侯 圆，王 波

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 都江堰，611830)

高家山隧道为大断面软岩隧道，同时为浅埋小净距隧道，可适用于CD、CRD、双侧壁导坑钻爆法或小型机械开挖法。钻爆法在大断面软岩隧道中进度慢、超欠挖控制难度大、爆破扰动大、安全性低；小型机械开挖出渣慢、交叉干扰大、功效低、进度慢。结合我公司类似经验，选用悬臂式掘进机+液压鹰嘴钩作为开挖设备，配套使用三台阶机械开挖法，提高设备利用效率。

1 工程概况

大邑县二环路北环线建设工程高家山隧道为四洞全单向、机动车和非机动车分离的交通隧道，左主洞与左辅洞中线间距23m，左主洞与右主洞中线间距36m，右主洞与右辅洞中线间距23m～60m。洞口最小埋深10m左右，最大埋深70m多。本隧道工程基本为Ⅳ、Ⅴ级围岩，左主洞长377.66m，右主洞长387m，主洞V级围岩共420m，IV级围岩共345m，主洞Ⅴ级围岩占隧道总长度的54.9%。

高家山隧道主洞Ⅴ级围岩开挖断面宽16m，最大开挖断面160.5。地质分布为中上部强风化～中风化粉砂质泥岩，棕红色，细粒结构，中厚～厚层状构造，节理裂隙较发育，岩层倾角近水平，岩芯呈短柱状，节长10cm～35cm，采取率65%～98%，锤击声哑，无回弹，有凹痕，浸水后手可捏碎，属软岩，为Ⅳ级软石，单轴抗压强度约8MPa。

中下部分布有中风化砾岩，褐红色，中厚～厚层状构造。主要成分为石英岩、灰岩等含少许圆砾，泥质胶结，岩层倾角平缓，岩质较暗淡、质较软，采取率80%～90%。锤击声哑、有轻微回弹、有凹痕、较易击碎。裂隙较发育，岩芯破碎，呈碎块状、饼状以及短柱状，单轴抗压强度约26MPa。

2 三台阶机械开挖法的特点

三台阶机械开挖法是以分台阶机械开挖为基本模式，分上、中、下三个台阶，各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开、平行推进的隧道施工方法。三台阶机械开挖法适用于公路工程三车道大断面隧道，且围岩具备一定自稳条件的Ⅳ、Ⅴ级围岩地段隧道的施工。该工法具有下列技术特点：

(1)施工空间大，方便机械化施工，可以多作业面平行作业。IV级和V级软岩采用悬臂掘进机、液压鹰嘴钩等机械直接开挖，开挖质量好，超欠挖容易控制，工效高。

(2)在地质条件发生变化时，便于灵活、及时地转换施工工序，调整施工方法，顶部围岩自稳条件差时可增加竖向临时支撑，将上台阶分为左右两个洞室开挖，减小上部开挖断面面积，缩短开挖进尺，围岩稳定后可拆除竖向临时支撑。

(3)适应不同跨度和多种断面形式，初期支护工序操作便捷。

(4)当围岩变形较大或突变时，在保证安全和满足净空要求的前提下，可尽快调整闭合时间。

(5)开挖进度快、围岩扰动小、作业人员少、安全性高。

3 施工工艺

3.1 施工准备

施工前进行施工技术交底，作业人员进行岗前培训和安全教育，特别是悬臂式掘进机操作手要具备足够的经验，更利于超欠挖控制和突发情况的处置。隧道进洞前按设计要求做好截排水系统、边仰坡防护、洞口大管棚、端墙，在洞口安全的前提下进洞。

3.2 工艺流程

三台阶机械开挖法可分为以下主要步骤：

(1)上台阶悬臂式掘进机开挖，施做拱部初期支护；

(2)中、下台阶左右错开液压鹰嘴钩开挖，施做墙部初期支护；

(3)隧底仰拱液压鹰嘴钩开挖，施做隧底初期支护。

每部开挖后及时支护，隧底初期支护后及时施做仰拱、二衬，尽早封闭成环。

3.3 三台阶机械开挖

上台阶采用悬臂式掘进机开挖，悬臂式掘进机的截割方式是从扫底开始截割，再按S型或Z型左右循环向上的截割路线逐级分块截割以上部分；中、下台阶采用液压鹰嘴钩开挖；装载机出渣或反挖装自卸汽车出渣。

三个台阶分步平行开挖，平行施做初期支护，各分部初期支护衔接紧密，及时封闭成环；仰拱紧跟下台阶，及时闭合构成稳固的支护体系。施工过程通过监控量测，掌握围岩和支护的变形情况，及时调整支护参数和预留变形量，保证施工安全。完善洞内临时防排水系统，防止地下水浸泡拱墙脚基础。

