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摘 要 ：铁路炭质页岩隧道属软岩隧道，围岩类别一般为IV~V级。在兰渝铁路LYS-II标段胡家湾隧道中，针对其隧道埋深浅、岩体裂隙发育、极易掉块等特点，我们运用三台阶七步法施工，成功解决了以上难题，确保了工程质量，工程进度也一直走在前列。本文详细介绍了其施工工艺及施工过程中质量控制要点，为今后大跨度页岩隧道施工提供了经验。
关键词：铁路页岩隧道 施工 三台阶七步法 控制要点
中图分类号：U45文献标识码： A
1.工程概况
兰渝铁路胡家湾隧道为单洞双线隧道，全长2862米。采用复合式衬砌，按新奥法原理设计与施工。
隧道经过区地层主要为：零星分布为第四系全新统坡积黏质黄土、粗角砾土、碎石土以及崩积碎石土，上更新统风积砂质黄土，出露及下伏下第三系泥岩、二叠系上统砂岩夹页岩、下统石灰岩以及断层角砾、压碎岩。隧道通过f7断层及其破碎带，夹有炭质页岩。
2.施工工艺
胡家湾隧道采用新奥法，遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的原则施工，通过各种技术手段实现“动态施工”，确保施工质量。
IV、V级围岩均采用超前小导管先行，上部弧形导坑法短开挖施作拱部初期支护，再左右错位开挖及施作边墙初期支护，仰拱紧跟下台阶并及时施作，尽早闭合成环受力的三台阶七步法组织施工。
3.施工方法
3.1初期支护
对于软弱围岩，隧道的主要破坏因素就是大变形，当变形量级很大而且延续时间很长时，围岩发生蠕变，产生持续不断的破坏以至深入到围岩内部，围岩的塑性区逐渐增大，隧道衬砌将承受极大的形变压力，如果不能及时控制持续不断的变形和破坏，隧道将发生大面积坍塌。因此，对处于软层或断层破碎带的隧道，衬砌支护设计面临的主要问题是如何处理形变压力。
这就要求支护要及时施作及时封闭，且支护要有一定的柔性和足够的韧性。
3.1.1 喷锚网联合支护
喷混凝土具有及时、密贴、高强、柔性四个特点，当隧道开挖后可及时封闭开挖面，防止局部围岩变形和坍塌，但因喷混凝土抗拉强度较低，不能承受较大的荷载，而锚杆可以起到整体加固围岩的作用，可以使隧道周围形成一个加固环，大大提高隧道的承载能力，为了提高喷混凝土的抗拉强度，并敷设钢筋网，这样由锚杆、钢筋网和混凝土共同组成喷锚支护是软岩隧道大变形区支护的首要措施。
3.1.2 超前小导管
为把隧道开挖的影响限制在最小限度内，防止围岩的松弛，采用超前小导管法是非常有利的。超前小导管纵向具有梁的作用，横向具有拱的作用，且对岩体具有明显的固结作用，起到了保护围岩的超前支护作用。V级设计采用Φ42钢管，壁厚3.5cm，倾角5~10°，环向间距40cm。
①、小导管安设一般采用钻孔打入法，即先按设计要求钻孔，钻孔直径比钢管直径大3～5mm，然后将小导管穿过钢架，用锤击或钻机顶入，并用高压风将钢管内的砂石吹出；
②、小导管安设后,用塑胶泥封堵孔口及周围裂隙,必要时在小导管附近及工作面喷射混凝土,以防止工作面坍塌；
③、隧道的开挖长度应小于小导管的预支护长度，预留部分作为下一次循环的止浆墙；
