软塑粘土地层大断面浅埋隧道微台阶施工工法

软塑粘土地层大断面浅埋隧道微台阶施工工法

1．前言

我国修建软弱地层隧道时，Ⅴ、Ⅵ级围岩主要采用CD法、CRD法和双侧壁导坑法等工法，这类工法可以很好地控制地表沉降和变形收敛，但工序复杂、施工进度慢、造价也更高。中铁十三局集团承建的哈尔滨绕城高速公路天恒山隧道为国内第一座严寒地区软塑粘土地层大断面浅埋隧道，具有地基承载力低、含水量大、粘结力差和易塌方等特点。在施工过程中先后采用了环形开挖预留核心土法、三台阶七步开挖法、CRD法等工法，其中环形开挖预留核心土法和三台阶七步开挖法存在开挖对土体扰动次数多、围岩变形大和仰拱封闭需要时间长等缺点，施工中多次出现初支开裂等险情；CRD法可以及时完成初支封闭，很好的控制变形，但工序较多，且全部为人工或小型机械作业，大型机械无法展开，施工进度慢，同时增加临时仰拱及中隔墙，成本增加大。为安全、快速、高效完成隧道施工任务，最终优化创新了微台阶施工工法，通过对开挖支护工艺和参数的优化、各作业面之间距离的严格控制和其它配套设施的科学配置，成功穿越了3-1、5-1、5-2、7-1、8-2等软可塑状态的亚粘土地层，取得了很好的经济和社会效益。2008年12月25日，吉林省科技厅组织专家对《严寒地区软塑粘土地层大断面浅埋隧道施工技术》进行了科学技术成果鉴定，该技术达到国际先进水平。

2．工法特点

2.1采用多种技术措施，解决了软塑粘土地层地基承载力低的问题，确保了施工安全。

2.2施工空间大，可以引入大型施工机械，多作业面平行作业，工效高，很大程度上加快了施工进度。

2.3在地质结构复杂多变的隧道施工中，便于灵活、及时地调整施工方法，进度稳定，工期保障性强。

2.4能适应不同跨度和多种断面形式，没有需拆除的临时施工支护，避免了因拆除临时支护造成初期支护突然卸载而危及隧道安全的不利因素；初期支护断面圆顺，无应力集中点，安全性强；同时节省投资。

2.5仰拱初支及时封闭成环，仰拱衬砌混凝土超前施作，确保施工安全，改善隧道运输环境，便于隧道文明施工的开展。

2.6仰拱初支和仰拱混凝土全幅施作，确保了防排水系统、仰拱保温层和混凝土的施工质量，减少营运病害。

2.7无需投入特种设备，投入小，操作性强，易推广。

3．适用范围

本工法适用于地质条件为Ⅳ～Ⅴ级围岩的公路、铁路和水利水电隧道施工，也适用于浅埋暗挖的其它类似地下工程。

4．工艺原理

隧道施工以“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”十八字方针为基本的指导原则，在超前支护完成后人挖掘机进行开挖，严格控制开挖进尺，及时支立型钢拱架并做好扩大拱脚、拱脚支垫、连接钢筋焊接和锁脚锚管固定，严格控制各作业面之间的距离，做到及时封闭，以监控量测信息指导施工，以便调整初期支护参数和确定二次衬砌时间。

5．施工工艺流程及操作要点

5.1 施工工艺流程

施工工艺流程如图5.1所示。

图5.1 微台阶法施工工艺流程图

5.2 操作要点

5.2.1 超前支护

利用上一循环架立的钢架施作隧道超前支护。超前小导管钢管直径为ф50mm，长5.0m，间距30～40cm，外插角10～20°，首尾相接长度不少于1.0m。采用水泥－水玻璃双液注浆。

5.2.2 开挖与支护

微台阶法施工纵断面图见图5.2.2-1；微台阶法施工横断面图见图5.2.2-2；微台阶法施工平面图见图5.2.2-3。

图5.2.2-1 微台阶法施工纵断面图

φ图5.2.2-2 微台阶法施工横断面图

图5.2.2-3 微台阶法施工平面图

1、上台阶开挖，预留核心土。开挖①部时采用人工风镐配合挖掘机开挖，在挖掘机开挖时沿轮廓线预留50cm 土体，人工采用风镐进行开挖，避免挖掘机破坏既有初支，防止挖掘机开挖对土体的振动太大，造成土体塌方，并可以控制超挖。人工开挖时在拱脚处设计开挖线以外向围岩方向开挖深度为30cm ，高度为70cm ，长度为开挖段通长的扩大拱脚，并在拱脚底部至少留深20cm 土用人工开挖，严禁拱脚超挖，便于拱脚使用型钢或方木垫实，防止因拱脚原状土被破坏或承载力不足而造成支护下沉。开挖时根据围岩级别不同每次进尺为0.5～0.75m （既设计一榀拱架间距）。

