隧道开挖及仰拱初期支护成环施工技术

夏青青XIA Qing-qing

（中铁北京工程局集团有限公司，北京100000）

0 引言

目前，我国铁路隧道施工方法为明挖法、矿山法、盾构（TBM）法、隧道掘进机法、新奥法等，其中矿山法主要重大危险为隧道开挖塌方、上部结构沉陷等，如何防止隧道开挖塌方是目前需要解决的重大问题。根据当前各方面有关隧道开挖施工塌方事故分析与总结，在隧道开挖特别是在围岩浅埋、偏压、断层破碎带及Ⅴ级围岩地段施做下台阶及仰拱时候，隧道岩层承受载荷最大，上部、中部已做钢架刚度和稳定性不足，隧道会因为洞内围岩压力过大而崩塌。隧道开挖后，为控制围岩应力适量释放和变形，增加结构安全度和方便施工，解决好隧道开挖及主要承载结构隧初期支护问题，是提高围岩的稳定性，保证隧道施工安全，提高隧道施工质量的，加快施工进度，提高经济效益的重要保障。鉴于我国地质、地貌复杂多变、地质问题突出，对隧道开挖及初期的施工技术研究，需不断加强、完善、改进，以期取得更加成效显著的结果。以下对实际工程隧道开挖及仰拱初期支护成环工程的跟进、研究、探讨、分析有着十分重要的意义。

1 工程概况及适用范围

阳春隧道位于广东省阳春境内，隧道全长3363m，其中暗挖3335m，明挖28m，隧道最小埋深约6.5m，最大埋深143m。测区覆盖层为第四系全新统坡洪积层Q+p，坡残积层Qt+e，下伏基岩为泥盆系中下统桂头组上亚群（D.agt'）砂岩夹页岩，泥盆系中下统桂头组下亚群（D1.z2gt°）砂岩夹页岩，寒武系八村群a段（∈bc°）变质砂岩、页岩互层，寒武系八村群b段（∈bcb）变质砂岩、页岩互层。测区不良地质为顺层偏压和进口仰坡顺层，环境地质条件差；围岩差异风化特点明显；受构造影响，岩体较破碎；地下水较发育，存在逆断层、物探异常段落、地层倒转等复杂地质情况。根据阳春隧道Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ级围岩隧道开挖及仰拱初期支护成环技术的成功运用和其他隧道工程运用实例可知，各类隧道工程开挖适用此项技术。此项技术不仅应用于铁路隧道施工项目中，在其他类似地下工程中也普遍适用。高速铁路隧道工程具有建设工期紧、施工条件复杂、安全质量要求高、技术性强等特点，想要取得不错的经济效益，就要勇于跨越，追求卓越，不断技术创新，做好成本控制，把握施工要点，做好技术措施、安全措施的管理。

2 隧道施工艺及技术措施

隧道工程主要采用新奥法原理，严格按照“三超前、四到位和一强化”（超前地质预报、超前支护（软弱围岩段）、超前加固；工法选择到位、支护措施到位、快速封闭到位、衬砌跟进到位；强化量测）的原则组织施工，考虑充分利用围岩自承载能力，减少对围岩的扰动。本隧道中施工采用光面爆破的施工工艺，从而有效减小破坏围岩的原始稳定性，为初期支护创造先决条件。

2.1 隧道开挖方法

隧道按新奥法原理组织施工，根据不同围岩级别及地形、地貌采取开挖方法。Ⅴ级围岩根据设计具体情况可采用三台阶预留核心土法施工、三台阶临时仰拱法施工、三台阶法施工、三台阶临时横撑法施工；Ⅳ级、Ⅲ级围岩地段采用台阶法施工，Ⅱ级围岩地段采用全断面法施工。

2.1.1 台阶法

台阶法需要超前支护的首先进行超前支护；然后进行上半断面，并及时施作上半断面初期支护；再进行下半断面开挖，并及时施作下半断面初期支护；下半断面施工一定距离后施作仰拱；最后进行二次衬砌。

2.1.2 三台阶预留核心土法

第一，先开挖①部（预留核心土），然后进行预留核心土周边的支护，先初喷4cm厚混凝土，再进行钢筋网铺设，架立钢拱架，并设置锁脚锚杆。最后打入径向锚杆并复喷混凝土至设计要求厚度。

第二，在滞后①部一段距离之后（可根据施工机械配置、人员安排等情况适当调整），开挖②部，待②部开挖完后进行台阶周围部分初喷4cm厚混凝土，铺设钢筋网，接长钢拱架，最后打入径向锚杆并复喷混凝土至设计要求厚度。

第三，开挖③部台阶，及时封闭初期支护。（图1）

图1 三台阶预留核心土法工序横断面图

2.1.3 三台阶临时仰拱法

临时仰拱设置于中台阶,临时钢架采用I18工字钢，纵向每2榀设1处，纵向连接筋环向间距1m，钢架间采用10cm厚C25喷射混凝土封底。适用于V级围岩洞口浅埋、偏压、断层破碎带以及地表有敏感构筑物需要控制沉降等地段。

