大拱脚台阶法在高膨胀岩(土)隧道中的综合技术应用

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摘要大拱脚台阶法是近期新建铁路软质围岩隧道新兴的施工方法，该施工方法对双线软质围岩大断面铁路隧道初期支护变形，尤其对高膨胀岩（土）隧道初支变形起到了很好的约束、控制作用，增强了初期支护效果，降低了隧道施工风险。本文根据大拱脚台阶法施工工艺，结合云桂铁路高膨胀岩（土）隧道特性，作出综合技术应用效果阐述。

关键词大拱脚台阶法高膨胀岩（土）综合技术应用

1.工程概况

新建云（昆明）桂（南宁）铁路（广西段）站前工程YGZQ-3标段，正线起止里程DK138+000～DK174+800，长36.35km，位于广西百色田东县境内。隧道14座，总长5.9公里，均为单洞双线隧道。隧道全部为浅埋隧道，多为软弱围岩、顺层、偏压。

2.地质特点

隧道所属区域地处广西百色盆地，属华南褶皱系，Ⅴ级围岩占88.4%。不良地质及特殊岩土主要为顺层、偏压、膨胀岩、软粉质黏土，膨胀岩土问题较为突出，百色地区为膨胀岩（土）集中地区。膨胀岩遇水极易产生围岩大变形，施工措施不当，危及整体隧道施工安全。隧道区域内地下水弱发育，多为裂隙水与孔隙水。节理、裂隙发育，地表水与地下水易贯通。

膨胀岩（土）特性：膨胀岩土干时坚硬，遇水软化，在自然条件下多呈坚硬、硬塑状态，结构致密，自由膨胀率一般大于40%。膨胀岩（土）具有超固结性，隧道一旦开挖，围岩应力得以释放，应力场重新分布。围岩松动产生卸荷膨胀，支护不及时或不当会产生围岩大变形，围岩或初支开裂，导致隧道坍塌破坏。其次，膨胀岩（土）湿胀干缩性，对水产生强烈的吸附功能，导致体积急剧膨胀，强度迅速瓦解，破坏力极强。

3.高膨胀岩（土）隧道施工工艺比选

隧道施工方法应根据工程地质条件和水文资料，结合开挖断面大小、衬砌类型、隧道长度、工期要求及环境制约等因素综合研究确定，工法选择应尽量减少工法转换。对特定的地质条件，选用的施工方法应有较大的适应性。

大断面软弱围岩或高膨胀岩隧道常见几种主要施工方法：三台阶七步开挖法、中隔壁法（CD法或CRD法）、双侧壁导坑法、大拱脚台阶法等。工艺综合对比见表：

软质围岩隧道施工方法综合对比表 表

中隔壁法（CD或CRD） Ⅳ、Ⅴ级围岩浅埋双线隧道 该法是分部开挖、支护，分部闭合成小环，最后全断面闭合成大环，每开挖一步均及时施作初期支护、中隔壁及临时仰拱的施工方法。 很复杂

中隔壁法（CD法或CRD法）、双侧壁导坑法施工工艺复杂，施工单位一般不愿采用，三台阶七步开挖法具有工序简单，施工工人熟练，可平行推进，施工进度较快等优点，但此工法在软弱高膨胀岩（土）隧道施工中，围岩沉降速率高，变形量大，无法保证隧道整体施工安全。大拱脚台阶法对软质围岩，尤其是炭质页岩和膨胀岩隧道能够快速封闭成环，加强前期的初支强度，最大限度的抵抗围岩变形，保证隧道安全施工，是快捷有效的施工工艺。另外，此工艺操作相对简单，在软弱围岩或高膨胀岩隧道施工中较为适用。

4.大拱脚台阶法综合技术

大拱脚台阶法是指在初期支护钢架拱脚的内侧或外侧增加型钢斜撑，与临时仰拱及横撑封闭成环，预防隧道初期支护挤压变形所采取的加强支护措施。与台阶法配合使用时称之为大拱脚台阶法。