④、需进行预注浆时，注浆前应进行压水试验，检查机械设备是否正常，管路连接是否正确，为加快注浆速度和发挥设备效率，可采用群管注浆（每次3～5根）；
⑤、注浆量达到设计注浆量和注浆压力达到设计终压时可结束注浆;注浆过程中要随时观察注浆压力及注浆泵排浆量的变化，分析注浆情况，防止堵管、跑浆、漏浆。做好注浆记录，以便分析注浆效果；
⑥、开挖掌子面根据地质条件可采用喷C20混凝土进行封闭，厚10cm；
⑦、注浆前应进行现场注浆实验，可根据实际情况调整注浆压力等注浆参数。
3.1.3 钢拱架架立
1)钢拱架架立应控制好6个方面的问题：①、钢拱架的标高；②、钢拱架的横向尺寸；③、钢拱架的垂直度；④、钢拱架的连接螺栓；⑤、钢拱架各单元连接处松散物及虚渣的处理；⑥、钢拱架的间距。安装钢拱架必须做到标高、宽度尺寸标准，上中下导钢拱架连接弧度圆顺，架立后技术干部要反复核对，确保各项数据符合设计要求。
2)钢拱架应与围岩紧密相贴，如不能紧贴时，应按规范要求，用高标号混凝土预制块填塞顶实，其点数单侧不得小于8个接触点，以确保其整体受力。钢架之间的纵向连接筋应设于拱架内缘；连接筋环向间距及长度，严格按设计要求施工，便于与下一榀钢架连接，同时要求钢拱架的纵向安装间距误差不超过±4 cm。
3.1.4 锚杆施作
1) 锁脚锚杆
锁脚锚杆在页岩隧道的施工中非常关键，必须按设计长度、数量随钢拱架的作业及时跟进。锁脚锚杆要在端头加工成L型弯钩焊接在钢拱架上，确实起到锁脚作用，防止钢拱架下沉过大。
2) 系统锚杆
为了确保系统锚杆沿法线方向布设，系统锚杆的工作台可放在上导坑核心土的后面，且一定要使用垫板，垫板焊接在钢拱架的腹部，以便加强钢拱架的稳定性，提高其刚度。系统锚杆可以在数量不变的情况下，增大环向间距；减小纵向间距；锚杆必须与钢拱架焊接，系统锚杆的注浆必须按照设计要求达到注浆压力。
3.1.5 钢筋网工程
钢筋网片必须严格按设计要求先在洞外定型加工，在洞内安装，相互之间的搭接长度不应小于20 cm。钢筋网应随受喷面的起伏而铺设，在施作前需初喷4 cm～6 cm厚混凝土形成钢筋保护层。
3.2开挖
3.2.1三台阶七步法开挖步骤
为确保施工安全，V级围岩每循环开挖进尺80cm，IV级围岩每循环开挖进尺120cm，在三個台阶上分七个工作面(见下图)，以前后七个不同位置相互错开同时开挖，然后分部及时支护，形成支护整体，缩小作业空间，逐步向纵深推进。洞身采用人工风镐配合挖掘机开挖，各台阶相距6m左右，便于出渣。同时仰拱、二衬紧跟，距掌子面分别为20～30m。
三台阶七步法开挖示意图
1、利用上一循环架立的钢架施作隧道超前支护弱爆破或人工开挖①部，同时，每循环进尺，掌子面喷5cm厚砼封闭 分部施作①部导坑周边的初期支护，即初喷4cm厚砼，架立钢架 锁脚锚杆，钻设系统锚杆 复喷砼至设计厚度。
2、在滞后于①部一段距离后，弱爆破左右交错开挖②、③部
喷5cm厚砼封闭掌子面导坑周边部分初喷4cm厚砼，施作钢架
锁脚锚杆，钻设系统锚杆 复喷砼至设计厚度。
3、在滞后于③部一段距离后，弱爆破左右交错开挖④、⑤部。
导坑周边部分初喷4cm厚砼，施作钢架 钻设系统锚杆复喷砼至设计厚度。
4、分台阶开挖⑥部。
5、开挖⑦部 隧底周边部分初喷4cm厚砼，施作钢架 复喷砼至设计厚度。
