软弱围岩大断面隧道
三台阶预留核心土环形开挖法施工技术总结
中铁二十五局武广项目部 汪德福
1 推行三台阶预留核心土环形开挖法的目的
在不增加建设投资的基础上，保证工程质量，加快施工进度，确保施工安全，并能有效节约建设成本。
2 三台阶预留核心土环形开挖法适用范围
三台阶预留核心土环形开挖法适用于围岩自稳性好、无地下水发育的隧道。一般适用于Ⅳ、Ⅴ级围岩无地下水地段。
3 三台阶预留核心土环形开挖法施工工艺
三台阶预留核心土环形开挖法施工工序见图1、图2。
3米上台阶核心土7.5米O16.4米3米下台阶核心土下左3米仰拱栈桥摆放平台高度R仰拱开挖轮廓下右3米2.63米 仰拱15.36米说明：1、开挖时边墙及拱部已考虑：衬砌台车扩大值5cm+预留沉降量15cm=20cm； 仰拱考虑施工误差10cm。仰拱栈桥平台高度为仰拱填充顶面以上50cm。2、开挖后立即进行监控量测，根据量测结果调整支护参数及修正预留沉降变形量。 三台阶留核心土法开挖横断面示意图 （附图一） 图1 三台阶预留核心土环形开挖法施工工序图
约3.15米约3.15米中左中台阶核心土3米中右约5.16米半径R开挖轮廓8=7.6米5米=16.7米 注：本图尺寸以厘米计。2000以上上台阶及核心土栈 桥二次衬砌仰拱填充仰拱衬砌仰拱初期支护下台阶及核心土中台阶及核心土3边墙开挖墙脚线45001500以下300 图3-3-2 三台阶环形开挖留核心土法施工工况示意 图2 三台阶预留核心土环形开挖法施工工序图
三台阶预留核心土环形开挖法施工工艺见图3。
不合格，修整断面至符合轮廓尺寸）断面检测（符合要求，继续下一步施工；测量放样 施工前准备 钢架及锚杆等的加工 超前支护 上台阶弧形导坑开挖，预留核心土 中台阶左右侧开挖及初期支护施工 下台阶左右侧开挖及初期支护施工 开挖上中下台阶之核心土 分段开挖仰拱，初期支护成环 施工仰拱及填充 施工防水结构和衬砌钢筋 液压台车模筑洞身衬砌 围岩量测 数据分析，并进行动态施工管理。及时对支护进行加强或停止施工。 图3 三台阶预留核心土环形开挖法施工工艺图
17831531522961220 3.1三台阶预留核心土环形开挖法施工工艺流程 3.1.1 超前支护
超前支护是软弱围岩隧道施工成败的关键，洞口段采用30米洞口长管棚作为超前支护，其它地段采用超前小导管作为超前支护加固围岩。严格控制开挖进尺，每循环均控制在一品钢架间距左右，保证超前支护的有效性。
3.1.2 上台阶开挖及支护
开挖前，用全站仪或断面仪放出上台阶开挖断面轮廓线。上台阶采用人工配合机械开挖，先用CAT320挖掘机挖出主断面轮廓，并沿开挖轮廓线内侧预留50cm厚围岩，由人工采用小型机具挖凿，一般采用的辅助小型机具为风镐、风铲等。上台阶开挖高度约5.16m，以确保挖掘机能进入掌子面进行施工。上台阶中部靠近掌子面预留核心土高度约3m，上口宽约5m，三面按施工需要放坡。防止掌子面围岩受挤压失稳或自失稳引起塌方，危及拱顶围岩的稳定。同时方便支护施工时不需再搭设其它平台。上台阶开挖完成后及时进行初期支护。
上台阶按“初喷—锚杆—钢筋网—钢架—复喷”的支护形式实施初期支护。以成镜塘隧道为例，钢架规格为I20a或I22a型钢钢架,间距为50~80cm。上台阶钢架由2节组成，在拱顶设置接头板。每榀钢架每侧各采用4根φ42无缝钢管锁脚，管体内灌注1：1水泥净浆及插入Φ22螺纹钢，以增加管体刚度及保护钢管不受侵蚀。且锁脚钢管要与钢架焊接成整体，以起到抑制初期支护下沉的作用；系统锚杆均为4m长，其中拱部为φ25的中空注浆锚杆，锚杆间距为0.8m*1.0m（环*纵）或1.0m*0.8m（环*纵）。钢筋网规格为20*20cm。初喷4cm厚C25混凝土，摻加1.2kg/m3的改性聚酯纤维，复喷混凝土厚度至28cm（有效厚度，钢架内及钢架保护层）。
3.1.3 中台阶开挖及支护
中台阶开挖滞后上台阶3~5m。中台阶开挖高度约3.15m，每次开挖长度进尺与上台阶进尺长度相同，中台阶长度任何时候不得大于15m。中台阶开挖时，必须左右两侧交错进行，两侧错开距离不得小于5米，以满足喷射混凝土的早期强度及钢架的落脚稳定共同受力，以能够承受一定的上部压力，不致开裂或坍塌。每次开挖长度不大于3榀钢架间距。尤其在洞口段及围岩较差地段，应严格按照上台阶开挖进尺进行开挖及支护；中台阶开挖完成后及时进行初期支护。初期支护形式与上台阶基本相同，边墙设置22mm的砂浆锚杆，锚杆间距为0.8m*1.0m（环*纵）或1.0m*0.8m（环*纵）。
3.1.4 下台阶开挖及支护
