武广客专软弱围岩大断面隧道三台阶预留核心土施工工法.docx
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武广客专软弱围岩大断面隧道三台阶预留核心土施工工法
软弱围岩大断面隧道
三台阶预留核心土环形开挖法施工技术总结
中铁二十五局武广项目部汪德福
1推行三台阶预留核心土环形开挖法的目的
在不增加建设投资的基础上，保证工程质量，加快施工进度，确保施工安全，并能有效节约建设成本。
2三台阶预留核心土环形开挖法适用范围
三台阶预留核心土环形开挖法适用于围岩自稳性好、无地下水发育的隧道。
一般适用于Ⅳ、Ⅴ级围岩无地下水地段。
3三台阶预留核心土环形开挖法施工工艺
三台阶预留核心土环形开挖法施工工序见图1、图2。
图1三台阶预留核心土环形开挖法施工工序图
图2三台阶预留核心土环形开挖法施工工序图
三台阶预留核心土环形开挖法施工工艺见图3。
图3三台阶预留核心土环形开挖法施工工艺图
3.1三台阶预留核心土环形开挖法施工工艺流程
3.1.1超前支护
超前支护是软弱围岩隧道施工成败的关键，洞口段采用30米洞口长管棚作为超前支护，其它地段采用超前小导管作为超前支护加固围岩。
严格控制开挖进尺，每循环均控制在一品钢架间距左右，保证超前支护的有效性。
3.1.2上台阶开挖及支护
开挖前，用全站仪或断面仪放出上台阶开挖断面轮廓线。
上台阶采用人工配合机械开挖，先用CAT320挖掘机挖出主断面轮廓，并沿开挖轮廓线内侧预留50cm厚围岩，由人工采用小型机具挖凿，一般采用的辅助小型机具为风镐、风铲等。
上台阶开挖高度约5.16m，以确保挖掘机能进入掌子面进行施工。
上台阶中部靠近掌子面预留核心土高度约3m，上口宽约5m，三面按施工需要放坡。
防止掌子面围岩受挤压失稳或自失稳引起塌方，危及拱顶围岩的稳定。
同时方便支护施工时不需再搭设其它平台。
上台阶开挖完成后及时进行初期支护。
上台阶按“初喷—锚杆—钢筋网—钢架—复喷”的支护形式实施初期支护。
以成镜塘隧道为例，钢架规格为I20a或I22a型钢钢架,间距为50~80cm。
上台阶钢架由2节组成，在拱顶设置接头板。
每榀钢架每侧各采用4根φ42无缝钢管锁脚，管体内灌注1：
1水泥净浆及插入Φ22螺纹钢，以增加管体刚度及保护钢管不受侵蚀。
且锁脚钢管要与钢架焊接成整体，以起到抑制初期支护下沉的作用；系统锚杆均为4m长，其中拱部为φ25的中空注浆锚杆，锚杆间距为0.8m*1.0m（环*纵）或1.0m*0.8m（环*纵）。
钢筋网规格为20*20cm。
初喷4cm厚C25混凝土，摻加1.2kg/m3的改性聚酯纤维，复喷混凝土厚度至28cm（有效厚度，钢架内及钢架保护层）。
3.1.3中台阶开挖及支护
中台阶开挖滞后上台阶3~5m。
中台阶开挖高度约3.15m，每次开挖长度进尺与上台阶进尺长度相同，中台阶长度任何时候不得大于15m。
中台阶开挖时，必须左右两侧交错进行，两侧错开距离不得小于5米，以满足喷射混凝土的早期强度及钢架的落脚稳定共同受力，以能够承受一定的上部压力，不致开裂或坍塌。
每次开挖长度不大于3榀钢架间距。
尤其在洞口段及围岩较差地段，应严格按照上台阶开挖进尺进行开挖及支护；中台阶开挖完成后及时进行初期支护。
初期支护形式与上台阶基本相同，边墙设置22mm的砂浆锚杆，锚杆间距为0.8m*1.0m（环*纵）或1.0m*0.8m（环*纵）。
3.1.4下台阶开挖及支护
下台阶开挖滞后上台阶3~5m。
下台阶开挖高度约3.15m，每次开挖长度进尺与中上台阶进尺长度相同，下台阶长度任何时候不得大于一个仰拱衬砌循环的长度。
下台阶开挖时，必须左右两侧交错进行，两侧错开距离不得小于5米，以满足喷射混凝土的早期强度及钢架的落脚稳定共同受力，以能够承受一定的上部压力，不致开裂或坍塌。
每次开挖长度不大于3榀钢架间距。
尤其在洞口段及围岩较差地段，应严格按照中上台阶开挖进尺进行开挖及支护；下台阶开挖完成后及时进行初期支护。
初期支护形式与中台阶相同。
3.1.5仰拱开挖及支护
仰拱开挖在下台阶开挖及初期支护完成后及时跟进，仰拱每次开挖长度进尺与上台阶进尺长度相同，且保持距下台阶长度不超过3m。