6、灌筑⑦部仰拱及隧底填充（仰拱及隧底填充应分次施作）。
7、根据监控量测结果分析，待初期支护收敛后，利用衬砌模板台车一次性浇筑拱部衬砌（拱墙衬砌一次施作）。
3.2.2三台阶七步法开挖工艺流程
Ⅴ级围岩采用三台阶七步作业法开挖施工。三台阶七步开挖法工艺流程如“三台阶七步开挖法工艺流程图”所示。
三台阶七步开挖法工艺流程图
1、洞身开挖采用自上而下分三台阶、七步骤，每开挖一步均应及时施作锚喷支护、安设钢架。上台阶分部开挖时，分部施作初期支护。上台阶开挖完成后，滞后3m距离开始第二台阶左、右部开挖及支护，形成左、右两侧开挖及支护相互交叉的情形；同样方法开挖第三台阶。
2、各部开挖时，周边轮廓尽量保持圆顺，减小应力集中。
3、各部的底部高程与钢架接头处一致。
4、后一侧部位开挖后全断面及时封闭。
5、同台阶左、右部纵向间距，适当拉开3m距离。
6、仰拱开挖后，及时施工初期支护封闭，灌筑仰拱及隧底填充(仰拱及隧底填充分次施作)。
7、灌注二次衬砌时，根据围岩监控量测结果，待初期支护收敛后，采用衬砌台车一次性浇筑(拱墙衬砌一次施作)。
3.3仰拱施工
页岩隧道在开挖后受各种因素影响，在前期即开挖后24h内围岩变化较大，根据现场实际施工发现，掌子面距仰拱最大距离不超过30m为宜。据现场施工经验仰拱开挖采用全幅施工，开挖长度以5~8m最为安全，以防止边墙拱脚处内敛，造成喷射混凝土面开裂，拱架失稳等病害。
3.4二衬施工
根据围岩量测结果分析，及时施作二次衬砌，二衬与仰拱最大距离应不超过30m。为确保二衬的密实度和外观质量，在台车上加设12台附着式振捣器，并在拱顶布设纵向注浆花管，紧贴初期支护混凝土面，孔位向上，在二衬混凝土外留注浆孔；为避免二衬混凝土施工中的收缩裂纹，除严格控制混凝土坍落度外，还应对其拌合时间、振捣时间有严格的要求；为防止混凝土离析，混凝土垂直落距控制在1.2m范围内。
4.开挖及初期支护施工要点
a．核心土距掌子面距离应保持3~5m，“宁欠不超”原则进行，核心土应保证其长度和宽度，上弧导开挖5-6m 时，方可开挖核心土。
b．坚持开挖后立即初喷的原则。页岩隧道在开挖后，极易坍塌或出现大面积掉块，采用挂网喷射混凝土的方法，有效地解决掉块问题。
c．严格控制拱顶下沉及围岩收敛。通过拱脚增加锁脚锚杆，扩大拱脚基础，增设支撑垫板来增强拱脚承载力，减小拱顶下沉；通过合理选择预留变形量（V级25cm，IV级20cm），仰拱初喷混凝土增强地基承载力来减小围岩松弛、收敛变形。
d．完善洞内临时防排水系统。通过下导横沟及多种排水管引走掌子面流水方法，来防止地下水对仰拱地基侵蚀。
5 效果及体会
“三台阶七步开挖法”施工的精髓是短进尺、快循环、快封闭、严格工艺、严格标准、严格管理、及时支护、及时量测、及时反馈、及时仰拱封闭和二次衬砌。胡家湾隧道采用“三台阶七步开挖法”进行施工，及时总结反复论证，成功地解决了页岩隧道施工中诸多技术难题，在确保安全的情况下不但克服了页岩隧道地表、拱顶沉降的难题，而且使施工变得有序可控，实现了大断面页岩隧道最高每月80米的快速掘进施工目标，工期进度得到了保证。
参考文献：
[1] 关宝树编著.隧道及地下工程喷混凝土支护技术，人民交通出版社，2009。