三台阶机械开挖法开挖透视图见图1。

图1 三台阶机械开挖法开挖透视

3.3.1 上台阶开挖(图1中1区)

上台阶开挖在拱部超前支护后进行，开挖循环进尺应根据围岩等级和初期支护钢架间距确定，IV级围岩宜不大于2榀钢架间距，V级围岩宜不大于1榀钢架间距，开挖后立即初喷3cm～5cm厚混凝土。上台阶开挖失跨比应大于0.25，根据高家山隧道特点和设备有效开挖高度，主洞上台阶高度取5m。掘进机采用徐工XTR260，XTR260掘进机自身长11.7m，采用侧翻装载机装自卸车(长7.6m)出渣，上台阶长度至少11.7+7.6+2=19.7m，上台阶长度取20m。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30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°打设锁脚锚杆，拱脚锚杆和钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。

3.3.2 纵向通道开挖(图1中2-1、3-1区)

上台阶开挖20m后，准备开始施工中下台阶。为给掘进机和出渣设备形成纵向通道，采用通道纵挖法，通道宽4m，纵坡不大于18%，两侧边坡坡度应根据地质情况确定，本项目为粉砂质泥岩隧道，具备一定的自稳条件，坡比选用1∶0.75。边坡人工刷坡，清除松散块石，采用3cm～5cm厚混凝土初喷封闭。

3.3.3 中台阶开挖(图1中2-2、2-3区)

上台阶开挖20m后，纵向通道形成，同时开始中台阶开挖。中台阶高度控制在2.5m～3.5m，左右错开3m～5m，禁止同时将上台阶的初支工字钢悬空。中台阶采用液压鹰嘴钩+铣挖机开挖，反挖装自卸汽车出渣。

3.3.4 下台阶开挖(图1中3-2、3-3区)

下台阶开挖在上台阶支护完成且喷射混凝土强度达到设计强度的70%后进行。下台阶的底部开挖高度应根据仰拱及仰拱回填高程、栈桥的布置及二衬钢模台车轨道底高程来综合确定，且不宜高于3.5m。

3.3.5 隧底开挖(图1中4区)

隧底为泥岩，局部为砾岩，采用液压鹰嘴钩开挖，6m一段整体开挖。开挖后应及时施做仰拱初期支护、仰拱及仰拱回填和二衬。

4 超欠挖、地下水、环水保控制措施

4.1 超欠挖控制措施

(1)采用“新奥法”施工工艺，严格遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、勤测量、早封闭”的基本原则。

(2)提高测量精度，降低放样误差，是控制隧道超欠挖的重要措施。

(3)加强人员培训，提高机械操作手的专业操作技能，使其养成良好的操作习惯，以达到熟能生巧的程度。

(4)预留轮廓范围内30cm～50cm二次铣挖。

4.2 地下水及施工用水的控制措施

水对软岩隧道影响极大，特别是工字钢拱脚软化后影响初支的稳定，软岩隧道需重点控制地下水和施工用水。隧道两侧设置纵向排水沟，渗水及裂隙水经排水沟汇集至洞口集水坑抽排，股水通过埋设PVC管引排，锚杆及小导管钻孔用水引至两侧排水沟。

4.3 粉尘及环水保控制措施

上台阶悬臂式掘进机开挖时会产生大量的粉尘，直接影响掘进机操作手的视线和工作环境，对工作面超欠挖控制影响较大，也影响中下台阶、仰拱及二衬工作面的施工环境。目前尚未找到一套能完全解决工作面粉尘的方法，有待进一步研究。

本隧道施工时采用抽出式+压入式通风降尘，抽出式通风量为压入式的两倍[1]，压入式出风口布置在操作手附近，掌子面利用掘进机自有喷淋系统改装的雾炮系统+两台雾炮机降尘。

抽出的粉尘在洞口经过逆流式喷淋塔，含尘气流从喷淋塔底部向上运动，喷淋塔喷出的液滴向下运动，通过惯性、拦截、扩散等效应将较大的尘粒捕集下来，径水雾净化后的气流由塔上部排出[2]，污水从下部抽排至自动拉板压滤机，压成泥饼后自卸汽车运输至弃渣场，清水返回至水池重复利用。

5 结语

三台阶机械开挖法适用于具备一定自稳能力的软岩隧道，在超前地质预报和监控量测的信息化指导下，能发挥机械开挖的优势，对围岩扰动小，对中岩墙和初支结构安全有利。但机械开挖轮廓精准自动控制和粉尘控制是难点，有待于进一步研究和突破。