1、- 1 -元山隧道两台阶预留核心土环形开挖施工工法冯锡良（工程部 副总工程师）1 前言随着国家对基础设施建设投入的加大和西部大开发战略的实施，高速铁路、公路等建设已从沿海地区向西南、西北山岭区延伸，在这些地区修建高速铁路、公路等有一个显著的特点，就是隧道建设较多，而且受自然环境、气候、地形、地貌的影响也越来越大。目前隧道的主要开挖方法有全断面法、台阶法、三台阶七步开挖法、中隔壁法(CD 法)、交叉中隔壁法(CRD 法)、双侧壁导坑法等，对于软弱围岩、土质围岩等主要采用三台阶七步开挖法、中隔壁法(CD 法)、交叉中隔壁法(CRD 法)、双侧壁导坑法，但这些开挖方法在施工过程中存在一些局限性，如在
2、软弱围岩隧道施工中采用三台阶七步开挖法施工，将会对围岩造成七次扰动，严重破坏围岩的自稳能力，特别是在施工中台阶和下台阶时，通过监控量测资料可反映隧道初期支护会出现两次大的沉降，严重威胁隧道施工安全及施工质量。两台阶预留核心土环形开挖法在软弱围岩施工过程中相比三台阶七步开挖法施工将减少围岩扰动次数 4 次，且初期支护封闭成环时间断，隧道二次衬砌能及时跟进，能很好的缩短初期支护变形时间，保证隧道施工安全及施工质量。结合元山隧道设计开挖方法及现施工开挖方法比选，最终确定两台阶预留核心土环形开挖法比三台阶七步开挖法对软弱围岩施工更具有明显的优势。元山隧道采用设计的三台阶七步开挖法施工的段落先后出现了
3、5 段初期支护大变形侵限；而采用两台阶预留核心土环形开挖的段落未出现一处初期支护变形侵限情况，直至元山隧道顺利贯通，该开挖工法成功运用于中铁二局兰新铁路甘青段项目经理部元山隧道施工中，取得了良好的效果，保证了业主工期及架梁通道的畅通。2 工法特点2.1 有效控制初期支护变形采用两台阶预留核心土环形开挖，减少了对围岩的扰动次数，通过监控量测资料反映初期支护在施工完成后只发生一次突变，隧道初期支护变形时间减短，初期支护封闭成环时间明显减短，二衬紧跟掌子面施工，确保施工安全。- 2 -2.2 施工工序减少两台阶预留核心土环形开挖法相比较三台阶七步开挖法，施工工序明显减少，工人作业时间减少，施工进度加
4、快，工费成本减少，取得了较好的经济效益。2.3 施工进度加快采用两台阶预留核心土环形开挖施工后，初期支护封闭成环时间快，二衬紧跟掌子面施工，隧道施工进度加快。采用三台阶七步开挖法月进尺 20m，采用二台阶预留核心土环形开挖法后，每月进尺 30m，进度加快 50%。3 适用范围(1)适用于隧道同多地层岩性为石炭系上统砂岩，山坡坡面分布有第四系粉土、细角砾土、粗角砾土等软弱围岩地段。(2)适用于可采用三台阶七步开挖法施工的隧道。4 工艺原理4.1 开挖断面设置通过合理的布置开挖台阶长度、预留核心土长度、高度、环形开挖宽度等，有效的组织现场施工，从而达到控制初期支护变形、加快施工进度的作用(如图 1
5、、图2 所示)。- 3 -图 1 两台阶环向开挖预留核心土横断面示意图图 2 两台阶环向开挖预留核心土纵断面示意图- 4 -图 3 两台阶环向开挖预留核心土平正面示意图4.2 开挖工作原理通过人工配合机械开挖的工作原理进行开挖，减小对初期支护的扰动，先开挖周边环向土，预留中部核心土后对岩面进行初喷，再进行初期支护，最后施做锁脚锚管及复喷。5 施工工艺流程及操作特点5.1 施工工艺流程两台阶环形开挖预留核心土横断面如图 4-1：1-上台阶弧形开挖；-上台阶初期支护；3-上台阶核心土开挖；4-下台阶一侧开挖;V-下台阶一侧初期支护；6-下台阶另侧开挖；VII-下台阶另侧初期支护；8-下台阶核心土开