2、上台阶支护。在开挖后初喷4cm 厚C25钢纤维混凝土对开挖面进行封闭，以免孔隙水从断面处渗出，而使土体失稳。然后设置拱脚支垫，架设型钢拱架，相邻两榀工字钢之间纵向采用“ ”形φ22连接钢筋在工字钢内外缘交错连接，环向间距80cm 。布设钢筋网时随初喷混凝土表面起伏铺设，φ8钢筋网格间距为20cm×20cm，钢筋网片必须严格按设计要求先在洞外定型加工，且每片加工面积不宜小于1m 2

，然后在洞内安装，且相互之间的搭接长度不应小于30d （d 为钢筋直径）。及时施作锁脚锚管（锁脚锚管与型钢拱架采用 “

”形螺纹钢双排焊接，以增强共同支护作用）。

拱架与开挖轮廓之间的所有间隙用25号混凝土喷射充填密实，先喷拱架与轮廓之间空隙，再喷拱架，然后再喷拱架之间，直至喷到规定的厚度。

3、下台阶交错开挖支护。在上台阶初期支护稳定的条件下，开始交错开挖⑤⑧部（错开距离1～

2m）。⑤⑧部开挖左右错开，开挖长度以能支立一榀为准（根据不同围岩级别为0.5～0.75m）。边墙的型钢钢架应与拱部钢架上下对正，并螺栓连接牢固。钢架支立完成后进行钢筋网、锚杆和喷射混凝土施工。

4、核心土开挖。根据现场机械施工要求，适时挖除核心土，但必须保证核心土的尺寸。

5、仰拱开挖及支护。仰拱开挖采用全幅施工，上面铺设仰拱栈桥，开挖长度控制在每次3榀拱架；仰拱开挖后，立即初喷4～6cm喷射混凝土封闭围岩（如基底渗水严重，增加喷混凝土厚度），然后安装仰拱拱架并喷射混凝土达到设计厚度，使初期支护成环。

6、中央排水沟施工。中心水沟施工在初期支护封闭后仰拱施工前施作，为便于机械施工，可临时切断（事先预留好法兰接头）初期支护钢拱架；连续切断不得超过3根，且切断后净距不得大于2m，待中心水沟工序完成后及时恢复初期支护的封闭；

5.2.3 仰拱混凝土、仰拱回填和混凝土基层施工

当中央排水沟施工完成后，开始在仰拱初期支护上面安装仰拱钢筋，施作仰拱、仰拱保温层和仰拱回填。

5.2.4 微台阶施工注意事项

1、由于土体粘结力差，开挖后容易发生垮塌，因此在开挖时严格控制挖掘机开挖深度，保证掌子面平齐，防止出现悬空，为便于作业，开挖长度可增加20cm。

2、根据现场机械施工要求，适时挖除核心土，但必须保证核心土的长度。核心土必须保证其长度和宽度，核心土宽度一般不得小于对应高度洞身宽度的50％，为发挥机械施工功效和便于安装拱部钢架，上台阶核心土高度为2.0m，核心土顶面距拱顶高度2m。

3、上下台阶每循环进尺为一榀拱架间距，仰拱每次开挖支护3榀拱架长度；上台阶长度3～5m，掌子面距仰拱初支距离控制在12m以内，掌子面与仰拱钢筋混凝土及仰拱回填距离控制在15m以内，掌子面与二次衬砌间距控制在60m以内。

4、锁脚锚管在土质隧道的施工非常关键，必须按设计长度、数量和角度进行施工，同时锁脚锚管的施工随型钢拱架的作业及时跟进。

5、根据支护受力破坏分析，拱脚部位易发生剪切破坏，故在拱架加工时必须保证连接板的尺寸，同时按设计位置布置螺栓孔，在拱架支立时，拱架部位接头除栓接外，还应四面帮焊，以确保接头的刚度和强度，条件允许时，接头最好采用角钢连接板，便于混凝土全面握裹。

6、开挖轮廓要预留支撑沉落量及变形量，并利用量测反馈信息进行及时调整。

7、临近贯通时，一侧须停止向前掘进（中间距离控制在5～7m），掌子面设横向和竖向工字钢支撑（支撑与初期支护拱架焊接，并做好纵向连接钢筋焊接），同时边墙、仰拱及衬砌要抓紧跟进（在未跟进的情况下，坚决不允许贯通，为防止仰拱混凝土施工时下台阶核心土滑落伤人，下台阶留2m 左右不进行仰拱封闭，衬砌与掌子面距离控制在40m以内，边墙与仰拱紧跟），贯通前最后一个循环要达到1.5m左右，不致贯通时土体过薄，出现坍塌（为防止土体由于暴露时间太长，风化粘结力降低而发生滑塌，对上下台阶掌子面喷射混凝土进行封闭，喷层厚度在5cm以上），造成安全事故，在剩余3m左右时，在拱部开挖通气孔，缓慢释放能量，转移受力。