仰拱开挖完成后应及时完成仰拱初期支护，以尽快封闭成环。
仰拱衬砌及填充长度结合拱墙衬砌长度（每两道施工缝的距离）进行施工。
仰拱开挖、初期支护、衬砌及填充采用移动栈桥施工，移动栈桥采用I36b的工字钢每5榀拼成一组，长15m。
结合上台阶施工进度，每座隧道采用移动栈桥一套。
3.1.6仰拱衬砌及填充
仰拱衬砌距离掌子面距离不超过40米（Ⅲ、Ⅳ级围岩地段可适当调至不大于70米）。
仰拱衬砌及填充混凝土应分开浇筑，填充混凝土待仰拱混凝土初凝后再行浇筑。
浇筑仰拱混凝土前，需先检查接地钢筋的设置情况，设置正确后再行浇筑仰拱混凝土。
3.1.7防水层及衬砌钢筋施工
仰拱衬砌及填充完成后，立即对初期支护断面进行检测，并结合监控量测情况确定二衬施工时机。
围岩变形稳定后，即可开始施工防水层。
防水层由各种排水管及土工布、防水板组成，施工过程中应严格控制施工质量及注意成品保护。
衬砌钢筋安装时，采用拱架型衬砌钢筋骨架定位，保证衬砌钢筋的间距、表面平顺度及保护层厚度。
3.1.8拱墙衬砌
拱墙衬砌在仰拱衬砌及填充完成后及时施作，拱墙衬砌距离仰拱衬砌距离一般不应小于每模拱墙衬砌长度的2~3倍。
拱墙衬砌采用液压式移动模板台车施工。
3.1.9断面检测
断面检测共分三个部分，即开挖断面检测、钢架弧度检测、初期支护断面检测。
开挖断面检测是防止超欠挖的有效手段；钢架弧度检测是为了防止钢架在转运及安装过程中产生的弧度偏差；初期支护断面检测有两个作用，一是可以作为监控量测的辅助手段，能直观反映整个弧形导坑的围岩及初期支护情况。
二是为施工防水层及二次衬砌提供依据，出现欠挖必须在施作防水层前进行处理，同时平整的喷射混凝土表面是施作防水层的前提。
3.1.10监控量测
为能科学施工，确保施工及结构安全，必须做好现场监控量测工作。
施工阶段隧道监控量测主要是对隧道开挖后围岩变化情况及支护结构的工作状态进行量测，及时提供围岩稳定程度和支护结构可靠性的安全信息，预见事故和险情，作为调整和修改支护设计的依据，并在复合式衬砌中，依据测量结果确定二次衬砌施作的时间，以达到监控隧道围岩和支护结构的变位与应力不超过设计及客专验标标准。
本标段隧道量测项目分必检项目和选测项目两大类。
其中拱部下沉量测、隧道净空水平收敛量测、洞内、外观察为必检项目，地表下沉、围岩内部位移观察为选测项目。
3.1.10.1监控量测项目及量测工具和方法
监控量测项目及量测工具和方法如表1所示。
量测项目
量测工具
测度精度
备注
必测项目
净空水平收敛
各种类型收敛计
0.1mm
一般进行水平收敛量测
拱顶下沉
水平仪、水准尺、钢尺
1mm
洞内、外观察
现场观察、地质罗盘
选测项目
地表下沉
水平仪、水准尺
1mm
浅埋隧道必测（H0∠2b）
H0为隧道埋深，b为隧道开挖宽度
围岩内部位移
多点位移计
0.1mm
表1监控量测项目、量测工具及方法
洞内、外观察分开挖工作面观察和已施工地段观察两部分。
（1）开挖工作面观察应在每次开挖后进行。
观察中发现围条件恶化时，应立即采取相应处理措施；观察后应及时绘制开挖工作面地质素描图、填写开挖工作面地质状态记录表和施工阶段围岩级别判定。
对已施工地段的观察每天至少应进行一次，主要观察喷射砼、锚杆和钢架等的工作状态。
（2）洞外观察重点应在洞口段和洞身埋置深度较浅地段，其观察内容包括地表开裂、地表沉陷、边坡及仰坡稳定状态、地表水渗透情况等。
净空变化、拱顶下沉量测应在每次开挖后12小时内取得初读数，最迟不得大于24小时，且在下一循环开挖前必须完成。
测点应牢固可靠，严防爆破损坏；拱顶下沉和地表下沉量测应与洞内、外水准基点建立联系，并尽量设在同一断面。
3.1.10.2监控量测频率
量测频率应根据位移速度和量测断面距开挖面距离确定。
如表2所示。
位移速度（mm/d）
量测断面距开挖面距离（m）
量测频率
≥5
（0～1）b
1~2次/天
1～５
（1～2）b
1次/天
0.5～1
（1～2）b
1次/2天
0.2～0.5
（2～5）b
1次/2天
＜0.2
＞5b
1次/周