6、挖；9-隧道底部开挖；X-仰拱初支、衬砌；XI-拱墙二次衬砌。两台阶预留核心土环形开挖法施工工艺流程图如图 3 所示。- 5 -图 3 两台阶预留核心土环形开挖法施工工艺图5.2 操作要点5.2.1 施工准备两台阶预留核心土环形开挖法施工采用人工配合机械开挖的方法进行开挖，为确保挖掘机作业，预留核心土上净空保证 1.8m(如图 4 所示)。为保证开挖后二次衬砌断面厚度，在开挖过程中应将预留沉降量加大 3040cm，通过后期的监控量测数据反映请况，可按照现场实际情况合理调整预留沉降量值。施工前工法调整测量放样 型钢钢架加工及超前支护上台阶弧形开挖及初期支护核心土、下台阶开挖及初期支护施工仰拱及填
7、充施工防排水进行衬砌钢筋、埋设预埋件及砼浇筑围岩量测，数据分析，并进行动态施工管理，及时进行加强措施或停止施工- 6 -图 4 两台阶环形开挖预留核心土法5.2.2 超前支护超前支护是软弱围岩隧道施工的关键。应按照设计要求施做超前支护，并对超前支护进行注浆处理。5.2.3 上台阶开挖及支护上台阶采用机械开挖，以减小对围岩的扰动，严格控制循环进尺，及时进行初喷、支护，确保开挖围岩面及掌子面围岩稳定。上台阶开挖高度 6.0m，预留核心土上部高度 1.8m(含初期支护高度及预留沉降量)。上台阶靠近掌子面预留核心土高度4.2m，上口宽约 5m，三面根据施工需要放坡。开挖进尺 1 榀/次，台阶长度控制2
8、3m。上台阶钢架拱脚落于 I22a 型钢纵梁上，纵梁下部严禁出现虚渣。严格按照设计施做锁脚锚管，锁脚锚管与型钢钢架连接牢靠(锁脚锚管采用 20 L 型钢筋与型钢钢架焊接牢固，如图 5 所示)。- 7 -图 5 锁脚锚管与钢拱架连接5.2.4 下台阶开挖及支护首先开挖上台阶预留核心土，下台阶分为左侧、右侧开挖及初期支护，左右侧开挖错开 2m，核心土长度根据仰拱开挖决定。下台阶开挖时，下台阶中部预留核心土，核心土长度不小于 3 米，严格控制开挖进尺，每循环不得大于 2 榀钢架间距(如图 6、图 7 所示)。图 6 下台阶开挖支护- 8 -图 7 下台阶开挖支护5.2.5 仰拱及填充开挖隧底，每循环
9、进尺不得大于 3m，开挖完成后及时施做仰拱，仰拱长度达到6m 后及时进行仰拱填充砼浇筑。浇筑仰拱填充砼前应注意各预埋件及综合接地钢筋预埋、设置(如图 8 所示)。仰拱开挖时，拱脚位置采用风镐配合人工开挖，严格禁止采用挖掘机直接挖掘。- 9 -图 8 仰拱预埋二衬钢筋5.3 工序时间安排根据现场测定的开挖、支护工序时间，确定的开挖、支护时间如表 1 所示。表 1 隧道开挖支护进尺、循环时间计划表单工序时间分配计划(小时)围岩级别月进尺(m)日进尺(m)单循环进尺(m)日循环数(循环/d)循环时间(h/循环)测量放线 钻眼 装药出渣、清断面立架/挂网喷砼 锚杆备注c 30 1 0.5 2 12 0
10、.5 2 1.0 2.0 1.0 3.0 2.5每循环 1榀钢架，间距 0.5m6 人员、设备配置根据开挖支护时间安排，确定现场需要的人力、机械配置如表 2 所示。表 2 隧道施工人员、机械配置计划人员配置(单口)序号围岩级别 开挖工立架工喷砼工二衬工人钢架加工 杂工领带班 合计主要机械配置(每个口)1 c 20 16 16 20 3 5 2 82配置说明：1、开挖：分两个班，每班 10 人，上台阶 6 人，下台阶 4 人，4 台钻。 2、立架挂网：分两个班，每班 8 人，立架一榀，包含挂网片，锚杆由本班钻工打设，电焊机 2 台；型钢加工 3 人，电工一人。 3、喷砼：分两个班，每班 8 人，
