城市建筑┃施工技术┃URBANISM AND ARCHITECTURE┃CONSTRUCTION TECHNOLOGY 浅谈三台阶法在小断面隧道施工中的应用 Application of Three Step Method in Construction of Small Section Tunnel ■ 周 俊 ■ Zhou Jun [摘 要] 铁路小断面隧道三台阶开挖法以三台阶七步法为基础模式，再根据天平铁路关山隧道单线隧道断面小、大型机械交叉作业困难的工程特点，取消掉预留核心土的部分，形成上、中、下三个台阶六个开挖面不同的位置相互错开同时开挖，然后分部同时支护，形成支护整体，缩短作业循环时间。适用于采用机械开挖配合弱爆破松动的IV、V级软弱围岩。 [关键词] 隧道 小断面 三台阶 软弱围岩 [Abstract] It will make the cycle time of operation shorter if railway tunnel with small cross section three step excavation method based on the three and seven step method model, then according to the railway tunnel in single small Guanshan tunnel section in tianping engineering characteristics of the large mechanical cross operation difficult and small cross sect- ion, cancel the reservation core soil formation part, form three step six excavation face different position staggered and exca- vation, and then segment also support, to form the supporting overall. It applies to the use of mechanical excavation facing with IV, V weakly loose blasting of soft surrounding rock. [Keywords] tunnel, small section, the three step, soft rock 一、 工程概况 关山特长隧道位于甘肃省天水市与平凉市交界地段，是新建天平铁路重点工程之一，隧道起讫里程DIK67+825～DIK83+459，全长15 634 m，为全线第二长隧。隧道洞身穿越六盘山山脉的关山山中地区，通过区域地面高程1 694.8～2 607.8 m，隧道洞身最大埋深831 m。山区沟谷发育，山体自然坡面局部较陡，多见基岩陡坎，一般山体坡度20～35°。本区域属于关山林场，经封山育林10年后，大部分土地为密灌林地，少部分为农田，山体植被覆盖率高，森林密布，植被覆盖率约90%。为满足施工工期要求，隧道设置3座施工斜井和1座出口横洞作为辅助坑道。 二、 方案选择 在天平铁路关山隧道施工中，遇到软弱围岩IV级加强段、V级段，更改施工开挖方法时选择CD法、两台阶长台阶法和三台阶法， 由于隧道断面小，施工交叉作业影响大的情况下，CD法因临时支撑的设置没法实现机械设备交叉作业。长台阶两台阶法，在施工上台阶时会造成下台阶停止掘进施工，施工下台阶时会造成上台阶停止掘进施工并且围岩自稳差。经过比选选择三台阶法施工，有利于单机械错开开挖和立体空间交叉流水作业。但是由于断面小，在预留核心土时发现，留下了核心土就会造成工作面不足的情况。结合关山隧道小断面的特点，在开挖过程中不预留核心土部分，部分软岩或土质可以采用机械直接开挖，工 作效率较高。 三、 施工工艺 1. 开挖上部上导坑： 先利用上一循环拱架施工超前导管，洞身开挖在拱部超前支护后进行，环向开挖上台阶，上台阶长度超出中导坑宜为3～5 m，关山隧道V级围岩除去仰拱高度为987 cm，上台阶开挖根据机械设备便于开挖的高度，关山隧道使用PC160挖机作为辅助，根据实际操作，上导上台阶高度为3.6 m，用Φ50钢管焊制工作台架。开挖循环进尺应根据初期支护钢架间距确定，V级围岩不大于1榀钢架间距，Ⅳ级围岩不大于2榀钢架间距，开挖后立即要初喷3～5 cm砼。开挖后应及时进行喷、锚、网系统支护，架设钢架，在钢架拱脚以上30 cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°以上搭设锁脚锚杆（锚管），并钢架进行纵向连接，锁脚锚杆与钢架牢固焊接复喷砼至设计厚度。 图1衬砌断面图 图2 三台阶开挖法施工工序示意图 2. 左右侧中台阶开挖 开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，V级围岩不大于1榀钢架间距，Ⅳ级围岩不大于2榀钢架间距，开挖高度为3 m，左右侧台阶错开2～4 m，开挖后立即初喷3～5 cm砼，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在钢架拱脚以上30 cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°以上搭设锁脚锚杆(锚管)，拱脚锚杆(锚管)和钢架牢固焊接，复123 喷砼至设计厚度。 