王鹏飞
（中铁十四局集团第二工程有限公司，山东 泰安 271000）
【摘要】以潮（州）惠（州）高速公路莲花山2号隧道为背景，结合工程现场实际，对隧道开挖后的围岩判断及监控量测情况，通过辅助施工措施及监控手段对原设计的施工方法进行改进，从而达到节约成本加快进度的目的，并总结经验指导现场施工。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 隧道；大跨径；三台阶；施工方法；应用
随着我国高速公路建设，山岭区的隧道净宽和净高也在加大，这给隧道施工带来了新的难点，如何快速安全建设大跨径隧道进洞成为隧道工作者孜孜以求的追求目标。三台阶七步开挖法以新奥法为理论指导，以机械技术和信息技术为依托，通过多种辅助施工措施，充分利用核心土的反压作用，通过超前地质预报和监控量测科学地指导施工，在大跨径隧道施工中成功的应用。
1项目背景
1.1工程概述
莲花山2 号隧道设计为双向六车道特长隧道，左右线分离布设，进口里程K200+337（ZK200+365）；出口里程K200+445（ZK205+505），隧道双线全长10248m（左线长5140m，右线长5108m）。主洞最大开挖跨度为17.65m，最大开挖面积为169.2m2。进洞初期主要以Ⅴ级围岩为主，原设计采用双侧壁导坑法进洞。
隧道区属新华夏系东亚第二个隆起褶皱带南段粤东沿海地区与南岭东西复杂构造带南缘交接复合部位。区内各类构造横斜展露，形迹较为明显。主要发育北东向构造形迹，北东向断裂带控制地形地貌，是隆起和拗陷的分界线。隧道区地表水不发育，隧址区未见湖泊、水库等大型地表水体发育，仅冲沟地段雨季雨水汇集可产生的暂时性水流，莲花山2号隧道主要发育有12条季节性溪流，沟面宽约1.0～3.8m，勘察期间水面宽约0.2～1.2m，水深0.2～0.4m最大洪水水位约0.3～1.5m。水位暴涨暴落。雨水下渗为地下水主要补给来源。
1.2工程地质及水文条件
该隧道区属丘陵地貌，地形起伏较大。隧道范围内中线高程118m～695m，最大高差578m。山体自然坡度20°～35°，植被较发育。进、出口均处于山前斜坡地带，山坡处于基本稳定状态。隧道区潮州端洞口附近仅有狭窄山路通过，惠州端洞口有简易道路通过，交通条件较差。出口右洞进洞初期围岩主要粉质黏土、强风化熔结凝灰岩及中风化熔结凝灰岩。粉质黏土受雨水浸泡易软化，抗雨水冲刷能力差，强风化熔结凝灰岩大部分破坏，节理裂隙发育，岩体呈碎裂结构，岩质较软，岩体破碎，自稳能力差。
2施工工法选择
2.1超前地质预报
隧道进洞施工前，首先对隧道进行超前地质预报，采用地质雷达及超前水平钻孔等手段，及时掌握掌子面地质情况，为制定相应的控制措施提供依据。
（１）掌子面情况：根据揭露的围岩判断：掌子面大部分为中风化为熔结凝灰岩，局部夹强风化熔结凝灰岩，围岩节理发育，岩石为块状结构、坚硬，根据已开挖的边仰坡情况，围岩稳定性较好。因洞口段处于冲沟地段，掌子面中部有较多裂隙水。另根据超前水平钻孔取芯情况也可看出，围岩总体上整体性较好，强度较高。掌子面基本情况如图1所示。
（2）雷达数据分析：根据雷达的现场测试数据，采用RADAN雷达处理分析系统软件进行分析，经过滤波、增益及其他工具的处理，得到掌子面前方雷达波形如图2所示。
根据地质雷达数据分析，莲花山2号隧道出口右洞K205+430～K205+427段存在破碎小夹层，K205+410～K205+407段局部电磁波传播频率有所降低，推断该段围岩局部整体性有所变差，但总体上围岩整体性较好。
2.2方案对比与选择
2.2.1施工方法的综合比较
