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高原季节性冻土隧道三台阶七步开挖法施工工艺浅析

日期：2016-8-1 14:41:10　来源：转载　浏览数：
　

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    0 引言
    随着科技水平和施工技术的不断进步，高海拔季节性冻土地区修建长大隧道的工程项目会越来越多。高海拔，多年冻土，缺氧作业是工程的特点，本文主要介绍在高原地区季节性冻土段高速公路的三台阶七步开挖法。
    1 ·工程概况
    知亥代隧道处于青藏高原腹地，属高原亚寒带半干旱半湿润气候。高原空气稀薄、气压低、日温差变化大、降水量受海拔高程影响明显。平均气温-3℃，极端最高气温25.7℃，极端最低气温-34.9℃。隧道为双向四车道公路，全长4570 米，跨度12 米，净高5m；设计荷载为公路I 级，设计时速80km/h。
    知亥代隧道出口段，围岩主要为冰水堆积层，岩性以碎块石为主，大小混杂，分选差，充填粉土及砂，块石堆积松散，存在架空结构。该段隧道围岩较差，埋深较浅，稳定性差，隧道开挖极易产生掉块、侧壁坍塌的问题，施工极其困难。
    隧道出口冰水堆积层段设计采用Φ42X4 超前小导管支护注浆加固；初期支护为I20a 工字钢，每榀间距50cm，喷射C25 混凝土，喷层厚度为26cm；仰拱为C30 钢筋混凝土，填充为C15 混凝土；在铺设土工布及防水板之后，施作二衬钢筋，再施作50cm 厚C30 模筑钢筋混凝土。
    2 ·三台阶七步开挖法
    高原季节性冻土公路隧道工程地质条件差，施工断面大，导致其施工难度大，为确保施工安全和施工质量，以“管超前、短开挖、超支护、快封闭、早成环”为原则。主要开挖方法有中隔壁（CD法）、交叉中隔壁法（CRD 法）、双侧壁导坑法、三台阶七步开挖法等。
    CD 法、CRD 法或双侧壁导坑法的各部开挖及支护从上至下，步步成环，及时封闭，各分部封闭成环时间短，但分部较多，施工速度缓慢，施工空间较小，不利于机械化作业，后面的开挖和拆除支护将对前面施工形成的支护体系产生影响，围岩应力状态多次改变，可能出现较大变形量，且其成本也会大大增加。
    三台阶七步开挖法分上台阶、中台阶左右侧、下台阶左右侧及仰拱四部分，前后左右七个不同的开挖面相互错开并行施工，同时支护，形成支护整体，缩短作业循环时间，逐步向纵深挖掘，其实质为台阶法的一种。拱部采用环形开挖预留核心土，利用核心土稳定掌子面，中部和下部也是先开挖两侧，保持中部土体不动，保证掌子面稳定。主要特点有：
    2.1 三台阶七步开挖法施工空间大，大型施工机械可多个作业面平行施工，部分软弱围岩地段，可以用挖掘机直接开挖断面，减少对围岩的扰动；在遇到较大的孤石时，可采用雷管爆破，由于施工作业面多级核心土预留，对围岩的稳定性也不会有太大的扰动。满足高海拔地区空气稀薄缺氧，人类适应性差，应尽量采用机械化施工的要求。
    2.2 在地质结构复杂多变、软硬围岩相间的季节性冻土隧道施工中，三台阶七步开挖法施工方法调整灵活，进度稳定，工期保障性强。三个台阶及仰拱的距离能保持在安全距离内，对隧道安全、稳定有保障。
    2.3 适应多种跨度和多种断面形式，不需要拆除临时支护，节省投资。
    2.4 混凝土仰拱超前施作，便于初期支护及时闭合，改变洞内作业、运输环境。全断面一次性施工防水层和浇筑混凝土衬砌，确保混凝土衬砌质量。开挖流程见图1。

