三台阶大拱脚临时仰拱法在软弱围岩黄土隧道中的应用

GXF360 2017-06-22

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三台阶大拱脚临时仰拱法在软弱围岩黄土隧道中的应用

梁海东

（中铁十八局集团第二工程有限公司，河北唐山 064000）

［摘要］本文通过软弱围岩黄土隧道工程实践，分析了三台阶大拱脚临时仰拱法的施工特点，结合蒙华铁路车新庄1号隧道的施工，介绍了三台阶大拱脚临时仰拱法施工的工艺流程及质量控制要点。

［关键词］软弱围岩；黄土隧道；三台阶大拱脚临时仰拱法

随着我国工程施工技术的不断发展，尤其是隧道施工技术的发展迅猛，针对不同围岩类别的隧道开挖技术趋于成熟，三台阶大拱脚临时仰拱法技术的运用很好的解决了软弱围岩黄土隧道中的施工难题。

1 工程概况及施工难点

车新庄1号隧道隶属于新建蒙西至华中地区铁路煤运通道土建工程MHTJ-5标段，位于陕西省安塞县坪桥镇，隧道进口里程DK292+002，出口里程DK293+139.98，隧道全长1137.98m，最大埋深约160m。隧道处于黄土高原梁峁区，地形起伏较大。进出口山体自然边坡40～60，植被覆盖较少。

车新庄1号隧道进口DK292+002～DK292+130段128m和出口DK292+940～DK293+139.98段199.98m穿越地层岩性为第四系上更新统砂质新黄土，具有湿陷性，属于Ⅴ级围岩。由于黄土具有不同方向的原生和构造节理，尤其是垂直节理发育，多空隙、结构疏松，遇水易崩解、剥落。隧道开挖时，围岩土体极易沿节理面张开或剪断，破坏区域大，隧道埋深较浅时，常伴随隧道开挖产生地表纵向及环形裂缝。并且围岩变形释放快、具有突然性。

车新庄1号隧道Ⅴ级围岩段设计采用三台阶大拱脚临时仰拱法施工。

2 工艺原理

三台阶大拱脚临时仰拱法就是采用上、中、下三层台阶加临时仰拱支撑，分部平行开挖的施工方法。通过初期支护封闭及混凝土仰拱的及时施作形成稳固的初期支护体系，有效控制围岩变形。根据隧道监控量测数据的反应，随时调整支护参数和二次衬砌混凝土的浇筑时间。

3 施工工艺

3.1 三台阶大拱脚临时仰拱法施工程序及步骤

（1）第一步。

Ⅰ部利用上一循环架立的钢架做隧道超前支护。

1）开挖上台阶含大拱脚；2）施作Ⅱ部上台阶的初期支护（含大拱脚），施作φ8钢筋网（20cm×20cm）；格栅钢架，纵向间距0.6m，φ22纵向连接筋长97.5cm（环向间距1m）；锁脚锚管φ42×5mm，底脚设置2根，每根长4m，采用φ22锁脚筋与钢架双面焊；3）施作Ⅲ部临时仰拱，临时仰拱采用3根I18工字钢，两端用钢板与钢架焊接，临时仰拱间距1.2m，临时仰拱喷射C25混凝土厚24cm，格栅钢架内侧喷射混凝土保护层厚3cm。

（2）第二步。

1）开挖②部（中台阶含大拱脚），支立格栅钢架，锁脚锚管，喷射混凝土，人工拆除临时仰拱；

2）施作Ⅳ部中台阶的两侧初期支护（含大拱脚）。

（3）第三步。

1）开挖③部（下台阶），支立边墙格栅钢架，安装锁脚锚管，喷射混凝土；

2）施作Ⅴ部下台阶的两侧初期支护。

（4）第四步。

1）开挖④部的仰拱；2）施作Ⅵ部仰拱初期支护；3）施作Ⅶ部仰拱，安装仰拱格栅钢架，φ22纵向连接筋（环向间距1m），模筑C35混凝土，厚度50cm；4）施作Ⅷ部仰拱填充，仰拱填充采用C20混凝土；5）根据量测结果分析，待初期支护收敛后，利用衬砌模板台车一次性灌筑Ⅸ部二次衬砌，衬砌采用C35混凝土，厚50cm（拱墙衬砌一次施作）。

3.2 施工工艺流程

三台阶大拱脚临时仰拱法施工工艺流程如图1所示。

图1 三台阶大拱脚临时仰拱法施工工艺流程图

3.3 施工技术及要求

（1）严格按照“短开挖、留核心、严控水、强支护、早封闭、快成环、紧仰拱、勤量测、速反馈”的原则组织施工。

（2）隧道施工采用的三台阶大拱脚临时仰拱法，自上而下分三台阶进行开挖，施工中必须采用短台阶法施工，同一台阶两侧开挖必须错开至少3～4m，杜绝同一台阶的同一断面上出现同时开挖。

（3）三台阶大拱脚临时仰拱法应以机械开挖为主，必要时辅以弱爆破，各分步平行作业，平行施作初期支护，各分部初期支护应衔接紧密，及时封闭成环。仰拱应紧跟下台阶施作，及时闭合构成稳固的支护体系。

