三台阶开挖法在软弱围岩隧道施工中的应用
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摘要：盘龙坳Ⅱ号隧道属软弱围岩隧道，通过采用三台阶七步法开挖，围岩扰动及变形量小，施工安全得到保障。实践证明，该方法对弱围岩隧道施工有指导意义，值得推广。
Abstract: Panlong Col II Tunnel is of weak surrounding rock. With the excavation method of three-step and seven-step, the rock disturbance and deformation is small and construction safety has been guaranteed. Practice has proved that this method has guiding significance for the weak rock tunnel construction, and is worth promoting.
Key words: tunnel; three-step method; weak surrounding rock; construction
中图分类号：U45文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
一 、三台阶开挖作业法
三台阶开挖法是以弧形导坑开挖留核心土为基本施作模式，分上、中、下三个台阶七个开挖作业面，各部位的开挖与支护是沿隧道纵向错开、平行推进。其特点是：施工空间大，方便机械化操作，可以多工作面平行流水作业，部分软岩或土质地段可以采用挖掘机直接开挖，工效较高。根据地质超前预报成果，及时、灵活地转换施工工序，调整施工方法，以适应不同跨度和多种断面形式。
该法适合于Ⅴ、Ⅳ级软弱围岩隧道施工。
二、盘龙坳Ⅱ号隧道施工
1、隧道工程概况
盘龙坳Ⅱ号隧道为分离式中隧道，长652m，位于贵州省镇远县大地乡岭岗屯村境内。左幅隧道起讫桩号为ZK83+277～ZK83+929，最大埋深约117m；右幅隧道起讫桩号为YK83+260～YK83+912，最大埋深约112m。围岩为Ⅴ、Ⅳ级，属软弱围岩，因受构造影响，隧道洞身地层产状扭曲变化较大，节理裂隙发育，岩体较破碎。
2、软弱围岩隧道施工特点
第1步，上部弧形导坑开挖：拱部超前支护后，环向开挖上部弧形导坑，预留核心土，核心土长度宜为3～5m，宽度为隧道开挖宽度的1/3～1/2。开挖循环进尺根据初期支护钢架间距确定，最大不超过1.5m，开挖后立即初喷4cm厚的混凝土。上台阶开挖矢跨比大于0.3，开挖后及时进行喷、锚、网联合支护，架设钢架，在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°打设锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。
第2、3步，左、右侧阶开挖：开挖进尺根据初期支护钢架间距确定，最大不超过1.5m，开挖高度一般为3～3.5m，左、右侧台阶错开2～3m，开挖后立即初喷3～5cm厚的混凝土，及时进行喷、锚、网联合支护，接长钢架，在钢架墙脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°打设锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。
第4、5步，左、右侧下台阶开挖：开挖进尺根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.5m，开挖高度一般为3～3.5m，左、右侧台阶错开2～3m，开挖后立即初喷4cm厚的混凝土，及时进行喷、锚、网联合支护，接长钢架，在钢架墙脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°打设锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。
第6步，开挖上、中、下台阶预留核心土：各台阶分别按上、中、下的顺序开挖预留的核心土，开挖进尺与各台阶循环进尺相一致。
第7步，隧底开挖：每循环开挖长度宜为2～3m，开挖后及时施作仰拱初期支护，完成两个隧底开挖、支护循环后，及时施作仰拱，仰拱分段长度宜为4～6m。
隧道施工过程的初期支护由喷射混凝土、锚杆（管）、钢筋网和钢架等组成，各部分联合受力。初期支护应在开挖后立即施作，以保护围岩的自然承载力，其施工工艺流程见下图。
初期支护施工工艺流程
3、施工过程的监控量测
隧道进入正常施工程序，就必须进行全过程监控量测，包括隧道套拱也需要布设量测点，以保证施工过程安全。监控量测项目如下表。
龙盘坳Ⅱ隧道监控量测必测项目
注：H0—隧道埋深；b—隧道最大开挖宽度。
三、施工过程监控要点及采取的措施
⑴做好工序衔接。工序安排应紧凑，尽量减少围岩暴露时间，避免因长时间暴露引起围岩失稳。
A、初期支护应及时封闭成环，全断面初期支护闭合时间宜控制在15d左右；
B、仰拱应超前施作，仰拱距上台阶开挖工作面宜控制在30～40m。铺设防水板、二次衬砌等后续工作应及时进行。
C、二次衬砌距仰拱宜保持2倍以上衬砌循环作业长度，但不得大于50m。
⑵在满足作业空间和台阶稳定的前提下，应尽量缩短台阶长度，核心土长度应控制在3～5m，宽度宜为隧道开挖宽度的1/3～1/2。
⑶三台阶七步开挖法施工应严格控制开挖长度，根据围岩地质情况，合理确定循环进尺，每次开挖长度不得超过1.5m；开挖后立即初喷4cm混凝土，以减少围岩暴露时间。
⑷严格按设计要求施作超前支护，控制好超前支护外插角，严格按注浆工艺加固地层，保证隧道开挖在超前支护的保护下施工。
⑸隧道周边部位应预留30cm人工开挖，其余部位宜采用机械开挖，局部需要爆破时，必须采用弱爆破，不得超挖。施工时应严格控制装药量，减少对围岩的扰动。
⑹中、下台阶左、右侧开挖应错开，严禁对开，左、右侧错开距离宜为2～3m。
⑺钢架应严格按设计及规范要求加工制作和架设。钢架应架设在坚实基面上，严禁拱（墙）脚悬空或采用虚碴回填。钢架应与锁脚锚杆（管）焊接牢固。
⑻隧道超挖部位必须回填密实，严禁初期支护背后存在空洞。必要时初期支护背后应进行充填注浆，保证初期支护与围岩密贴。
⑼施工过程中可采用增加拱（墙）脚锁脚锚杆（管）、增设钢架拱（墙）脚部位纵向连接筋、扩大拱（墙）脚初期支护基础及增设拱（墙）脚槽钢垫板等增强拱（墙）脚承载力等措施控制变形。
⑽加强监控量测工作，根据量测结果，及时调整支护参数，确定二次衬砌施作时间，进行信息化施工管理。
⑾完善洞内临时防排水系统，严禁积水浸泡拱（墙）脚及在施工现场漫流，防止基底承载力降低。当地下水量较大时，上台阶开挖工作面附近宜开挖横向水沟，将水引至隧道中部或两侧排水沟排出洞外。必要时应配合井点降水等措施，降低地下水位至隧道仰拱以下，确保施工顺利进行。
四、结语
针对盘龙坳Ⅱ号隧道的Ⅳ、Ⅴ级软弱围岩，若采用常规的隧道施工方法，则耗费资源多，施工时间长，投入成本多，且存在安全隐患。应用三台阶七步开挖法施工，对围岩扰动小，变形量小，施工进展顺利，消除了施工过程的安全隐患。实践证明，三台阶七步开挖法对软弱围岩隧道施工是一种行之有效地方法。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。