    3· 三台阶七步开挖法施工工艺
    三台阶七步开挖法为平行流水作业，采用分部平行开挖和施作拱墙初期支护，仰拱超前施作及时闭合，构成稳固的初期支护体系，保护围岩的天然承载力，有效抑制围岩变形，并通过监控量测系统信息反馈，确定施工和及时调整支护参数与混凝土衬砌时间。
    在知亥代隧道出口季节性冻土段，采用小导管预注浆固结、止水等辅助施工措施，采用上部弧形导坑法短开挖施作初期支护后，再左右错位开挖及进行边墙初期支护，下台阶立即进入仰拱施作，尽早闭合成环构成支护系统。
    三台阶七步开挖法施工工艺以机械为主，人工辅助修边。上台阶进尺控制在1 榀型钢间距（0.5m~0.8m），台阶长度控制在2~4m，核心土距离拱顶1.5m~2.0m 之间，便于立架班操作，其两侧距离开挖面2m；中台阶长度控制在3~4m，上中下台阶步距控制在15~20m，方便挖掘机开挖、出渣及立架等工序施工。其施工工艺如图2。

    4· 三台阶七步开挖法施工步骤
    4.1 超前支护隧道超前支护采用Φ42X4 小导管支护，在拱部125°范围内施作，单根长度4.5m，仰角α=10~15°，环向间距35cm，纵向排距200cm。
    4.2 上台阶开挖支护
    ①在隧道拱部超前小导管施作完成后，利用挖掘机开挖上台阶，控制开挖长度，开挖后人工修边，及时初喷4cm混凝土，封闭作业面。
    ②初喷后架设型钢，铺设网片，围岩破碎段架设系统锚杆，焊接牢固，螺栓连接牢固。
    ③钢架按照完毕后，进行锁脚锚杆施工，锁脚锚杆需与钢架焊接牢固。
    ④在钢架、锚杆和钢筋网施工后，及时复喷C25 混凝土，其设计厚度需达到设计要求，上台阶施工完成后形成承载拱。
    4.3 中台阶开挖支护
    ①上台阶超前中台阶3~5m 后，交错开挖中台阶左右侧，每次开挖一至两榀，左右两侧的初期支护不同时处于悬空状态。
    ②开挖完成后，及时复喷4cm 喷射混凝土，其余步骤按照上台阶施工。
    4.4 下台阶开挖支护
    ①中台阶左右侧相错3~5m 后，保持5m 左右的中台阶长度，开挖下台阶，交错开挖，左右侧初期支护不同时处于悬空状态。
    ②其余步骤与中台阶一样。
    4.5 仰拱开挖支护下台阶开挖15~20m后，进行仰拱开挖，每次开挖3m 左右，进行仰拱初期支护，完成一个仰拱施工长度后，及时浇筑仰拱填充混凝土，随后搭设仰拱栈桥，继续开挖前方掌子面。