3. 左右下台阶开挖 开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.5 m，开挖高度一般为3～3.5 m，左右侧台阶错开2～3 m，开挖后立即初喷3～5cm砼，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在钢架拱脚以上30 cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°搭设锁脚锚杆，拱脚锚杆和钢架牢固焊接，复喷砼至设计厚度。 4. 隧底开挖 每循环开挖进尺长度宜为2～3 m，开挖后及时施作仰拱初期支护，应及时清除虚渣、杂物、泥浆、积水，立即初喷3～5 cm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，仰拱分段长度宜为4～6 m。 三台阶开挖法的初期支护由喷射混凝土、锚杆（管）、钢筋网和钢架等组成，各部分联合受力。初期支护应在开挖后立即施作，以保护围岩的自然承载力。 5. 仰拱及二次衬砌浇筑 仰拱支护完成后，两个开挖段完成后进行，全幅分段施工，为了车辆通行，上面铺设仰拱栈桥。仰拱应超前拱墙衬砌，每循环浇筑长度宜为4～6 m，仰拱应采用浮放模板支架成型。仰拱混凝土应分段全幅浇筑，一次成型，不留纵向施工缝，仰拱施工缝和变形缝应设置止水带。仰拱表面应平顺，不积水。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，连续浇筑，一次成型，不留纵向施工缝。 根据监控量测提供的数据，待围岩收敛稳定后开始施作二次衬砌，关山隧道采用12米长整体衬砌台车，二次衬砌一次成型。 四、 施工注意事项 1. 控制台阶长度 在三台阶开挖施工过程中，控制合理的台阶长度是非常重要的。受制于施工现场的实际情况，施工过程中易发生台阶拉长的现象，这往往是导致围岩与支护结构变形加大的主要因素之一。 当上台阶掘进过长时，隧道沿着纵向发生围岩应力释放的范围相应增大，掌子面的支撑作用减弱，初期支护承受的围岩压力增大。而当中台阶开始开挖时，中台阶边墙及掌子面暴露，并发生围岩应力释放，开挖断面上方的变形相应增大。同时沿着纵向围岩压力传递，上台阶初支也再次发生下沉。此时上台阶掌子面距离中台阶开挖面较远，难以发挥其掌子面的支撑作用，因此中台阶开挖进一步恶化了围岩的稳定性。 2. 仰拱和二衬紧跟 （下转第125页） 城市建筑┃施工技术┃URBANISM AND ARCHITECTURE┃CONSTRUCTION TECHNOLOGY 使混凝土表面更密实，闭合收水裂缝，避免收缩裂缝产生。砼表面泌水应及时引导集中排除。若砼表面泛浆较厚，应在砼初凝前撒一层1～2 ㎝的石子，然后用铁滚子将石子压入泛浆中，再按标高线刮平并抹压。 4. 混凝土保温养护 砼初凝后终凝前（即第二、三遍收面后）先采用塑料膜覆盖养护，以防止大风造成混凝土表面局部形成龟裂，终凝后采用覆盖草袋进行保温养护。基础混凝土的总养护时间不少于14天。 5. 降低混凝土施工温度的方法 降低混凝土的施工温度是降低大体积混凝土最大温升的重要措施，出机温度根据计算要控制在22 ℃以内。白天高温期间，在罐车卸料处搭遮阳棚，混凝土输送管道表面用岩棉被覆盖，避免阳光直射，把浇筑温度控制在 26 ℃以内。 6. 混凝土内部温度监测 六栋楼分别埋设测温布置点，共40根测温杆，152个预埋热感元件测温点，采用垂直3点分布；采用JDC-2 建筑电子测温仪对砼水化热的温度进行测试。 为严格监测混凝土内部温度，坚持24 h连续测温。待混凝土终凝后，每3 h一次，8 d后每6 h一次，14 d后每9 h一次。 大体积砼体内外温差变化情况是：前2～4天砼体内外温度处于较快上升趋势，5天后内部温度缓慢稳定下降，监测大体积混凝土各测温杆最高温差均小于25 ℃。在施工养护期内，我们及时做好草袋和塑料膜覆盖保温，从而减少砼内表温差，确保砼的正常固结，使砼质量达到设计要求。 7. 测温结果 根据典型测杆的监测数据绘出了各测点7天（表层、中心、底层、环境）的温度历时变化曲线，测温曲线参照图1所示。根据测温结果分析，底板断面上的温差基本呈对称抛物线分布，上下边缘温差较小，说明本工程的保温措施良好，满足温度控制要求。 件的尺寸成负相关。大体积承台混凝土的实际历时变化基本上与理论预测曲线相符，经现场检查，所监测区域未发现温差所致的砼变形裂缝的现象发生。 五、 结语 经多方组织的验收，评价表明：主楼底板大体积混凝土浇筑是成功的，C30混凝土强度完全符合设计要求，未出现任何温度裂缝，质量优良。 同时采取表面保温的方法是防止大体积混凝土温差过大而产生应力裂缝的最有效、最经济的办法。浇筑前准备足够的外保温材料，并在混凝土的养护时不间断测温，必要时增加保温层厚度。工程实例温控效果证实，底板未出现任何温差裂缝，未出现渗水痕迹，温控实践中采用信息化施工，定时监测砼内外温度，温控取得成功，砼观感良好，为工程创优奠定基础。 