4.1大拱脚台阶法技术特点

大拱脚台阶法可分为外大拱脚法、内大拱脚法，必要时内外大拱脚也可结合使用。本项目隧道主要以内大拱脚法为主。内大拱脚台阶法技术特点主要有以下几个方面：

（1）内大拱脚法作为Ⅴ级围岩的辅助施工法，它可以通过监控量测判断围岩变形的大小，随时与中壁法（CD法）、交叉中隔壁法（CRD法）配合使用。

（2）大拱脚法与临时仰拱在阶使初期支护及时闭合成环，能尽快减小围岩的变形，稳定围岩的拱型结构。

（3）大拱脚法除了对拱顶下沉有制约作用外，同时因与临时仰拱结合使用，它对水平收敛尤其是围岩水平方向的内位移也起到了很大的抵制作用。

4.2大拱脚台阶法工艺

大拱脚台阶法隧道开挖工艺流程只要按照七个步骤：

第1步：开挖上台阶在拱部超前小导管支护后进行，开挖高度约3m。开挖后应及时施作上台阶周边的初期支护，开挖循环进尺为1榀钢架间距。

第2步：弱爆破开挖左侧阶，开挖高度约3.5m，施作左侧阶初期支护：初喷4cm厚砼，挂钢筋网，架立钢拱架，设置φ42锁脚锚管，施工径向系统锚杆后复喷砼至设计厚度，施作临时仰拱，架设临时横撑，铺设钢筋网，并喷射砼封闭临时仰拱，同时施作临时斜撑。

第3步：同左侧阶施工工序，开挖及支护右侧阶。

第4步：弱爆破开挖左侧下台阶，开挖高度约3.5m，施作左侧下台阶边墙初期支护：初喷砼，铺钢筋网，架立钢拱架（设置锁脚锚管或锚杆），施工径向系统锚杆后复喷砼至设计厚度。

第5步：弱爆破开挖仰拱，施作仰拱初期支护：初喷砼，铺钢筋网，架立钢拱架，复喷砼至设计厚度。

第6步：灌筑仰拱与边墙基础；待仰拱砼初凝后，灌筑仰拱填充至设计高度。

第7步：根据监控量测分析，确定二次衬砌施作时机，铺设环向加纵向透水盲沟、防水板加土工布、利用衬砌台车一次性灌筑拱墙衬砌。

4.3其它关键技术控制要点

大拱脚台阶法施工工艺能够有效的控制隧道围岩在初期支护期间变形沉降，但对于高膨胀岩隧道，为防止膨胀岩（土）围岩在不利因素下发生突变，还要在大拱脚台阶法的基础上，综合其它关键技术措施，确保隧道整体安全，主要有以下几方面：

⑴大拱脚台阶法与临时仰拱在隧道阶开挖完后，初期支护必须及时闭合成环，尽快减小围岩的变形，稳定围岩的拱型结构。仰拱、衬砌等工序衔接要及时顺畅，避免初支结构暴露时间过长。

⑵严格控制初支质量，确保钢拱架、系统锚杆和喷射砼组合支护系统的刚度和强度，保障超前注浆效果，有水地段采用超前灌注CS浆液，改善围岩力学性质，抑制岩土体的松动变形和应力释放。在必要情况下，可以在透水层和围岩交界处进行注浆加固处理。

⑶监控量测作为关键工序列入现场施工组织。加强监控量测效果，严格按照观测频率和观测要求进行精密测量，对观测数据系统分析，提出下一步施工指导意见，对隧道沉降变形异常提出预警。根据隧道实际沉降变形量变化预留变形量。

⑷严格控制施工用水，及时排除隧道渗水和施工用废水，避免人为造成膨胀围岩遇水软化，并加强通风，防止潮湿空气对围岩的侵蚀破坏。对于遇到的围岩流体渗水，主要以引流为主，其次加强超前注浆效果，达到防水的目的。

⑸严格控制掌子面与仰拱、衬砌的安全距离，掌子面与仰拱不得超过30米，与衬砌不得超过70米，但对于高膨胀岩（土）隧道衬砌与掌子面不宜超过45米。

⑹充分做好超前地质预报，对围岩渗水或出水部位提前采取措施。

5.结束语

在云桂铁路高膨胀岩（土）隧道施工中，通过对高膨胀岩（土）的特性分析，结合大拱脚台阶法综合技术的应用，有效的控制了高膨胀岩土围岩的沉降变形，确保了隧道的有序推进和施工安全，为后续类似的隧道施工提供了经验和借鉴。

参考文献：《铁路隧道工程施工技术指南》 TZ 204-2008

中铁二院.《双线隧道辅助施工措施及施工方法》云桂隧参08

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。