下台阶开挖滞后上台阶3~5m。下台阶开挖高度约3.15m，每次开挖长度进尺与中上台阶进尺长度相同，下台阶长度任何时候不得大于一个仰拱衬砌循环的长度。下台阶开挖时，必须左右两侧交错进行，两侧错开距离不得小于5米，以满足喷射混凝土的早期强度及钢架的落脚稳定共同受力，以能够承受一定的上部压力，不致开裂或坍塌。每次开挖长度不大于3榀钢架间距。尤其在洞口段及围岩较差地段，应严格按照中上台阶
开挖进尺进行开挖及支护；下台阶开挖完成后及时进行初期支护。初期支护形式与中台阶相同。
3.1.5 仰拱开挖及支护
仰拱开挖在下台阶开挖及初期支护完成后及时跟进，仰拱每次开挖长度进尺与上台阶进尺长度相同，且保持距下台阶长度不超过3m。仰拱开挖完成后应及时完成仰拱初期支护，以尽快封闭成环。仰拱衬砌及填充长度结合拱墙衬砌长度（每两道施工缝的距离）进行施工。仰拱开挖、初期支护、衬砌及填充采用移动栈桥施工，移动栈桥采用I36b的工字钢每5榀拼成一组，长15m。结合上台阶施工进度，每座隧道采用移动栈桥一套。
3.1.6 仰拱衬砌及填充
仰拱衬砌距离掌子面距离不超过40米（Ⅲ、Ⅳ级围岩地段可适当调至不大于70米）。仰拱衬砌及填充混凝土应分开浇筑，填充混凝土待仰拱混凝土初凝后再行浇筑。浇筑仰拱混凝土前，需先检查接地钢筋的设置情况，设置正确后再行浇筑仰拱混凝土。
3.1.7 防水层及衬砌钢筋施工
仰拱衬砌及填充完成后，立即对初期支护断面进行检测，并结合监控量测情况确定
二衬施工时机。围岩变形稳定后，即可开始施工防水层。防水层由各种排水管及土工布、防水板组成，施工过程中应严格控制施工质量及注意成品保护。衬砌钢筋安装时，采用拱架型衬砌钢筋骨架定位，保证衬砌钢筋的间距、表面平顺度及保护层厚度。
3.1.8 拱墙衬砌
拱墙衬砌在仰拱衬砌及填充完成后及时施作，拱墙衬砌距离仰拱衬砌距离一般不应小于每模拱墙衬砌长度的2~3倍。拱墙衬砌采用液压式移动模板台车施工。
3.1.9 断面检测
断面检测共分三个部分，即开挖断面检测、钢架弧度检测、初期支护断面检测。开挖断面检测是防止超欠挖的有效手段；钢架弧度检测是为了防止钢架在转运及安装过程中产生的弧度偏差；初期支护断面检测有两个作用，一是可以作为监控量测的辅助手段，能直观反映整个弧形导坑的围岩及初期支护情况。二是为施工防水层及二次衬砌提供依据，出现欠挖必须在施作防水层前进行处理，同时平整的喷射混凝土表面是施作防水层的前提。
3.1.10 监控量测
为能科学施工，确保施工及结构安全，必须做好现场监控量测工作。施工阶段隧道监控量测主要是对隧道开挖后围岩变化情况及支护结构的工作状态进行量测，及时提供围岩稳定程度和支护结构可靠性的安全信息，预见事故和险情，作为调整和修改支护设计的依据，并在复合式衬砌中，依据测量结果确定二次衬砌施作的时间，以达到监控隧道围岩和支护结构的变位与应力不超过设计及客专验标标准。
本标段隧道量测项目分必检项目和选测项目两大类。其中拱部下沉量测、隧道净空水平收敛量测、洞内、外观察为必检项目，地表下沉、围岩内部位移观察为选测项目。
3.1.10.1监控量测项目及量测工具和方法
监控量测项目及量测工具和方法如表1所示。
量测项目 必测项目 净空水平收敛 拱顶下沉 洞内、外观察 选测项目 围岩内部位移 多点位移计 0.1mm 地表下沉 量测工具 各种类型收敛计 水平仪、水准尺、钢尺 现场观察、地质罗盘 水平仪、水准尺 测度精度 0.1mm 1mm 1mm 备注 一般进行水平收敛量测 浅埋隧道必测（H0∠2b） H0为隧道埋深，b为隧道开挖宽度 表1 监控量测项目、量测工具及方法
洞内、外观察分开挖工作面观察和已施工地段观察两部分。
（1）开挖工作面观察应在每次开挖后进行。观察中发现围条件恶化时，应立即采取相应处理措施；观察后应及时绘制开挖工作面地质素描图、填写开挖工作面地质状态记录表和施工阶段围岩级别判定。
对已施工地段的观察每天至少应进行一次，主要观察喷射砼、锚杆和钢架等的工作状态。
（2）洞外观察重点应在洞口段和洞身埋置深度较浅地段，其观察内容包括地表开裂、地表沉陷、边坡及仰坡稳定状态、地表水渗透情况等。
净空变化、拱顶下沉量测应在每次开挖后12小时内取得初读数，最迟不得大于24小时，且在下一循环开挖前必须完成。
测点应牢固可靠，严防爆破损坏；拱顶下沉和地表下沉量测应与洞内、外水准基点建立联系，并尽量设在同一断面。
3.1.10.2 监控量测频率
量测频率应根据位移速度和量测断面距开挖面距离确定。如表2所示。 位移速度（mm/d） ≥5 1～５ 0.5～1 0.2～0.5 ＜0.2 量测断面距开挖面距离（m） (0～1)b (1～2)b (1～2)b (2～5)b ＞5b 量测频率 1~2次/天 1次/天 1次/2天 1次/2天 1次/周 表2 监控量测频率对照表
各量测作业均应持续到变形基本稳定后2～3周结束。对于膨胀性和挤压性围岩，位移长期没有减缓趋势时，应适当延长量测时间。