    5 ·本项目施工重点
    5.1 本工程海拔高，空气稀薄缺氧，人类适应性差，隧道洞内外温差大，人工和机械的利用率较低，生产工人施工工效只有内地的65%左右，隧道机械施工效率只有内地的75%左右。人工应按正常配置的1.3～1.5 倍考虑，机械设备应该按正常配置的1.2 倍左右考虑，尽量采用机械施工。
    5.2 季节性冻土段的施工，冻土经长期冻融，岩体破碎，局部易形成水囊，围岩变化较大，应做好涌水突泥应急预案措施及做好防排水措施。
    5.3 隧道冻融期施工季节性冻土隧道冻融期，碎块石等软弱围岩裂隙内冰冻融化，地表水渗透，地层应力增大，隧道极易产生持续变形，可以采取径向注浆封堵等防排水措施。
    5.4 隧道监控量测及超前地质预报在季节性冻土隧道施工中，针对围岩破碎，冻土冻融以及初支极易产生变形的特点，在此期间，应加大力度监控量测和超前地质预报监测，初期支护完成后，在拱顶及边墙布置监控量测点，每日观测拱脚水平收敛和拱顶下沉量，随着隧道施工进程，每相隔一定距离布设一组观测点，根据观测结果，适当调整预留变形量，保证二衬厚度，若观测时出现较大沉降量，数据不收敛时，应及时采取相应措施，调整支护参数。同时根据掌子面围岩情况，每隔50m 左右，采用地质超前雷达对掌子面前方的围岩进行超前地质预报监测，根据超前地质预测结果指导施工，保证隧道安全施工。
    5.5 超前支护在高海拔季节性冻土这样的地质条件下，为保证开挖工作面稳定，防止开挖时出现坍塌，施工中应采取小导管进行超前支护，目的在于消除拱部掉块，支撑下次开挖时拱部围岩稳定性，控制拱部超欠挖。小导管长度、环向间距、搭接长度、外插角度和注浆工艺都要满足设计要求。
    5.6 初期支护初期支护尽早封闭成环，仰拱及填充混凝土及时施作是确保初期支护安全的根本措施，仰拱及填充混凝土要及时浇筑，与掌子面的距离不得大于规定的安全步距，尽早封闭成环，有利于形成完整的初期支护受力体系，并及时跟进二次衬砌施工，有利于尽早形成完整的隧道受力结构。
    5.7 锁脚锚杆锁脚锚杆能有效的阻止周边收敛，控制拱顶下沉，其施工质量是重中之重。锁脚锚杆施作过程中，要注意其角度和长度，并与型钢的焊接要牢固可靠。
    6· 施工特别注意事项
    ①为保证钢架设置稳固，钢架基脚部位地基应坚实，架立钢架时挖槽就位，在地质特别松软的地方垫混凝土垫块。
    ②为增强钢架整体稳定性，应将钢架与纵向连接筋、纵向连接筋、系统锚杆、定位锚杆焊接牢固；当变形较大时，纵向连接钢筋用型钢替代。
    ③钢架连接接头要连接牢固，拱脚部位易发生塑性剪切破坏，因此接头除采用螺栓连接外，四周还要焊接牢固，确保其刚度和强度。
    ④钢架和初喷层间存在较大间隙时，设置垫块顶紧围岩，钢架与围岩间距不得大于5cm。
    ⑤核心土的几何尺寸要保证，同时要减少上下台阶开挖相互扰动，及时封闭成环。
    ⑥合理控制每道工序循环时间，减少开挖面土体暴露时间，如果开挖面暴露时间越长，隧道塌方几率将成倍增加。
    7· 结论
    ①通过施工验证，高原季节性冻土地区采用三台阶七步开挖法施工是可行的。
    ②高原季节性冻土地区气候条件恶劣，地质条件复杂，隧道施工有很大的难度和复杂性，需要根据实际情况调整支护参数，采取适当的防排水措施，确保隧道施工安全。
    ③在确保安全和质量的前提下，三台阶七步开挖法能及时支护、及时闭合成环，有效的解决了季节性冻土围岩变形大的难题，及时支护、及时闭合成环，对比CD 法、CRD 法可大大的节约成本，提高施工进度。
    ④在高原季节性冻土地区，冻土经长期反复冻融，隧道围岩破碎，地质情况非常复杂，初期支护极易变形，通过监控量测、超前地质预报等监测手段，能为施工提供宝贵的数据，指导施工，特别是季节性冻土在冻融期间的涌水预测和变形监测。
    ⑤采用预留核心土的方法，保证了围岩的稳定性，充分考虑台阶和核心土的高度，台阶的长度，方便人员、机械施工空间，控制开挖进尺，缩短支护和封闭成环的时间，是确保隧道安全的有效方法。
    ⑥在季节性冻土冻融期涌水量较大的地段采取径向注浆封堵，对隧道施工和营运期间的防排水作用巨大。