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 ，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）。

2

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。

5.2.5 隧道监控量测

1、常规监控量测

监控量测是在隧道施工过程中，使用专用仪器和工具对围岩和支护结构的变形、受力以及它们之间的关系进行观测，并对其稳定性、安全性进行评价，据此对施工方法、结构支护参数进行调整的信息化工作。要做好监控量测，先要确定监控量测的必测项目和频率，必测项目和频率见表5.2.5。

表5.2.5 监控量测必测项目及频率

1）、根据隧道地质情况、施工方法、断面情况制定监控量测实施方案，制定监控量测控制基准值，成立监控量测工作小组，及时掌握使用先进仪器设备。

2）、隧道开挖时要及时对工作面地质变化和围岩稳定情况进行观察，察看喷射混凝土、锚管和钢架等的工作状态，发现异常时立即采取相应处理措施。同时要做好洞顶地面观察和沉降监测。

3）、测点应在开挖面施工后及时安设，并尽快取得初始读数，测点布置要牢固可靠、易于识别，并注意保护，拱顶下沉和地表下沉量测基点与洞内和洞外水准基点联测。

测点布置如下：待初期支护施工完毕，核心土开挖之后，进行全断面测点布置，水平收敛基线布置3条，起拱线上1m 处布置1条，起拱线下1m 处布置1条，路面以上1m 处水平布置1条。拱顶下沉测点的布置在每个断面内布置3点。

4）、周边收敛、拱顶下沉及地表下沉各项测点应尽量集中布设在一个横断面，以便测量结果的协调分析、综合运用，测点断面间距为5～10m ，土层、结构变化部位适当加密。

5）、使用的测量仪器应满足量测精度要求并按操作规程及时检验校正以保证量测数据准确。使用收敛仪量测时，先把钢尺拉出（拉出长度稍长于量测基线）停放20min ，使钢尺温度与环境气温基本一致（同一洞口内连续量测若干断面，且环境气温相差不大时，可连续量测）。

6）、在开挖支护施工过程中时，当下断面开挖靠近上断面量测点时，量测频率应适当增加。 7）、加强监控测量管理，及时反馈信息，提高应变能力。 2、隧道施工动态监测

隧道深部位移观测，是通过多点位移计量测孔壁岩土体不同深度处位移。它不同于隧道围岩收敛观测，后者仅能测到隧道净空收敛变形，前者则能测到洞室围岩内不同深度上轴向变形。因此，根据这些观测资料，可分析判断隧道等地下构筑物围岩位移的变化范围和松弛范围，预测预报围岩稳定性，为修改锚杆支护参数和隧道理论分析提供重要依据。

操作要点

1）、根据隧道地质条件分析及现场地表踏勘情况，确定隧道深部位移观测布设桩号，测试布设点的坐标，确定多点位移计监测深度。

2）、观测采用数显卡尺。每次观测前后，在现场应对测量仪器进行检查；长期测量时，应定期进行率定，以保证仪器的测试精度。

3）、每次量测数据时，应重复测读二次以上，并取其中二次接近值的平均值作为正式读数，记录在表内。

4）、观测间隔时间：安装埋设后30d 之内，每天测读l ～2次；第1～3个月每2d 测读1次；3个月以后，每周测读1～2次。若设计有特殊要求，则可按设计要求进行。 5.2.6 冬季防寒保温施工技术

寒区冬季寒冷而漫长，为确保工期，必须进行冬季施工，因此冬季施工是严寒地区隧道施工的关键技术。

1、隧道内加热防护措施 1）、隧道洞门防护

洞口做两道防寒门，第一道门距洞口10米，两道防寒门间距15米，采用Ф80钢管搭设，双面用保温棉布封闭，通道用棉布帘作拉门，设专人看护。在两扇门之间加设自制钢管式暖气片一组，采用热水锅炉加热，以抵御寒气，提高洞内温度。为了解决隧道内的通风问题，在第二道防寒门上设一台28k Ｗ的吸出式通风机，用通风筒将洞内的烟尘有害气体排出。