11、单班喷射手 1 人，上料 2 人，湿喷机操作手1 人。每班两台喷浆机。 4、衬砌：一个班配置，拱墙二衬、仰拱 15 人，防水板铺设 5 人。挖机 1 台、装载机 1 台、运输车 4 台、湿喷机 2 台(1 台备用)、衬砌台车 1 台、风钻4 台。7 质量控制7.1 采用标准本工法主要执行的是高速铁路隧道工程施工技术指南铁建设2010241 号,高速铁路隧道工程施工质量验收标准TB10753-2010。7.2 关键部位、关键工序的质量要求7.2.1 超前小导管施工- 10 -超前小导管外插角控制在 1015之间，长度一般为 3.5m5m；小导管纵向搭接长度不小于 1.0m；小导管外露长度一般为
12、30cm，以便连接孔口阀门和注浆管路。超前小导管安装完成后，应进行压水试验，压力一般不大于 1.0MPa，并根据设计和试验结果确定注浆参数。注浆结束标准：小导管注浆压力控制在 0.5MPa1.0MPa 之间，当注浆压力达到设计注浆终压并稳压 1015min，注浆量达到设计注浆量的 80%以上时，可结束该孔注浆。当采用单液水泥浆注浆时，开挖时间为注浆后 8h；当采用双液浆(水泥+水玻璃)时，开挖时间为注浆后 4h。7.2.2 开挖要求(1)上台阶开挖循环进尺不得大于 1 榀/次，下台阶开挖循环进尺不得大于 2 榀/次，仰拱开挖长度不得大于 3m/次，仰拱填充施工长度不得大于 6 m/次。(2)钢
13、架安装允许偏差：钢架间距及其横向位置和高程的允许偏差为5cm，垂直度为2。(3)严格控制上台阶开挖高度，预留核心土长度、高度。8 安全措施8.1 采用标准采用的安全标准为铁路隧道施工安全技术规则。8.2 安全保证措施(1)严格控制安全步距，距离掌子面不得大于 35m，二衬距离掌子面不得大于70m。(2)挖掘机开挖断面时，挖掘机前方不得站人。(3)人工修凿断面前，应清除松动土体，防止工作中土体掉块伤及施工人员。(4)开挖后及时进行支护，以使初期支护能尽快形成承载环，与围岩共同受力，保护围岩。(5)严格按照设计要求对围岩稳定情况适时监控量测，以指导施工，防止塌方发生。- 11 -(6)为保证施工安
14、全，若围岩破碎，预留核心土自稳能力较差时，应对核心土表面进行喷射混凝土封闭。(7)施工过程中，严格禁止将核心土挖除。9 环保措施9.1 采用标准本工法采用的标准和依据为中华人民共和国环境保护法、中华人民共和国水污染防治法、中华人民共和国固体废物污染防治法。9.2 环保措施及施工中的注意事项(1)做好施工现场卫生管理工作，生活垃圾在指定地点倒放，施工和生活用水通过指定的污水沟排放。(2)钢筋加工场进行硬化处理，周围做好排水沟及沉淀池，工程完工后进行场地清理、复耕、绿化。(3)及时对施工现场进行清洗，做到工完料清。10 经济效益分析10.1 减少材料成本投入通过减少开挖过程中的预留沉降量，从而减少
15、钢支撑用量、喷射混凝土用量、二次衬砌模筑混凝土用量的成本投入。10.2 加快施工进度是软弱围岩循环进尺由 1 榀/天，提高到 2 榀/天。从而加快施工进度减少人力、机械设备投入。11 应用实例元山隧道起讫里程为 DK365+105DK366+021，全长 916 米，全隧道均位于R=10000m 的曲线上。纵坡为 20的单面下坡。元山隧道自 2010 年 5 月 2 日开工至 2012 年 4 月 16 日，由于受地形地貌、地质条件、冻土溶化等因素影响，元山隧道采用原设计三台阶七步开挖法施工初期支护发生多次大变形(如图 9 所示)。- 12 -3170831902310230243502637