施工工序：①利用上一循环架立的钢架施作拱部纵向超前预支护。②开挖上台阶，并施作上台阶部洞身结构的初期支护，即初喷4cm厚混凝士，架立初期支护钢架，并设置锁脚锚。③上台阶施工至适当距高后，开挖中台阶，施作洞身结构的初期支护和临时仰拱，即初喷4cm厚混凝土，架立初期支护钢架及临时钢架，并设置锁脚锚管。钻设系统锚杆后复噴混凝土至设计厚度临时钢架间喷射10cm厚混凝土封。④开挖下台阶，及时封闭初期支护。可参见工序③进行。⑤灌筑该段仰拱及隧道仰拱填充。⑥利用村砌模板台车一次性灌筑仰拱、拱墙二次村砌（拱墙村砌-次施作）。

2.1.4 三台阶临设横撑法

第一，先开挖①部，然后进行①部台阶周边的支护及临时支护，即先喷4cm厚混凝土，再进行钢筋网铺设，架立钢拱架。最后打入径向锚杆并复喷混凝土至设计要求厚度。

第二，在滞后①部一段距离之后（可根据施工机械配置、人员安排等情况适当调整），开挖②部，待②部开挖完后进行台阶周围部分初喷混凝土至4cm厚，铺设钢筋网，接长钢拱架和I18临时横撑（仅在部分Ⅴ级围岩浅埋、断层破碎带和Ⅴ级围岩浅埋偏压地段设置），并设置锁脚锚杆，打入径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度。

第三，开挖③部台阶，及时封闭初期支护。可参见工序③进行。

2.2 仰拱初支施工工艺及技术措施

施工准备→测量放线→开挖→基底清理→安装钢架→喷射混凝土。

①测量放线：隧道开挖应对需要开挖深度进行测量放线，具体方法为：在边墙上准确测量出预留钢筋的上下线，根据基线标高与仰拱开挖面的标高的高差，计算预开挖仰拱段横向每间隔1m处的钻孔深度，以此为依据指导钻爆的深度，从而保证仰拱开挖深度符合设计要求。

②开挖：仰拱开挖根据围岩软硬程度采用以下两种方法进行：对于硬质岩、中硬岩采用钻爆开挖仰拱，钻孔设备采用YT-28气腿式凿岩机，一次爆破成型，人工配合机械清底，对于软弱围岩段及土质段采用以机械开挖为主，局部弱爆破为辅，人工清底的方式开挖。

采用爆破开挖方法开挖时应注意控制钻孔深度，根据仰拱底部围岩情况预留15-30cm采用人工配合机械清底，防止扰动底部围岩和超挖，钻孔深度根据预留先测出的标示于两侧边墙上的基准点连线进行控制。V级围岩仰拱单循环开挖长度按照验标要求不超过3m。

③型钢（格栅）钢架安装：隧道内拱架主要有型钢钢架和格栅拱架两种，拱架统一在钢筋集中加工，型钢钢架采用冷弯机分单元弯曲成型，格栅拱架采用八字节数控弯曲机批量生产“八字节”，然后在拱架胎模上人工焊接组装。首榀拱架加工完成后，必须进行试拼，确保加工的成品拱架，弧度、尺寸、与设计一致。拱架经加工检查合格后，采用运输车分批运至洞口指定临时存放场存放，施工时运至洞内。

技术员每循环放样拱架位置，确定拱架高度及内净空，保证连接质量。

④喷射混凝土：隧道初支采用湿喷混凝土机械手施工，先对受喷岩面进行处理，再进行喷射。清除松石、危石后，根据岩面情况，分别采用高压水、高压风清洗受喷岩面，使其喷射密实层层密贴，严禁初支背后出现空洞。

采用湿喷法施工，分初喷、复喷和终喷三阶段进行，湿喷机械采用湿喷机械手，以提高施工效率。

3 隧道开挖、初支安全措施

3.1 隧道开挖安全技术措施

①对隧道安全控制最重要的环节开挖，要采取不同的开挖方案以适应不同的地质情况，严格把控开挖进尺，保持安全步距，采用最佳爆破参数，严格执行爆破振动安全技术规程要求。

②对所以施工的人员进行安全教育，安全技术交底，保证教育及交底的有效性。其中爆破及操作机械的人员，必须是经过专业教育培训和考试，并取得合格证，在合格证有效内方予上岗。爆破按其隧道设计进行施工，严格把控装药量，要设专人监督，防止不规范操作及失误造成不安全事故。

③钻眼人员到达工作面时，先检查工作掌子面是否处于安全状态。严禁在残眼中钻眼。钻孔台车进场，需有专人指挥，按照规范要求，检查路径安全及施工安全，依次经过的道路和临时台架。