[2] 王成編著.隧道工程，人民交通出版社，2009年。
[3] 杜永昌，高速铁路与客运专线铁路施工工艺手册，北京：科学技术文献出版社，2006。
[4] 铁道第一勘察设计研究院，胡家湾隧道施工图设计。
关键词：铁路页岩隧道 施工 三台阶七步法 控制要点
中图分类号：U45文献标识码： A
1.工程概况
兰渝铁路胡家湾隧道为单洞双线隧道，全长2862米。采用复合式衬砌，按新奥法原理设计与施工。
隧道经过区地层主要为：零星分布为第四系全新统坡积黏质黄土、粗角砾土、碎石土以及崩积碎石土，上更新统风积砂质黄土，出露及下伏下第三系泥岩、二叠系上统砂岩夹页岩、下统石灰岩以及断层角砾、压碎岩。隧道通过f7断层及其破碎带，夹有炭质页岩。
2.施工工艺
胡家湾隧道采用新奥法，遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的原则施工，通过各种技术手段实现“动态施工”，确保施工质量。
IV、V级围岩均采用超前小导管先行，上部弧形导坑法短开挖施作拱部初期支护，再左右错位开挖及施作边墙初期支护，仰拱紧跟下台阶并及时施作，尽早闭合成环受力的三台阶七步法组织施工。
3.施工方法
3.1初期支护
对于软弱围岩，隧道的主要破坏因素就是大变形，当变形量级很大而且延续时间很长时，围岩发生蠕变，产生持续不断的破坏以至深入到围岩内部，围岩的塑性区逐渐增大，隧道衬砌将承受极大的形变压力，如果不能及时控制持续不断的变形和破坏，隧道将发生大面积坍塌。因此，对处于软层或断层破碎带的隧道，衬砌支护设计面临的主要问题是如何处理形变压力。
这就要求支护要及时施作及时封闭，且支护要有一定的柔性和足够的韧性。
3.1.1 喷锚网联合支护
喷混凝土具有及时、密贴、高强、柔性四个特点，当隧道开挖后可及时封闭开挖面，防止局部围岩变形和坍塌，但因喷混凝土抗拉强度较低，不能承受较大的荷载，而锚杆可以起到整体加固围岩的作用，可以使隧道周围形成一个加固环，大大提高隧道的承载能力，为了提高喷混凝土的抗拉强度，并敷设钢筋网，这样由锚杆、钢筋网和混凝土共同组成喷锚支护是软岩隧道大变形区支护的首要措施。
3.1.2 超前小导管
为把隧道开挖的影响限制在最小限度内，防止围岩的松弛，采用超前小导管法是非常有利的。超前小导管纵向具有梁的作用，横向具有拱的作用，且对岩体具有明显的固结作用，起到了保护围岩的超前支护作用。V级设计采用Φ42钢管，壁厚3.5cm，倾角5~10°，环向间距40cm。
①、小导管安设一般采用钻孔打入法，即先按设计要求钻孔，钻孔直径比钢管直径大3～5mm，然后将小导管穿过钢架，用锤击或钻机顶入，并用高压风将钢管内的砂石吹出；
②、小导管安设后,用塑胶泥封堵孔口及周围裂隙,必要时在小导管附近及工作面喷射混凝土,以防止工作面坍塌；
③、隧道的开挖长度应小于小导管的预支护长度，预留部分作为下一次循环的止浆墙；
④、需进行预注浆时，注浆前应进行压水试验，检查机械设备是否正常，管路连接是否正确，为加快注浆速度和发挥设备效率，可采用群管注浆（每次3～5根）；
⑤、注浆量达到设计注浆量和注浆压力达到设计终压时可结束注浆;注浆过程中要随时观察注浆压力及注浆泵排浆量的变化，分析注浆情况，防止堵管、跑浆、漏浆。做好注浆记录，以便分析注浆效果；
