吕 超

（中铁十二局第一工程有限公司，陕西 西安）

在铁路隧道的出洞施工中，常用的方法有小导洞法出洞、三台阶七步法出洞等。从工程实践来看，小导洞法具有施工流程简单、施工速度较快等特点，但是对围岩质量要求较高。本文研究的铁路隧道工程，经检测隧洞处围岩级别为Ⅲ～Ⅴ级，稳定性较差，不适合小导洞法。相比之下，三台阶七步法出洞则采取了注浆加固、预留核心土、开挖后立即初喷支护等措施，并在施工完毕后进行了沉降观测，切实保障了隧道施工安全，避免了软弱围岩在出洞施工期间发生塌陷或大幅度变形的情况，有助于提升经济效益和社会效益。

1 工程概况

某铁路隧道起止里程DK504+618～DK505+477，总长度778 m，最大埋深118.4 m。隧道洞口基岩裸露，山坡覆盖风积黏质黄土，自然坡度33～48°，洞身以页岩为主，局部夹有砂岩。其中，隧洞出洞口仰坡较陡，并且上方有高速公路，需要采取仰坡防护措施。采用喷锚支护，清理边坡后喷10 cm 后的C30 混凝土，然后处φ22 砂浆锚杆，并挂网。隧道设计支护参数见表1。

表1 隧道设计支护参数

2 三台阶七步法出洞施工技术

2.1 拱部软弱围岩加固

为确保隧洞施工顺利和维护施工人员安全，在隧道洞口天然坡面采取防护措施。施工人员首先将洞口周围坡面的地表植被和松动岩石清理干净，形成表面平整的坡面后，按照施工图纸进行仰坡测量放线。在仰坡5 m 外施作截水天沟，沟内使用25 cm 后的M10 浆砌片石砌筑，保证排水顺畅，减少雨水渗透。完成隧道上台阶弧形导坑贯通施工后，使用挖掘机以1:1 比例进行仰坡刷坡。对于隧洞拱部的软弱围岩，采取超前小导管注浆法进行加固[1]。

小导管选用直径为42 mm 的无缝钢管，长度为4.2 m，外插角10～12°，采用十字型布置，浆液为普通水泥浆液。为减轻小导管插入阻力，将前端改为锥形，管壁上布置4 个间距为15 cm、直径为10 mm 的注浆孔，小导管的结构如图1 所示。

图1 超前小导管注浆施工流程

本次工程中，使用风动凿岩机在标记出的孔位上进行钻孔，要求钻孔直径略大于钢管直径（约2～3 cm）。钻孔埋入钢管后，再使用凿岩机将小导管打入钢管中，要求小导管的埋入长度超过钢管长度的90%。小导管布置完毕后开始压水试验，确定密封良好后将水泥与水按照1:1 配制成浆液，由注浆泵加压后完成注浆。超前小导管注浆流程如图1 所示。

2.2 出洞施工

结合前期的地质勘察结果，在隧道出洞时围岩从Ⅳ级变为Ⅴ级，如果仍然沿用全断面法施工，可能会出现围岩变形情况，经过讨论后决定采用“三台阶七步开挖法”进行隧道出洞施工，流程如图2 所示。

图2 隧道三台阶七步流水法施工流程

2.2.1 开挖上部弧形导坑

在完成拱部超前小导管注浆支护后，开挖上部弧形导坑，即图3 中“1”部。该隧道的洞口处为水平岩层，开挖时预留一部分核心土（1.2～1.8 m），其目的是提升纵向拱效应，尽量避免上部围岩出现碎石掉落的情况。开挖过程中每向前进尺1 m，立刻在新开挖面上喷射5 cm 厚的C30 混凝土，对岩壁和掌子面进行封闭，待混凝土完成初凝后，依次进行锚杆和钢筋网的支护[2]。完成支护后，现场施工人员需要做好地面渣土的清理工作，使拱脚平整干净。若拱脚局部出现凹陷，使用槽钢垫平，防止钢架出现沉降、歪斜。

图3 三台阶七步开挖法流程

在钢架拱脚上方30 cm 和50 cm 位置，分别插入一组长度为3.5 m、直径为24 mm 的锁脚锚杆。每组包括2 根。与钢架连接部位采用双面焊的方式加以固定，复喷混凝土至设计厚度。锁脚锚杆的布置方式如图4 所示。

图4 锁脚锚杆施工示意

2.2.2 开挖左右侧中台阶

左右侧中台阶为图3 中的2、3 部分，左右侧台阶错开2.5 m，同样每掘进1 m 需要暂停施工、立即支护。初喷混凝土的厚度为5 cm 即可，在混凝土初凝后插入锚杆、挂钢筋网，完成支护。在左右两侧靠近岩壁处架设边墙钢架，利用高强螺栓将边墙钢架和拱部钢架固定。对于局部对接不够紧密的，使用525 焊条进行焊接，现场施工时采取焊前预热和焊后保温，提高焊接质量；同时在焊接完毕后检查焊缝，清理焊渣。分别在钢架墙脚的30 cm 和50 cm 位置打入锁脚锚杆，布置方法与上文相同，最后复喷混凝土至设计厚度。