④仰拱及衬砌安全步距需满足以下要求：

1）仰拱：Ⅲ级围岩距掌子面不大于150m，Ⅳ、Ⅴ级初支封闭围岩距掌子面不大于50m。

2）二衬：Ⅲ级围岩不大于200m，Ⅳ、Ⅴ级围岩不大于145m。

3.2 初期支护的安全技术措施

①隧道现场施工负责人应定期会同相关技术、安全人员对初期支护各部位实施情况及质量进行检查。当发现初期支护变形或缺失损坏时，应马上进行整修、补漏并及时加固，当现场支护情况严重时，马上要求施工人员撤离现场，再组织专业人员进行加固处理，保证施工安全。

②洞内初期支护与仰拱的连接处，选取正确连接结构，严格按照施工设计要求增强支护，并及早进行永久衬砌。锚杆的质量、长度，喷射混凝土的质量、厚度，以及钢拱架的安装位置、间距等严格按设计施工。

③洞内支护，应随挖随支护，初期支护至开挖面掌子面距离一般不得超过4m。尽量缩短支护至掌子面的距离。施工需要短期暂停，需支护至开挖掌子面。

为保证支撑的安全有效性，支撑立柱不能置于虚渣或松散的黄土里，软弱围岩地段的立柱加设垫板或垫梁，确保支护结构有足够的强度。

安装钢拱架，应遵守有关起重和高处作业等安全规则，选用适宜的小型机具进行吊装。

进行锚杆施工时，必须保证核心土的安全距离，以便施工人员能够进行操作。

密切注意围岩变化，使用风钻打孔时要两人同时进行操作，以避免引起震动伤人。

喷锚支护的脚手架应进行检查保证牢固可靠，喷射手按要求佩戴必要的防护用品，机械部位应显示正常工作，压力应保持在0.5～1MPa左右。严谨将喷嘴对人放置，造成伤人事件。

施工中必须加强超前地质预报和监控量测工作，实行施工动态管理。发现围岩突变、地质预报异常和监控量测数据超标等问题，必要时马上报告上级和安排作业人员撤离危险现场，专业人员调整施工方法、安全步距及开挖进尺，保证施工安全，才能继续施工。

④钢拱架施工的安全控制要点：

1）钢拱架制作和搬运过程中，先将钢拱架构件绑扎固定，以防止发生整体构件或连接铁件碰撞伤人、构件掉落等安全事故；

2）钢拱架的架设，采取专人按要求信号现场进行指挥，并随时观察四周围岩及初喷混凝土层的动态变化，及时发现危险情况以防止引起伤亡事故；

3）钢拱架前，先采用垫板等将钢拱架的基础面垫平。架设时，相邻的钢拱架应连结牢固，以防发生钢拱架倒塌、扭曲、弯屈及变位等安全伤人事故；

4）对钢拱架应经常检查，如发现不正常征兆时，必须及时采取加固措施。出现严重情况时，安排人员迅速撤，以防止造成伤亡事故；

5）隧道开挖多大断面居多，钢拱架的顶部连结作业时，多为高空作业，施工人员需配带安全绳、安全带、安全帽，作业平台设有安全栏杆等防范措施；

6）钢架拱顶紧固连接螺栓、楔紧钢拱架时，要求施工人员以正确的姿势站立在安全可靠的脚手架上，台架上面均应张贴反光标识及安全操作标识牌，必须克服麻痹思想，穿戴好安全防护用品，安全绳高挂低用，谨防人员伤亡事故。

4 环水保风险与预防

4.1 环水保风险点

根据工程实际及拟采用的施工工艺，环境主要风险点包括：施工扬尘、隧道粉尘、噪音排放、污水排放、植被破坏水土流失。

4.2 环水保预防

在工程施工过程中，除了重视施工进度、施工技术、安全质量等管理方面，环水保问题也应纳入施工过程。必须严格按水保方案要求落实各项水土保持措施，加强施工营地及施工队伍的环境保护管理，要采取有力措施全面严格控制施工污染。例如现场主要道路采用硬化地面；使用先进设备、工艺降低噪声排放或使用吸声装置；加强作业人员噪声防护，配戴必要的防护用具；对职工进行环保教育，提高环保意识，在施工过程中，加强对植被的保护，尤其在高原、沙漠地区；隧道弃方遵循远离河道，少压植被，尽量选择荒地，及时对弃方压实，在表面进行植被覆盖，防止水土流失，美化环境；污、废水要尽量清污分流，污染物超标的废水应经过处理使之达标排放，禁止将未经沉淀处理的施工污水直接排入河道、市政雨水管网。现场污水，运输车辆、砼输送泵的冲洗污水、作业污水、应先排入沉淀池，经沉淀后方可外排或二次利用，沉淀池应及时清理。

5 结束语

隧道工程是高铁建设中不可避免需要建设的工程，由于规模大、施工环境差、工期紧、成本高、风险大等特点，使其对隧道施工技术的要求极高。对此我们需要不断的摸索、探究和总结经验，创新发展，突破行业技术，保证我国铁路建设的快速发展，实现祖国的繁荣昌盛。