表2监控量测频率对照表
各量测作业均应持续到变形基本稳定后2～3周结束。
对于膨胀性和挤压性围岩，位移长期没有减缓趋势时，应适当延长量测时间。
3.1.10.3监控量测资料的应用
绘制拱顶下沉、水平收敛的位移～时间变化曲线，如图4所示，要求随时绘制。
图4位移特征曲线图
反常曲线图表示位移变化异常，出现反弯点喷锚支护出现严重变形，这时及时通知施工管理人员，该段支护采取加强措施，确保隧道不坍方；严重时施工人员须迅速撤离施工现场，保证人身安全。
正常曲线图表示绝对位移值逐渐减小，当实测的净空收敛的速度明显下降，收敛量已达总收敛量的80-90%，且水平收敛速度小于0.2mm/d，或拱顶位移速度小于0.1mm/d时，可判定围岩已基本稳定，可以施作二次衬砌。
变形管理等级见表3，可根据等级表指导施工。
管理等级
管理位移
施工状态
Ⅰ
U0>（2Un/3）
考虑采取特殊措施
Ⅱ
（Un/3）≤U0≤（2Un/3）
应加强支护
Ⅲ
U0<（Un/3）
可正常施工
Un：
允许位移值；U0：
实测位移值
表3变形管理等级表
观察及量测发现异常时，及时会同设计单位修改支护参数。
一般正常状态须同时满足以下条件：
喷射混凝土表面无裂缝或仅有少量微裂缝；位移速度除在1～2天允许有加速外，应迅速减少。
3.2三台阶留核心土法施工注意事项
（1）采用挖掘机开挖断面时，挖掘机不得碰触上一循环初期支护。
必须有专人指挥挖掘机工作，无指挥不得施工。
若不慎被碰触，应凿出钢架重新安装，不得野蛮施工。
初期支护被碰触的后果：
初期支护结构被破坏，支承能力降低；
被碰触处将成为渗漏水的病害点。
（2）采用机械开挖时，应预留不少于50cm厚的原土采用人工开挖。
机械开挖过甚的后果：
原土体被破坏，土体应力重新分布，靠近临空面一侧土体失去支撑，形成坍方体，加大安全隐患，并且增加了支护难度。
人工开挖时，结合小型机具可加快施工进度、降低劳动强度，如自制风铲、挖铲等。
（3）此工法只适用于围岩相对自稳性好、无地下水出露的地段，且应避开雨季施工，施工中加强监控量测。
（4）每循环开挖前测量组在掌子面准确放出开挖轮廓线，开挖完成后要检查开挖断面，不得出项超欠挖。
开挖施工放样时比设计开挖轮廓半径加大：
施工误差5cm+围岩预留变形量15cm=20cm。
（5）由于分部后各部分断面较小，不能完全采用机械开挖，可以采用挖掘机挖出上部的主断面，周边轮廓采用人工使用风镐修凿，以达到符合设计开挖轮廓线为准。
出碴采用挖掘机、装载机配合大吨位卡车出碴。
（6）开挖完成后初喷8cm厚混凝土封闭掌子面，并及时进行支护，防止掌子面塌方。
且开挖前必须按设计要求做好超前支护。
3.2三台阶留核心土法施工施工安全
（1）挖掘机开挖断面时，挖掘机前方不得站人；
（2）人工修凿断面前，应清除松动土体，防止工作中土体掉块或局部塌方伤及施工人员；
（3）使用风镐修凿时，必须由两人配合，防止作业人员滑摔；
（4）采用手动工具修凿时，前后不得站人，作业人员应注意周围有无其他作业人员，以免伤人；
（5）开挖后应及时进行支护，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。
（6）严格按设计要求对围岩稳定情况实施监控量测，以指导施工，防止塌方伤亡事故发生或减少不必要的经济损失。
4工法试验结果
4.1成镜塘隧道三台阶预留核心土环形开挖法试验情况
成镜塘隧道全长337米，暗洞长度301米。
2006年8月16日正式进洞施工，2007年7月20日贯通，除去中间干扰，实际施工月8个月，平均月成洞40米。
该隧道地质情况以松散状粉质粘土及半干硬粉质粘土为主（如图5所示）。
该隧道地下水不发育，土体干燥，只在支护完成后初期支护表面有少量湿渍。
成镜塘隧道全部采用三台阶预留核心土环形开挖法施工。
洞口段30米采用直径φ108mm的长管棚进行超前支护，洞身段采用42mm的超前小导管注浆加固围岩，初期支护为间距0.5m、0.6米、0.8米的型钢钢架，系统锚杆长度为4米，其中拱部为φ25的中空注浆锚杆，边墙为22mm的砂浆锚杆，锚杆间距为0.8m*1.0m或1.0m*0.8m。