16、028建筑形式围 岩 级 别衬 砌 类 型长 度 (m)施 工 方 法 25847101507080140108370825斜 切 式 洞门 缓 冲 段 浅 埋 路 堑 式 明 洞 斜 切 式 洞门 缓 冲 段浅 埋 路 堑 式 明 洞 c-2 b-2 a-2 a-2 a-2 b-2 c-2 b-2 c-2 明 挖 法 三 台 阶 七 步 法 三 台 阶 七 步 法三 台 阶 明 挖 法大 变 形 段 里 程 DK36+9852DK36+785DK365+9DK365+48DK365+94 DK365+58 6021DK36+105元 山 隧 道 （ 全 长 916m）大 变 形 段 大 变
17、形 段 大 变 形 段大 变 形 段DK65+28埋深13.6米 埋深26.米 埋深54.米 埋深73.6米 埋深5.6米 埋深4.3米 埋深36.2米 埋深2米 埋深14米 埋深7.6米大 变 形 段 兰 州DK36+7未 开 挖 段图 9 元山隧道初期支护大变形地段通过监控量测资料反映，该 5 段初期支护大变形最大收敛值由 120cm，拱顶最大下沉量由 28.29cm。应用效果：自 2012 年 4 月 17 日元山隧道开挖工法由原设计的三台阶七步开挖法调整为两台阶预留核心土环形开挖后，元山隧道初期支护变形量得到了有效的控制，通过监控量测反映初期支护最大收敛值由 120cm 减小至 6.6
18、cm，拱顶最大下沉量由 28.29cm 减小至 4.8cm(如图 10、图 11、图 12、图 13 所示)。本工法在元山隧道施工中得到了很好的运用，并取得了良好的效果。 0.5120.53510520530540沉 降 量 （ cm） 时 间 （ d）回 归 曲 线 A拱 顶 沉 降 时 间 -沉 降 关 系 曲 线 图图 10 三台阶七步开挖法拱顶沉降监控量测(时间-收敛图)- 13 -0.40.680.120.0510152025303540时 间 （ d）回 归 曲 线 A收 敛 值 （ cm）14 水 平 测 线 时 间 -收 敛 关 系 曲 线 图2图 11 三台阶七步开挖法水平收
19、敛监控量测(时间-收敛图)拱 顶 沉 降 时 间 沉 降 关 系 曲 线 图0.0010.0020.0030.0040.0050.0060.000.001.002.003.004.005.006.007.008.009.0010.00回 归 曲 线多 项 式 (拱 顶 沉 降 时 间 沉 降 关 系曲 线 图 )图 12 两台阶预留核心土环形开挖拱顶沉降时间-沉降关系曲线图水 平 测 线 时 间 收 敛 关 系 曲 线 图0.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.000.00 5.00 10.00 15.00 20.00水 平 测 线 B（ 实 际 曲 线 ）回 归 曲 线 A多 项 式 (水 平 测 线 A（ 实 际 曲 线 ） )回 归 曲 线 B多 项 式 (水 平 测 线 B（ 实 际 曲 线 ） )图 13 两台阶预留核心土环形开挖水平收敛时间收敛关系曲线图沉降值（mm）收敛值（mm）时间（d）时间（d）