⑥、开挖掌子面根据地质条件可采用喷C20混凝土进行封闭，厚10cm；
⑦、注浆前应进行现场注浆实验，可根据实际情况调整注浆压力等注浆参数。
3.1.3 钢拱架架立
1)钢拱架架立应控制好6个方面的问题：①、钢拱架的标高；②、钢拱架的横向尺寸；③、钢拱架的垂直度；④、钢拱架的连接螺栓；⑤、钢拱架各单元连接处松散物及虚渣的处理；⑥、钢拱架的间距。安装钢拱架必须做到标高、宽度尺寸标准，上中下导钢拱架连接弧度圆顺，架立后技术干部要反复核对，确保各项数据符合设计要求。
2)钢拱架应与围岩紧密相贴，如不能紧贴时，应按规范要求，用高标号混凝土预制块填塞顶实，其点数单侧不得小于8个接触点，以确保其整体受力。钢架之间的纵向连接筋应设于拱架内缘；连接筋环向间距及长度，严格按设计要求施工，便于与下一榀钢架连接，同时要求钢拱架的纵向安装间距误差不超过±4 cm。
3.1.4 锚杆施作
1) 锁脚锚杆
锁脚锚杆在页岩隧道的施工中非常关键，必须按设计长度、数量随钢拱架的作业及时跟进。锁脚锚杆要在端头加工成L型弯钩焊接在钢拱架上，确实起到锁脚作用，防止钢拱架下沉过大。
2) 系统锚杆
为了确保系统锚杆沿法线方向布设，系统锚杆的工作台可放在上导坑核心土的后面，且一定要使用垫板，垫板焊接在钢拱架的腹部，以便加强钢拱架的稳定性，提高其刚度。系统锚杆可以在数量不变的情况下，增大环向间距；减小纵向间距；锚杆必须与钢拱架焊接，系统锚杆的注浆必须按照设计要求达到注浆压力。
3.1.5 钢筋网工程
钢筋网片必须严格按设计要求先在洞外定型加工，在洞内安装，相互之间的搭接长度不应小于20 cm。钢筋网应随受喷面的起伏而铺设，在施作前需初喷4 cm～6 cm厚混凝土形成钢筋保护层。
3.2开挖
3.2.1三台阶七步法开挖步骤
为确保施工安全，V级围岩每循环开挖进尺80cm，IV级围岩每循环开挖进尺120cm，在三個台阶上分七个工作面(见下图)，以前后七个不同位置相互错开同时开挖，然后分部及时支护，形成支护整体，缩小作业空间，逐步向纵深推进。洞身采用人工风镐配合挖掘机开挖，各台阶相距6m左右，便于出渣。同时仰拱、二衬紧跟，距掌子面分别为20～30m。
三台阶七步法开挖示意图
1、利用上一循环架立的钢架施作隧道超前支护弱爆破或人工开挖①部，同时，每循环进尺，掌子面喷5cm厚砼封闭 分部施作①部导坑周边的初期支护，即初喷4cm厚砼，架立钢架 锁脚锚杆，钻设系统锚杆 复喷砼至设计厚度。
2、在滞后于①部一段距离后，弱爆破左右交错开挖②、③部
喷5cm厚砼封闭掌子面导坑周边部分初喷4cm厚砼，施作钢架
锁脚锚杆，钻设系统锚杆 复喷砼至设计厚度。
3、在滞后于③部一段距离后，弱爆破左右交错开挖④、⑤部。
导坑周边部分初喷4cm厚砼，施作钢架 钻设系统锚杆复喷砼至设计厚度。
4、分台阶开挖⑥部。
5、开挖⑦部 隧底周边部分初喷4cm厚砼，施作钢架 复喷砼至设计厚度。
6、灌筑⑦部仰拱及隧底填充（仰拱及隧底填充应分次施作）。
7、根据监控量测结果分析，待初期支护收敛后，利用衬砌模板台车一次性浇筑拱部衬砌（拱墙衬砌一次施作）。
3.2.2三台阶七步法开挖工艺流程
