15元山隧道两台阶预留核心土环形开挖施工工法冯锡良.docx
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15元山隧道两台阶预留核心土环形开挖施工工法冯锡良
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、图2所示）。
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
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；Ⅱ-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。
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30～40cm，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。
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2～3m。
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φ20L型钢筋与型钢钢架焊接牢固，如图5所示）。
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
图7下台阶开挖支护
5.2.5仰拱及填充
开挖隧底，每循环进尺不得大于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。
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
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）
单工序时间分配计划（小时）
备注
测量放线
钻眼
装药
出渣、清断面
立架/挂网
喷砼
锚杆
Ⅴc
30
1
0.5
2
12
0.5
2
1.0
2.0
1.0
3.0
2.5
每循环1榀钢架，间距0.5m
6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
序号
围岩级别
人员配置（单口）
主要机械配置
（每个口）
开挖工
立架工
喷砼工
二衬
工人
钢架加工
杂工
领带班
合计
1
Ⅴc
20
16
16
20
3
5
2
82
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。
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，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。
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[2010]241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
超前小导管外插角控制在10°～15°之间，长度一般为3.5m～5m；小导管纵向搭接长度不小于1.0m；小导管外露长度一般为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0.5MPa～1.0MPa之间，当注浆压力达到设计注浆终压并稳压10～15min，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6m/次。
（2）钢架安装允许偏差：
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。
（6）为保证施工安全，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+105～DK366+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）。
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6.6cm，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。
图10三台阶七步开挖法拱顶沉降监控量测（时间-收敛图）
图11三台阶七步开挖法水平收敛监控量测（时间-收敛图）
时间（d）
沉降值（mm）
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
时间（d）
收敛值（mm）
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
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