参考文献 [1]王梦铁.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社, 1997. 图1 3#楼2.0 m厚承台B处测杆测温曲线图 [2]高辛.南方地区大体积混凝土裂缝成因及其施工措施[J],中外建筑, 2005(03). （作者单位：福州建工（集团）总公司，福州 350005） 温度监测表明，混凝土越厚，内部温度与表面温度的差异越大，即内外温差一般与构件的尺寸成正相关；但较厚的混凝土，降温速率较慢，较薄的混凝土，降温速率要快得多，即降温速率一般与构与保护。根据《砌体验收规范》，植筋实体检测已体现在《填充墙砌体工程检验批质量验收记录》中。 四、 结语 填充墙拉结筋的施工质量在抗震设防中是极其重要的，化学植筋法施工拉结筋有很多优点，但由于施工作业面分散，工作量大，完全靠手工作业，隐蔽性强，如果现场管理不善，也极易产生质量隐患。 《砌体验收规范》对填充墙砌体植筋的相关规定，未能体现过程控制的精神，笔者根据实践经验，针对上文所指出的问题，分别提出了自己的建议和意见。施工单位和监理单位按照这些建议加强管理，必定会提高植筋的质量。 时，上台阶或中台阶相应循环的初期支护在一定时间内呈悬空状态，此时围岩应力释放导致初支变形将明显增大。通过设置锁脚锚杆，有利于抑制变形。必要时，可将锁脚锚杆改为锁脚锚管并注浆，以增强其锁脚作用。 4. 加强初期支护纵向连接 三台阶开挖法施工利用围岩与支护结构施工过程的时空效应，通过初期支护将上覆荷载向下方和前、后方围岩深处转移。因此，施工过程中需保证初期支护沿纵向的整体性。除在相邻拱架之间设置纵向连接筋外，必要时可在各台阶上下连接处，沿纵向加强连接。该措施可使隧道开挖应力释放产生的荷载能有效地向前、后方较稳定的初支上传递。一般加强纵向连接可采用焊接工字钢的方式进行。 5. 增加超前预支护范围 在软弱围岩大断面隧道三台阶法施工时，需配合超前预支护辅助施工方法对掌子面前方围岩进行预加固。超前预支护一般采用超前注浆小导管，考虑到三台阶法开挖段初期支护拱脚基础承载力不 （上接第122页） 以加强责任制度、完善技术资料、促进施工质量的切实提高。钻孔（孔深检查等）、清孔、钢筋除锈等工序可作为一个检验批，施工单位每一施工段自检合格、报监理单位进行验收，填写《填充墙砌体植筋界面处理检验批质量验收记录》后方可进入植筋工序。植筋工程界面处理检验批主控项目为：清孔质量检查、钢筋除锈检查。一般项目为孔径、孔深、位置实测检查，一般项目设置允许偏差。 植筋、固化与保护等工序可作为一个检验批，相关验收记录为《填充墙砌体植筋施工检验批质量验收记录》，植筋施工质量检验批主控项目为：锚固胶质保书及出厂检测报告等、注浆植筋质量、固化 （上接第123页） 除了控制台阶长度外，施工过程中还应强调仰拱和二衬紧跟下台阶。由于仰拱未施作段初期支护的拱脚支撑面积极为有限，其基础承载能力较小。随着掌子面向前推进，该段隧道断面变形必将随之增加，降低了隧道围岩稳定性。因此，及时跟进仰拱，即可闭合初期支护，提高基础承载力，增强支护结构刚度，发挥纵向支撑作用，提高围岩稳定性。当隧道埋深浅，地质条件较差，初支变形量较大时，还应根据监控量测数据，及时跟进二次衬砌，保证后方围岩稳定，并可为前方开挖段提供纵向支撑作用。 3. 加强各台阶锁脚锚杆 采用三台阶七步开挖法施工的隧道横断面跨度较大，初期支护承担的上覆荷载也相应增大。台阶法开挖普遍存在初支拱脚承载力不足的缺点，需沿斜下方向打设锁脚锚杆，并与钢支撑焊接牢靠，将上覆荷载向围岩深处传递，以此提高初支拱脚承载力，保证围岩稳定性。特别当开挖中台阶或下台阶参考文献 [1] GB 50203－2011,砌体结构工程施工质量验收规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011. [2]GB50550－2010,建筑结构加固工程施工质量验收规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010. [3] JGJ145－2004,混凝土结构后锚固技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2005. 注：作者身份证号510213197609260510 足，因此小导管的长度可适当加长，保证一定纵向加固范围，利于支护体系所受的荷载向前后方传递。 五、 结语 三台阶施工在小断面隧道中，合理地利用的有限的空间进行施工，合理的减少了施工干扰并且在三台阶施工中，做到了随挖随支护，尽快的封闭开挖面，多块闭合成环，加强整体稳定性，在收敛及拱顶沉降完成后，施工二次衬砌，多个方面形成了整个隧道的复合式衬砌承力体。方法安全、可靠，操作性强，已经成为隧道软弱围岩施工的成熟工法。 参考文献 [l]《铁路大断面隧道三台阶七步开挖法施工作业指南》经规标准[2007]l19号． [2]TZ204-2008,铁路隧道工程施工技术指南[S]. [3]王新明.软弱围岩隧道三台阶七步开挖法施工力学机理探讨[J].新闻天地(下半月刊)， 2010（10）. （作者单位：中铁十九局一公司天平铁路项目部，天水 741500 ） 125