（4）施工过程中应通过监控量测掌握围岩和支护的变形情况，及时调整支护参数和预留变形量，保证施工安全。

（5）应完善洞内临时防排水系统，防止地下水浸泡拱墙脚基础。

（6）拱部超前支护完成后，环向开挖上台阶弧形导坑，预留核心土长度宜为3～5m，宽度宜为隧道开挖宽度的1/3～1/2。开挖循环进尺应根据初期支护格栅钢架间距确定，最大不得超过1.5m，上台阶开挖矢跨比应大于0.3。中台阶及下台阶左、右侧开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.5m，开挖高度宜为3～3.5m，左、右侧台阶错开2～3m。

（7）上、中、下台阶预留核心土开挖进尺与各台阶循环进尺相一致。完成2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。

3.4 初期支护施工

初期支护是采用格栅钢架、钢筋网片及喷射混凝土组织的联合支护体系结构。为保证围岩的自身稳定性，初期支护应在开挖后及时施作。

（1）喷射混凝土施工。

隧道初期支护喷射混凝土采用湿喷工艺。喷射混凝土在洞外拌和站集中拌和，由混凝土搅拌运输车运至洞内，采用湿喷机喷射作业。喷射混凝土作业应采用分段、分片、分层依次进行，喷射顺序应自下而上，分段长度不宜大于6m。喷射时先将低洼处大致喷平，再自下而上顺序分层、往复喷射。分片喷射要自下而上进行并先喷钢架与壁面间混凝土，再喷两钢架之间混凝土。边墙喷射混凝土应从墙脚开始向上喷射，拱部喷射混凝土应同时从两拱脚向拱顶喷射，使回弹混凝土不致裹入喷层内。分层喷射时，一次喷混凝土的厚度以喷混凝土不滑移不坠落为度，既不能因厚度太大而影响喷混凝土的粘结力和凝聚力，也不能太薄而增加回弹量。喷射速度要适当，以利于混凝土的压实。风压过大，喷射速度增大，回弹增加，风压过小，喷射速度过小，压实力小，影响喷混凝土强度。黄土隧道喷射混凝土时喷射机的压力一般不宜大于0.2MPa。

（2）格栅钢架加工与安装。

格栅钢架在洞外加工，洞内组装。格栅钢架应采用胎膜焊接，并以1：1大样控制尺寸。每榀钢架加工完成后应放在水泥地面上试拼，周边拼装允许误差为±3cm，平面翘曲允许偏差应为2cm。安装前应清除底脚下的虚碴及杂物，钢架底脚应置于牢固的基础上，严禁超挖和拱脚悬空。临时仰拱采用I18工字钢，纵向间距1.2m。每榀格栅钢架安装时，测量人员要准确定位，轮廓要符合设计要求，保证净空尺寸。为保证格栅钢架整体受力，设置Φ22纵向连接钢筋。为减少钢支撑的沉降及整体受力，永久支撑拱脚安装28b槽钢支垫。

（3）钢筋网片施工。

钢筋网分片加工好后，通过多功能作业台架，采用人工沿开挖岩面一环一环铺设，钢筋网片之间用焊接连接，施工中可以通过钻孔设备辅助固定钢筋网，使其尽量与岩面密贴。

（4）各台阶拱脚位置设置不少于2根锁脚锚杆，每根长4.0m。

（5）监控量测。每个隧道口按设计要求进行拱顶下沉及周边收敛位移测量，通过对监控量测数据的整理分析，及时调整支护参数和确定临时支护的拆除时间。

（6）超前支护施工。车新庄1号隧道V级围岩段，超前支护采用超前小导管。小导管采用φ42mm的无缝钢管制作。在小导管的前端做成约10cm长的圆锥状，在尾端焊接直径6～8mm钢筋箍。距后端100cm内不开孔，剩余部分按20～30cm梅花形布设直径6mm的溢浆孔。小导管注浆采用1∶1水泥浆液。

3.5 仰拱及填充施工

（1）仰拱施工采用移动式液压栈桥施工，一次施工24m。

（2）隧底开挖后应及时清除虚渣、泥浆等，立即初喷4cm厚混凝土封闭岩面，按照设计要求安装仰拱钢架，复喷射混凝土至设计厚度，使初期支护及时闭合成环。

（3）仰拱混凝土分段全幅浇筑，一次成型，不留纵向施工缝，仰拱施工缝和变形缝应设置背贴式、中埋式橡胶止水带。

（4）仰拱填充混凝土应在仰拱混凝土终凝后浇筑，浇筑前应清除仰拱表面的杂物和积水。填充混凝土强度达到设计强度的100%后允许车辆通行。

3.6 防水板铺设

车新庄1号隧道防水板应采用分离式塑料防水板，首先进行缓冲层铺设，然后铺设塑料防水板，防水板铺设应超前二次衬砌施工1～2个衬砌段长度，形成“初期支护表面整修→防水板铺挂→防水板质量检验→二次衬砌施工”的流水作业线。