2.2.3 开挖左右侧下台阶左右侧下台阶为图3 中的4、5 部分，施工方法同左右侧中台阶，不再赘述。

2.2.4 上中下台阶预留核心土

在开挖上、中、下台阶时，均需要预留核心土，即图3 中的6 部分。预留核心土的作用是提供掘进空间，方便各台阶顺利向前掘进。

2.2.5 开挖隧道底

隧道底部需要左右错开施工，为图3中的7 部分。随地每循环开挖程度2 m。实际施工时，由于出洞处存在偏压，需要按照先右后左的顺序开挖，并且在开挖后立即布置仰拱初期支护，使洞口封闭成环[3]。

2.2.6 上台阶贯通

本工程中上台阶的开挖方式为弧形导坑开挖，预留核心土后以型钢拱架之间的间距作为循环进尺距离，依次向前掘进直到洞口上台阶实现贯通。上台阶贯通后暂停施工，避免隧道断面开挖范围太大造成洞口段围岩扰动进而出现围岩坍塌事故。借助于上台阶贯通后产生的通道，在洞外完成边仰坡的开挖与支护施工。检查防护效果，确认达标后从洞口向洞内继续开挖中、下台阶。正常情况下，为了提升施工效率可以做到中、下台阶两头同时开挖，但是本工程中围岩强度较差，基于安全方面考虑采取了左右两边错开开挖的方式。

3 三台阶七步法出洞施工质量控制

3.1 隧道拱顶沉降监测

采用三台阶七步法出洞施工，会对洞口围岩产生一定的扰动，本次工程中对围岩稳定性进行了密切观测，包括洞内观察、拱顶下沉测量等，具体如下：

（1） 洞内观测。观察并记录围岩岩性、风化变质程度、掌子面节理裂隙以及喷射混凝土的表面状态。特别关注喷射混凝土表面是否有明显裂缝，如果有裂缝如实记录裂缝数量、位置以及长度、宽度等参数。若观察发现围岩与支护结构存在比较明显的变形，则及时采取应对措施。

（2） 拱顶下沉测量。在隧道拱顶最高处，沿着隧道方向纵向布置沉降观测点，间隔为6 m。在每个观测点上使用直径为15 mm 的钢筋垂直打入拱顶岩层中，嵌入深度为15～20 cm，并保证钢筋端头露出喷射混凝土4～6 cm。在钢筋上粘贴反射片，利用全站仪观测拱顶沉降量[4]。

洞内观测结果表明：掌子面情况良好，围岩基本稳定；喷射混凝土表面发现4 处微小裂缝，长度均在5 mm 以内，属于混凝土干燥收缩产生的自然裂缝；锚杆和钢筋网固定良好，未发现有脱出、松动情况。拱顶下沉量观测结果如图5 所示。

图5 隧道拱顶沉降随时间变化曲线

由图5 可知，在拱顶沉降观测的30 d 内，随着时间的推移拱顶下沉量整体上呈现出“先快后慢”的上升趋势。在观测结束时，拱顶下沉量为3.48 cm，下沉速度为1.16 mm/d，在合理范围之内。

3.2 洞口锚喷支护

本工程中的洞口开挖采取了初期支护措施，最大程度减少围岩开挖后的暴露时间，提高了围岩稳定性，整个施工期间未发生围岩明显变形和局部坍塌的问题。初期支护内容包括喷射混凝土、锚杆支护、挂钢筋网等。在支护施工中采取了以下质量控制措施：

第一，喷射混凝土前进行围岩表面清理工作，存在松动岩石或者壁面凹凸不平的情况下，喷射加固效果会变差。针对这一情况，现场施工人员使用工具清理壁面上的松动石块，经检查壁面平整、稳定后再喷射C30 混凝土，保证混凝土可以加固壁面，为下一步打设锚杆创造了理想的施工条件[5]。

第二，打设锚杆时，让锚杆方向与围岩页面大角度相交。在锚杆的选用上，拱部和边墙处均选择直径为24 mm、材质为HRB325 的砂浆锚杆，并且要求锚杆的抗拔力不低于150 kN。每根锚杆加装了尺寸为120 mm×120 mm×5 mm 的方形垫板，保证锚杆打入后垫板与混凝土面紧密贴合，提高锚固效果。

第三，铺设钢筋网时，让钢筋网随开挖面起伏，尽量减少钢筋网与开挖面之间的空隙。钢筋网由直径为5 mm 的钢筋制成，网格尺寸为200 mm×200 mm，相邻两片钢筋网的搭接长度为2 网格。

4 结论

在隧道出洞施工中，选择三台阶七步法能够显著降低施工期间对隧洞围岩的扰动，尽量避免出洞期间因为围岩变形、塌陷而引发的施工安全问题。在应用三台阶七步法时，现场施工人员除了要按照步骤依次完成上部弧形导坑、中部台阶和隧底的开挖外，还要做好初期支护和二次衬砌。在施工时，混凝土的喷射厚度、锚杆的布置方式以及后期的沉降观测等，也是需要重点关注的技术要点。只有从细节上采取严格的质量控制措施，才能保证隧道出洞施工顺利完成。