（１）双侧壁导坑法适用于Ⅴ级围岩浅埋及软质岩段，其精义在于化大断面为若干小断面开挖，能够做到及时封闭、安全可靠，因需要拆除临时支护，更适合于土质隧道，对于土石混合需要弱爆破的Ⅳ、Ⅴ级山岭隧道并不十分适用。
（２）三台阶七步法开挖法是在台阶法和环形开挖法综合的基础上发展起来的，兼容了二者的优点，通过预留核心土对掌子面提供反压作用，且又可作为支护的作业平台，不需要专门台架，对防止边墙局部坍塌更有利。
施工方法综合比较见表1。
2.2.2结论及建议
超前地质预报段落未见不良地质体，总体上围岩整体性较好，岩石主要为中风化，较坚硬，含裂隙水，围岩工程地质条件比设计的Ⅴ级稍好。
因掌子面前方28m范围内围岩整体性较好，岩石坚硬，自稳性好，考虑如果开挖断面小则爆破的夹制性较大，因此，在考虑施工方案时建议适当加大开挖断面，以提高爆破效果；另一方面，由于掌子面左侧仰坡较高，施工时必须注意锁脚锚杆质量及超挖回填质量，确保左侧山体稳定。
在施工过程中，施工单位考虑到自身施工工班比较熟悉三台阶施工工法，且该工法比较成熟，经过业主单位、监理单位、设计院及施工单位四方会审，将原设计双侧壁导坑法变更为三台阶七步开挖法，但要求加强监控量测，做好应急预案。
3进洞施工工艺
3.1洞口边仰坡及排水系统处理
洞口边仰坡开挖前，在洞口边仰坡开口线范围以外5m砌筑截水沟，并保证水沟截面符合设计要求。
根据洞口边仰坡坡率、平台宽度、明暗洞交界点、边仰坡起坡点设计高程及宽度，同时结合现场地形情况，进行洞口边、仰坡开口测量放样，开挖时应随时检查边坡和仰坡坡率和坡体稳定。
3.2长管棚施作
超前长管棚采用节长3m、6mФ108×6mm无缝钢管，环向间距40cm，丝扣连接。钢管设置于衬砌拱部，洞口段纵向设置2m套拱，厚70cm，套拱内预埋Ф133×4mm导向管。长管棚沿隧道纵向同一横断面内接头数不大于50%。
3.3三台阶七步开挖法施工工艺
三台阶七步开挖法分上台阶、中台阶内侧、中台阶外侧、下台阶内侧、下台阶外侧、隧底等三个台阶六个工作面，前后六个不同的位置相互交错开挖，分部支护，平行推进。
3.3.1施工步序
①利用上循环架立钢架施做超前支护，弱爆破分部开挖1部，同时每循环进尺一次，分部施做1部周边初期支护，开挖核心土；②滞后1部一段距离弱爆破左右交错开挖2、3 部，施作初期支护，开挖核心土；③滞后3部一段距离弱爆破左右交错开挖4 、5部，施做初期支护，开挖核心土；④开挖7部，及时封闭初期支护；⑤灌筑该段内Ⅷ部仰拱及隧底填充（仰拱及隧底填充应分次施做）；⑥根据监控量测资料，待初期支护收敛后，一次性灌筑Ⅸ部二次衬砌（拱墙衬砌一次施作）。三台阶七步开挖步序如图3所示。
3.3.2洞身开挖
采用挖掘机开挖，人工配合整修，挖掘机配合装载机出渣，无轨运输出渣，开挖高度上台阶4.02m，中台阶3.49m，下台阶3.10m；按照下台阶滞后中台阶5m，中台阶滞后上台阶5m，隧道滞后上台阶20m，内侧台阶滞后外侧台阶3m，在各台阶分部开挖后及时施作初期支护。三台阶七步开挖法立体效果如图4所示。
3.3.3初期支护
（１）在拱部超前支护施工完毕后，对上台阶用挖机进行开挖。
（2）人工对开挖面进行整修、初喷，把上台阶内外侧两个工作面进行初步开挖。
（3）对上台阶进行拱架的支立，进行上台阶锚杆、小导管施工，铺设钢筋网片、喷射砼。在开挖下台阶内外侧，并对中台阶开挖面进行人工修整。
（4）中台阶内外初喷立钢拱架、挂网、下台阶外侧修整初喷、立架。
（5）中、下台阶4个工作面喷砼。
设计初期支护主要参数见表2。
3.3.4开挖及初期支护注意事项
