张 超

(中铁四局集团有限公司第七工程分公司，安徽 合肥 230022)

0 引 言

随着我国“一带一路”倡议及西部大开发战略规划的提出，基础建设呈飞速发展之势，铁路、公路长大隧道不断地在中西部涌现。我国西北地区黄土地层分布广，三台阶七步法开挖已广泛应用于该类地层施工中的黄土隧道的开挖掘进中。该方法是将隧道分成上、中、下三台阶七步，由于受制于中部台阶存在，空间不能满足大型机械作业，只能采用小型机械配合人工施工，导致工效低。通过分析研究，并进行现场试验，将三台阶七步法中的中、下台阶先行修整成斜坡道，为大型挖掘机、湿喷机等机械设备在中、下台阶斜坡道提供作业半径(距离)，充分利用了大断面的特点，能够实现机械化作业目标，同时上台阶预留核心土柱支撑掌子面，优化缩短中、下台阶高度，更便于立架作业，从而缩短了初期支护的时间，加快了施工速度，节约了施工成本。

1 工程概况

岭上隧道位于陕西省咸阳市乾县境内；隧道起止里程为DK79+629—DK83+039.05,全长3 410.05 m，Ⅴ级围岩，隧道最大埋深为56 m，进口西安端埋深5 m，出口银川端埋深13 m，整座隧道纵坡为19‰/671、3‰/1 800、20‰/939.05的单向上坡；进口左线2 063.964 m位于半径7 000 m的左偏曲线上，其余均位于直线上。洞身DK79+673—DK79+780、DK81+060—DK81+140段均下穿乡村道路，净距分别约13 m、22 m。DK80+364.4上跨西平线丁家山隧道，交角43°，埋深47.174 m。岭上隧道全洞为Ⅴ级围岩，采用Ve型复合衬砌结构，设计开挖方式采用三台阶七步法，通过现场工法优化试验，成功总结了一套大断面黄土隧道微台阶开挖方法。

2 微台阶开挖方法

2.1 施工原理

微台阶法通过对隧道岩土体的力学指标模拟参数赋值分析其安全性后，在三台阶临时仰拱法的基础上将大断面不均分形成三台阶，通过优化各台阶高度满足机械化作业要求，以早成环为原则尽可能缩短各台阶之间的距离；将上台阶高度增加，减短中下台阶高度，以便于工人立架操作；隧道中部预留斜坡道，确保大型机械作业半径和配套机械站位要求，有效缩短了初期支护封闭成环时间，将工期由正常三台阶法施工的16 d缩短到10 d，仰拱初支封闭成环，与掌子面距离由35 m缩短到21 m，有效地控制了隧道及建(构)筑物的变形，保证施工安全。

2.2 两种开挖方法对比分析

2.2.1 三台阶七步法开挖方法施工步骤

(1)上台阶用弧形导坑开挖；上台阶开挖高度为3.8 m，预留核心土。

(2)上台阶施工至3～5 m后，开挖上台阶核心土；左右侧中台阶交错2～3 m开挖，中台阶开挖高度为3.8 m。

(3)中台阶施工至3～5 m后，开挖中台阶核心土；左右侧下台阶交错2～3 m开挖，下台阶开挖高度为3.6 m。

(4)开挖下台阶核心土及7部仰拱。

三台阶七步法开挖大断面黄土隧道，上台阶高度3.8 m，中台阶高度3.8 m，下台阶高度3.6 m，中台阶核心土至上台阶开挖面8～13 m，如图1所示。中上台阶开挖支护机械化作业难度大，作业空间小，如图2所示，以致工作效率低，难以达到快速封闭，从而导致隧道掘进速度慢和工程施工费用增加。

图1 三台阶七步法正面图

图2 三台阶七步法工序纵断面图

2.2.2 微台阶法开挖方法施工步骤

大断面黄土隧道微台阶法开挖方法，是将待开挖黄土大断面隧道通过不均分上台阶、中台阶、下台阶进行施工，其中上台阶高度为5.2 m，中台阶开挖高度3 m，下台阶开挖高度3 m，中、下台阶之间纵向步距3 m，上台阶与中台阶之间纵向步距控制在3～5 m(视围支护条件、围岩变形情况、施工水平等进行综合调整)，其开挖步骤是如图3、图4所示。

图3 微台阶开挖工法工序纵断面图

图4 微台阶开挖工法示意图

相比三台阶七步法步骤，优化如下：

第一步：将隧道中、下台阶先挖出斜坡道Ⅰ，便于大型机械在中下台阶斜坡道作业，达到机械化作业目的，减少工序作业时间，达到快速封闭掌子面目的。

第二步：挖掘机站在中台阶斜坡道，环形开挖上台阶①，开挖一个循环上台阶掘进长度，将渣土垫入中下台阶斜坡道Ⅰ两侧。

第三步：上台阶完成开挖后，立上台阶钢架，再继续开挖上台阶核心土及交叉开挖左中台阶②、右中台阶③；立上台阶钢架，并进行出渣作业，由装载机配合出渣。

第四步：中台阶完成开挖后，立中台阶钢架，挖掘机继续交叉开挖左下台阶④、右下台阶⑤；将下台阶及下台斜坡道土出完，为湿喷机械手提供作业场地，湿喷机就位，进行上台阶喷射混凝土支护；立下台阶钢架，湿喷支护中、下台阶。