2）、隧道内温度与湿度监测

由工地气象观测小组每日定时观测洞内温度与湿度，并根据结果给洞内加热或洒水，以满足混凝土施工作业要求。

温度测试：对洞内的温度定期测试，保证洞内的温度在10℃以上，并根据温度调整供暖时间。 2、喷射混凝土冬季施工措施

施工前期洞内喷射混凝土采用洞外骨料加温，洞内加热热水喷射的方法。骨料加热至15-20℃，水加热至50-60℃，以保证喷射温度不低于10℃。后期随着施工的进行，洞内具有较富裕的空间后，将搅拌机设在洞内，喷射混凝土砂石料放在同侧，在洞内保温搅拌，砂石料及水泥按计划需求提前进洞，提前预温，施工用水直接从热水锅炉中取用，最终保证喷射混凝土的喷射温度及养护温度不低于10℃。

3、衬砌混凝土冬季施工措施

二次衬砌混凝土冬季施工重点控制混凝土出仓温度不低于30℃、混凝土入模温度不低于5℃、混凝土养护温度不低于10℃，以保证混凝土质量。采用骨料预温，保暖拌制运输，洞内加热的方案

实施。骨料预温在砂石料暖房内进行，采用蒸汽加热，加热后骨料温度不低于30 ℃，拌和用水由蒸汽管通入水池直接加热，温度60-70 ℃；混凝土运输时在车上覆盖保温被，并尽量缩短运输时间，减少热量损失。

4、 钢筋及钢拱架加工

初期支护钢筋网片及工字钢拱架全部在暖棚内加工，以保证加工焊接质量，二次衬砌的钢筋在洞内现场绑扎，焊接。

5 、施工通风

隧道施工通风技术水平直接影响隧道施工进度。特别是在冬季施工中，因保温门的阻隔，洞内掌子面施工空气质量很差，基于隧道全隧浅埋的特点，采用“压入式通风和竖向通风孔”联合通风方式，改变了冬季施工掌子面环境差的状况，节省施工通风成本开支，洞内烟尘的排放，又节省电费和机械使用费。

操作要点：

1）、通风孔采用获得专利的隧道通风孔冲击钻机施工，孔径以50～60cm 为宜； 2）、为保证通风效果，通风孔沿隧道走向在隧道拱顶打设； 3）、通风孔施工必须与隧道走向垂直，间距控制在30～40m ； 4）、地表通风孔做好标示保护工作，防止堵塞；

5）、支护时做好通风孔的预留，在衬砌施工时必须做好封堵，防止衬砌渗水； 6）、洞外通风机使用频率及时间根据洞内烟尘大小灵活控制。 6 、可移动式螺杆式空气压缩机应用

隧道喷射混凝土和锚杆施工需要空压机提供动力，隧道施工常规作法是在洞口建立统一空压机供风站进行施工供风，对建于严寒地区的隧道而言，因冬季寒冷而漫长，水冷空压机需要建立厂棚且采取采暖保温措施，运营投入较大且工作效率季节影响大。采用风冷的螺杆式空气压缩机，安装在移动平台上，随掌子面的施工向前移动。该方法有效利用了隧道冬季洞内温度高，好保温的特点。且螺杆式空压机具有工作可靠性高、运行平稳、噪声低、对周围环境污染小、无基础、操作简单、维修方便等特点，因此适用于寒冷地区隧道的冬季施工。 6．材料与设备

主要材料见表6-1，主要机具设备见表6-2。

表6-1 主要材料表

表6-2 主要施工机具设备配置表

7．质量控制

7.1 隧道施工严格执行《公路工程技术标准》（JTJ 001-97）、《公路隧道通风照明技术规范》（JTJ026.1-1999）、《公路隧道施工技术规范》（JTJ042－94）和《公路工程质量检验评定标准》 (JTGF80/1-2004)，做到规范操作。

7.2 严格控制超挖，杜绝欠挖（拱脚、墙脚以上lm 内严禁欠挖），开挖轮廓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。洞身开挖实测项目见表7.2。

表7.2 洞身开挖实测项目

规格、数量、质量和性能必须符合设计的要求，顶入孔内的长度不得短于设计长度的95%，锚管下插角控制在5～10°之间，锚管固定焊接螺纹钢筋每根长度为40cm ，必须对拱架及锁脚锚管接触部