采用短进尺进行开挖及支护，每次开挖架立一榀钢架，防止开挖过大造成掌子面塌方危及施工安全及拱顶稳定。
采用三台阶预留核心土环形开挖法进行施工，见图6。
采用短进尺多循环组织施工，每次开挖长度0.5~0.6米。
通过对围岩初期支护及洞顶地表监控量测显示，在仰拱封闭后，围岩变形便趋于稳定，一般拱顶下沉累计值在60~80mm内（如图7所示），水平收敛累计位移值在15~25mm内，地表下沉累计值在25~35mm内。
施工安全可控。
图5成镜塘隧道掌子面图6三台阶预留核心土环形开挖法
图7成镜塘隧道出口段拱顶下沉数据分析图
4.2三台阶预留核心土环形开挖法与双侧壁导坑法、CRD法的技术经济比较
经过一年多的施工实践证明，只要严格按照三台阶预留核心土环形开挖法方案组织施工，三台阶预留核心土环形开挖法能广泛适用于无地下水活动的浅埋段、浅埋偏压段软弱围岩施工。
在进行施工试点时业主及各方所关心的施工安全问题已完全消除，目前此工法已得到各方认同。
它较双侧壁导坑法、CRD法有以下优裕性：
（1）三台阶预留核心土环形开挖法因无过多的临时支护，作业空间相对较大，更易形成流水循环施工，循环作业时间大大缩短，使初期支护能更早封闭成环，保证施工安全。
且能提高工效，保证施工进度的如期完成。
同时，因施工作业面空间较大，空气流通较好，作业环境亦能得到很大的改善；
（2）三台阶预留核心土环形开挖法各部能完成一次开挖及支护成型，受施工扰动相对较小，不易因机械设备碰触或人为损伤造成初期支护质量下降。
同时，因不涉及临时支护的安拆，初期支护表面外观质量也能得到保证，为后续防水层施工质量奠定了良好的基础；
（3）减少了分部开挖次数，最大限度降低了由于临时支护的爆破拆除或断面开挖爆破对围岩的多次扰动及对初期支护的影响，有利于控制围岩的收敛变形。
（4）施工工序相对较为简单，减少了多工序间的相互干扰，便于现场施工组织管理，较快了施工进度。
（5）在围岩情况或其它条件发生变化时，由于其作业空间相对较大，可以提供机械设备快速进入使用，使应急处理措施能得到快速实施。
并可以迅速地转换为CRD法或其它工法进行施工。
（6）三台阶预留核心土环形开挖法因取消了大部分临时支护的施工，故施工成本大大降低。
以浅埋偏压段为例，钢架间距50cm，可得出每延米如下的技术经济比较表：
序号
施工工法
C20喷射砼（m3）
钢架
（t）
Φ22砂浆
锚杆（m）
螺栓螺母
（套）
Φ42锁脚钢管（t）
拆除C20喷
射砼（m3）
拆除钢架
（t）
1
三台阶预留核心土环形开挖法
2.02
0
0
0
0.558
0
0
2
双侧壁
导坑法
8.52
1.807
113.5
96
0.281
6.5
1.645
3
CRD法
8.82
2.079
49.5
96
0
7.02
1.918
表4三台阶预留核心土环形开挖法与双侧壁导坑法、CRD法的主要技术经济比较表
从上表显示，三台阶预留核心土环形开挖法因取消了繁琐的临时支护，施工消耗材料少；同时，因三台阶预留核心土环形开挖法作业空间较大，机械设备使用率高，不重复周转使用，降低了机械使用成本，还节约了劳动力。
从以上技术经济比较可得出，原设计双侧壁导坑法、CRD法每延米施工成本约为15000元，而三台阶留核心土环形开挖法每延米约为3000元，每延米节约成本约12000元，五座隧道约节约成本1000万元。
为公司创造了效益，同时也为隧道施工积累了丰富的经验。
5结束语
通过对成镜塘隧道的三台阶预留核心土法工法试验成果，总结了较为成熟的三台阶预留核心土环形开挖法施工经验。
并将此工法陆续沿用到随后开工的炎庙一号隧道、新村隧道、青石隧道、炎庙二号隧道的多个地段，取得了很好的成绩，隧道施工安全状态可控，未发生一例因工法原因造成的施工安全事故。
同时，因采用此工法，大大缩短了隧道的建设周期，同时节约了建设成本。
所以，在施工能力保证有力的情况下，采用三台阶预留核心土环形开挖法不失为一种较为成熟、经济及适用的施工方法。
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