（１）如上台阶掌子面遇到富水及稳定性较差的围岩，上台阶预留核心土高度2.14m，宽度为4m，长度3m。核心土面积不少于上台阶开挖面的50%，以防止掌子面坍塌。
（2）上中台阶的长度控制在5m以内，下台阶控制在20m以内，中下台阶内外侧错开开挖，隧道底开挖机初期支护及时施作，紧跟掌子面，间距控制在40m以内，开挖采用仰拱栈桥配合施工。
（3）开挖进尺按照循环控制，及时做好拱架锁脚锚杆及初期支护，拱架落地处挖机、人工配合开挖，严禁超挖，确保底部牢固。
（4）过程中应加强监控量测，及时成环封闭围岩，监控数据异常时，停止台阶开挖进行随底开挖，使初支仰拱封闭成环。
3.4仰拱施工
待初期支护收敛稳定后，仰拱开挖至设计标高，及时灌注边墙基础、仰拱及仰拱回填混凝土。仰拱混凝土超前二次衬砌混凝土的距离保持3倍以上衬砌循环作业的长度。
3.5二次衬砌施工
在仰拱和回填完成后，开始二次衬砌施工，按照设计要求施作防水层和其他排水措施，同时做好各种预埋件及预留洞室的安装，利用衬砌模板台车一次性灌注衬砌混凝土。
3.6监控量测
根据隧道的工程地质条件、围岩类别、围岩应力分布情况、隧道跨度、埋深、开挖方法及支护类型等因素确定地表沉降观测、拱顶下沉量测、周边收敛量测为莲花山2号隧道的监控量测项目。
3.6.1地表下沉量测
地表下沉量测，每个断面上测线与隧道中心线垂直，埋设测点时中心监测点设在隧道轴线的地表位置，其他监测点沿中心线对称布置，测点间距由中心监测点开始至距离地表隧道轴线最远一点由密至疏布置，具体距离按2～5m布置，宽度范围为：W=B（开挖宽度）+H/2（两侧埋深的一半）。
3.6.2拱顶下沉量测
拱顶下沉量测数据，主要用于确认围岩的稳定性。测点布设方法是在拱顶中心位置，常与周边量测点布设在一起，即布在主量测断面。用凿岩机钻孔，然后将锚固剂置入孔中，最后将收敛预埋件敲入，旋正收敛钩，以利收敛计悬挂和量测。待凝固后，拱顶下沉量测采用收敛计进行数据采集。
3.6.3周边收敛量测
周边收敛量测，在预设点的断面，隧道开挖爆破以后，沿隧道周边的拱顶、拱腰和边墙部位分别埋设测桩。测桩埋设深度30cm，钻孔直径Ф42，用锚固剂固定，测桩头需设保护罩，测桩每断面6组，共12根。采用钢尺式周边收敛仪量测周边收敛变形。所有测点布置在量测断面位置。
4几点体会
（１）与双侧壁导坑开挖法相比，三台阶七步开挖法能够充分利用大型挖装设备，施工工效成倍提高，节约临时支护费用，取得了良好的社会和经济效益。
（2）隧道洞口段埋深较浅，地质较差，岩层较破碎，易风化，节理发育，岩层稳定性差，在遵循“早进洞、晚出洞”的原则下，先护后挖，及时衬砌稳住洞口，不能贸然前挖，必须将洞口衬砌形成简支梁后才能按三台阶七步开挖法逐步推进。
（3）由于隧道地质的千变万化，三台阶七步开挖法在软岩大跨径隧道中应用，需要始终绷紧安全弦，牢记施工准则，消除侥幸思想，以科学为指导，才能确保施工安全。
5结语
莲花山2号隧道出口V级围岩改三台阶施工工法后，在施工过程中严格按照上述施工步骤施工，隧道开挖进展顺利。事实证明，在三车道大断面V级围岩采用三台阶施工工法是合理可行的。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献
［１］王梦茹,宋延坤,王潜.工程机械施工手册[M].北京:中国铁道出版社,1992.
［２］李小靑.隧道工程技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2010.
［３］朱永全,宋玉香.隧道工程[M].北京:中国铁道出版社,2008.
［4］于书翰,杜谟远.隧道施工[M].北京:交通出版社,2001.
［责任编辑：汤静］