行下台阶长度10m，后行下台阶长度为9m。开挖时秉承少扰动，短进尺的理念进行施工，即每次开挖3个面。例如第一循环开挖上台阶、先行中台阶、后行下台阶→第二个循环开挖上台阶、后行中台阶、先行下台阶→开挖上台阶、先行中台阶、后行下台阶→开挖上台阶、后行中台阶、先行下台阶…如此循环往复。具体如下图所示。

3-3 三台阶台阶长度控制施工平面展示图

3-4 三台阶台阶高度展示图

3.2.4 仰拱距上台阶步距不得超过22m，二衬距上台阶步距不得超过45m。

3-5 三台阶台阶长度控制施工纵断面展示图

3.3短台阶施工措施

3.3.1 上台阶拱脚处、中台阶拱脚处均设置通长纵托梁，钢架与托梁连接板连接，托梁分段制作纵向间连接板连接保证形成整体，增大受力面积用于限制其沉降。

3-6 托梁连接示意图

3.3.2 因本隧道为黄土隧道，设计上未设计锚杆，为控制沉降，只有加强锁脚。原设计拱脚处打设2根φ42×4mm长度6m的锁脚，加强锁脚能力抑制变形，在拱脚处的纵托梁上增设2根φ

42×4mm长度6m的锁脚。

3.3.3 由于围岩受水软化，在施工过程中，特别是下台阶落底和仰拱开挖时，初期支护因沉降影响有时会出现环向裂缝。每当出现初支出现环向裂缝时，及时在中台阶设置临时仰拱，这能有效控制初支变形。

3.3.4 浅埋段隧道设计钢架为I22b型钢，间距是60cm，根据围岩变形情况，将钢架缩短成50cm，每次开挖一榀，在缩短开挖进尺的同时也加强了初期支护强度，也能抑制隧道变形。

3.4 短台阶其他施工措施

3.4.1 隧道排水

本隧道属于有水黄土隧道，水对围岩的影响非常大，故在施工过程中，一定注意对水的引排工作。现场施工中，在中、下台阶的中间位置，设置集中抽排集水坑，将水及时引排，避免拱脚遭水浸泡，软化围岩降低承载力。

3.4.2 监控量测

施工时严密监控，按照设计要求每5米一个断面，设置沉降、收敛观测点，每天观测频率为2次/天。每天现场及时根据监控量测数据进行分析，若发现当天沉降速率大于1cm/天，则在中台阶位置增设临时仰拱，同时减少开挖面，控制仰拱距掌子面距离，抑制其沉降变形，若发现当天沉降速率小于1cm/天，大于5mm，则必须加设托梁，并在托梁位置增加锁脚锚管，仰拱距掌子面开挖步距控制在22m以内，若发现当天沉降速率小于5mm/天，按照工法正常施工。

4  隧道单个工作面三台阶短台阶法主要施工机械及劳动力配置

4.1主要施工主要机械配备

4.2主要劳动力配备

5  三台阶短台阶施工取得的效果

5.1变形控制

通过三台阶短台阶施工、优化设计方案、加强过程控制，本隧道在恶劣的地质情况下变形得到有效控制，未发生大段落断面侵限。

5.2进度情况

自2016年6月采用三台阶短台阶开挖法施工以来，本隧道在Ⅴ级围岩的情况下于2016年6月突破70米大关；12月份，达到88米；2017年2月，达到102米；Ⅴ级围岩平均月进尺90米以上，隧道掘进持续稳产高产。

表1  三台阶短台阶工序作业时间表

5.3安全质量

在实施过程中，通过项目部有效管控及相应措施采取得当，未发生一起一般及以上安全质量事故。

5.4 经济效益

综上所述，每循环时间控制在10.5小时，平均每天施工2个循环，每循环进尺1.5米，每月开挖平均进尺90米，隧道贯通比计划工期提前6个月，直接及间接节约成本约500万元，项目整体经济效益取得较好成绩。

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