Ⅴ级围岩采用三台阶七步作业法开挖施工。三台阶七步开挖法工艺流程如“三台阶七步开挖法工艺流程图”所示。
三台阶七步开挖法工艺流程图
1、洞身开挖采用自上而下分三台阶、七步骤，每开挖一步均应及时施作锚喷支护、安设钢架。上台阶分部开挖时，分部施作初期支护。上台阶开挖完成后，滞后3m距离开始第二台阶左、右部开挖及支护，形成左、右两侧开挖及支护相互交叉的情形；同样方法开挖第三台阶。
2、各部开挖时，周边轮廓尽量保持圆顺，减小应力集中。
3、各部的底部高程与钢架接头处一致。
4、后一侧部位开挖后全断面及时封闭。
5、同台阶左、右部纵向间距，适当拉开3m距离。
6、仰拱开挖后，及时施工初期支护封闭，灌筑仰拱及隧底填充(仰拱及隧底填充分次施作)。
7、灌注二次衬砌时，根据围岩监控量测结果，待初期支护收敛后，采用衬砌台车一次性浇筑(拱墙衬砌一次施作)。
3.3仰拱施工
页岩隧道在开挖后受各种因素影响，在前期即开挖后24h内围岩变化较大，根据现场实际施工发现，掌子面距仰拱最大距离不超过30m为宜。据现场施工经验仰拱开挖采用全幅施工，开挖长度以5~8m最为安全，以防止边墙拱脚处内敛，造成喷射混凝土面开裂，拱架失稳等病害。
3.4二衬施工
根据围岩量测结果分析，及时施作二次衬砌，二衬与仰拱最大距离应不超过30m。为确保二衬的密实度和外观质量，在台车上加设12台附着式振捣器，并在拱顶布设纵向注浆花管，紧贴初期支护混凝土面，孔位向上，在二衬混凝土外留注浆孔；为避免二衬混凝土施工中的收缩裂纹，除严格控制混凝土坍落度外，还应对其拌合时间、振捣时间有严格的要求；为防止混凝土离析，混凝土垂直落距控制在1.2m范围内。
4.开挖及初期支护施工要点
a．核心土距掌子面距离应保持3~5m，“宁欠不超”原则进行，核心土应保证其长度和宽度，上弧导开挖5-6m 时，方可开挖核心土。
b．坚持开挖后立即初喷的原则。页岩隧道在开挖后，极易坍塌或出现大面积掉块，采用挂网喷射混凝土的方法，有效地解决掉块问题。
c．严格控制拱顶下沉及围岩收敛。通过拱脚增加锁脚锚杆，扩大拱脚基础，增设支撑垫板来增强拱脚承载力，减小拱顶下沉；通过合理选择预留变形量（V级25cm，IV级20cm），仰拱初喷混凝土增强地基承载力来减小围岩松弛、收敛变形。
d．完善洞内临时防排水系统。通过下导横沟及多种排水管引走掌子面流水方法，来防止地下水对仰拱地基侵蚀。
5 效果及体会
“三台阶七步开挖法”施工的精髓是短进尺、快循环、快封闭、严格工艺、严格标准、严格管理、及时支护、及时量测、及时反馈、及时仰拱封闭和二次衬砌。胡家湾隧道采用“三台阶七步开挖法”进行施工，及时总结反复论证，成功地解决了页岩隧道施工中诸多技术难题，在确保安全的情况下不但克服了页岩隧道地表、拱顶沉降的难题，而且使施工变得有序可控，实现了大断面页岩隧道最高每月80米的快速掘进施工目标，工期进度得到了保证。
参考文献：
[1] 关宝树编著.隧道及地下工程喷混凝土支护技术，人民交通出版社，2009。
[2] 王成編著.隧道工程，人民交通出版社，2009年。
[3] 杜永昌，高速铁路与客运专线铁路施工工艺手册，北京：科学技术文献出版社，2006。
[4] 铁道第一勘察设计研究院，胡家湾隧道施工图设计。