第五步：上台阶与中台阶间距控制在3～5 m，中、下台阶之间错开间距控制在3 m，左中、右中，左下、右下台阶之间错开间距控制在2 m；

第六步：上、中、下台阶掘进3～5循环后开挖仰拱⑥并支护，确保仰拱尽快封闭成环。

2.3 施工安全性分析

2.3.1 数值模拟

通过FLAC3D数值计算软件对岭上隧道采用微台阶法施工过程进行数据模拟，分别对地表沉降、支护受力等情况进行监测分析，理论论证改进工法的可行性，在工程中论证改进工法的经济性。

开挖工法示意如图5所示。

图5 下穿密集房屋区开挖工法示意图

模型选取现场土层作为计算对象，围岩计算参数根据室内土工试验分析。隧道开挖前打设管棚进行超前预支护，开挖后及时施作初期支护及喷射混凝土，支护单元计算参数由刚度等效得到，混凝土计算参数根据《铁路隧道设计规范》(TB 10003-2005)的相关规定选取。计算参数见表1、表2。

表1 围岩计算参数

表2 支护参数

2.3.2 监控量测

施工中须严格按照监测方案执行，及时计算分析不同开挖部到达监测断面以及模型全部开挖完成后共计8个开挖进程下各测点沉降位移，以及隧道开挖后初期支护位移和受力情况。

2.4 计算结果分析

2.4.1 地表沉降分析

微台阶开挖法分为七个施工步骤，不同开挖步骤到达监测断面后地表沉降监测点最大沉降统计值见表3。

表3 各阶段地表路基最大沉降统计表

通过数据分析得知，采用微台阶法开挖工法对变形具有较好的控制作用。

2.4.2 位移分析

围岩沿竖向和水平方向的位移情况如图6、图7所示。

图6 围岩沿竖直方向位移云图

图7 围岩沿水平方向位移云图

初期支护及二次衬砌沿竖向和水平方向的位移情况如图8、图9所示。

图8 初期支护及二次衬砌沿竖直方向变形云图

图9 初期支护及二次衬砌沿水平方向变形云图

由以上围岩及支护位移云图可知：在该埋深下，隧道开挖后围岩及初期支护沿竖直方向变形量较大，沿水平方向变形量较小。

2.4.3 应力分析

围岩沿竖向和水平方向的应力情况如图10、图11所示。

图10 围岩沿竖直方向应力

图11 围岩沿水平方向应力

初期支护及二次衬砌沿竖向和水平方向的应力情况如图12、图13所示。

图12 初期支护及二次衬砌沿竖直方向应力云图

图13 初期支护及二次衬砌沿水平方向应力云图

由以上围岩及支护位移云图可知，在该埋深下，隧道开挖后围岩及支护整体应力数值不大，初期支护沿竖直方向应力略大于沿水平方向应力，最大值为3.59 MPa。

采用微台阶开挖工法，能够有效控制初支变形和地表沉降(表4)，在保障安全的情况下提高隧道施工效率。

表4 岭上隧道监控量测情况统计表

2.5 效益分析

2.5.1 工效对比

两种开挖方法工效对比见表5。

表5 两种开挖方法工效对比表

从表5中可以看出，在工效方面，微台阶法具有较大优势。

2.5.2 经济效益对比

岭上隧道总长3 410.05 m，暗洞长3 374 m，采用三台阶七步法施工月进尺72 m，完成暗洞施工约需46.8个月，通过采用微台阶法机械化作业，月进尺86.4 m，施工需约39.8个月，节省约7个月，加快了施工进度，节约施工成本见表6。

表6 微台阶开挖支护节省成本表

从表6中可以看出，按岭上隧道暗洞长度3 374 m长度计算，应用微台阶法可节省工期7个月，节约成本约4 102 000元，平均每进尺1 m节约1 215.75元。

3 结束语

应用大断面黄土隧道微台阶开挖方法，能有效地克服大型机械设备作业半径不能覆盖至工程作业面上，不能形成隧道机械化作业，而导致作业人员数量投入多、作业强度大、施工效率低，不能快速封闭开挖面，安全得不到有效保障，且成本得不到有效控制。微台阶法通过在原有三台阶七步法基础进行了优化，实现了机械化作业，减少施工人员数量，加快封闭时间，在确保安全的情况下能够大幅度节约成本，相比较常规开挖方法优势巨大，可为后期类似工程施工提供参考依据。