位完全满焊。

7.4 严格控制核心土、上下台阶开挖高度，上台阶高度控制在4.0m ，下台阶控制在3.0m ，这样可以便于挖掘机作业，同时防止掉土滑塌；下台阶在上台阶喷射混凝土达到设计强度70%以上且完成锁脚锚管时开挖。下台阶开挖时左右两边错开距离1～2m ，严禁一榀拱架两拱脚同时悬空；喷射混凝土的强度、厚度必须满足设计要求，同时喷层无空洞，无杂物。（钢纤维）喷射混凝土支护实测项目见表7.4。

表7.4 （钢纤维）喷射混凝土支护实测项目

8． 安全措施

8.1本工法除严格遵循《中华人民共和国安全生产法》、《建设工程安全生产管理条例》、《施工现场临时用电安全技术规范》JGJ6-88、《建筑机械使用安全技术规程》（JGJ6-86）和《建筑安装工人安全技术操作规程》的规定要求执行外，还应根据各施工工序注意事项，制定具体的专项安全技术措施和安全预案。

8.2 加强岗前安全教育及培训，做好安全警示标志的设置，并对危险源进行辨识和公告，提高全体操作人员安全意识。危险源辨识及措施见表8.2。

表8.2 危险源辨识及措施表

及时通知安全总监，停止掌子面作业，增加监控量测频率，对裂缝原因进行分析，采取设置横向工字钢支撑、设置临时仰拱和仰拱跟进封闭等措施排除险情，在量测显示稳定后再进行掌子面作业。

8.4 严格执行进出洞人员翻牌登记制度，确保施工人员与登记人员完全对应。

8.5 加强监控量测，及时反馈监测信息，便于开挖方法和支护参数进行调整，以确保施工安全。

9． 环保措施

9.1 通过风量计算，选用具有高效率、低噪音、节能耗和易维修等特点的隧道施工专用轴流通风机，合理选择通风方式和风管直径。

9.2 及时对路面散落泥土进行清理，并设置专人对路面进行洒水降尘。

9.3 空气压缩机、通风机安设消声器，选择带有防振装置的机械工作，同时对作业时间进行管理。

9.4对隧道坡面及时进行防护，截水沟及排水沟施工到位，保证排水通畅，在具备洞门施工条件时，及时做好洞门施工。

9.5 隧道弃碴运至指定弃碴场，按设计要求做好周边挡墙和截排水工作，防止水土流失，在弃碴顶面进行植草防护，防止污染环境。 10．效益分析

10.1采用微台阶法施工，与采用CRD 法相比每延米洞身减少造价约3万元。

10.2通过现场试验，取消自进式中空注浆锚杆，增设锁脚锚管，既保证了安全，又提高了施工进度，月成洞达到70m ；同时节约造价，每延米洞身减少造价约0.8万元。

10.3严格控制超挖，及时调整预留变形量，每延米洞身减少成本约0.4万元。 10.4采用微台阶法施工，提前工期4个月，减少各种费用约200万元。

10.5隧道上方向地表打设通风孔，由原来的传统风机压入式通风，改为竖井通风和压入式通风相结合的联合通风方式，节省了电费和机械使用费，节省开支达100万元。

10.6采用微台阶法安全穿越了含软弱夹层的软可塑地段，填补了国内同类工程施工的空白。 11．应用实例

天恒山隧道位于黑龙江省哈尔滨市，是哈尔滨绕城公路东北段项目的重难点工程。隧道为双洞分离式设计, 单向双车道，单洞上行线长1660m ，下行线长1690m 。

哈尔滨为北寒带气候条件。冬季长达五个月之久，春秋季节较短，年平均气温为5.7℃，极端最高气温39.1℃，极端最低气温－41.4℃。

隧道标准断面跨度14.28m ，高11.17m ，开挖量为129㎡，加宽段跨度16.83m ，高12.06m ，开挖面积达163m 2，属大断面隧道。

隧道埋深最小处4m ，最大埋深38.5m ，按照目前常用的深浅埋分界方法，属于全隧浅埋类型。 隧道岩土主要为亚粘性土，局部见砂层，存在3-1、5-1、5-2、7-1和8-2等软可塑状态的软弱夹层，地基承载力为110～270kPa ，含水量在20～24％之间。

因此天恒山隧道是我国第一座严寒地区大跨浅埋软塑粘土隧道。鉴于此隧道特殊的气候、结构、地质及水文条件，安全快速施工技术是关键，通过本工法的使用，此工程获得了成功， 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。