隧道施工工法确定要根据开挖地层的实际情况, 结合安全、进度、经济等要素进行综合比选。常见的软岩隧道施工工法有三台阶七步流水作业法、三台阶临时仰拱法、四步CD法、中侧壁导坑法、双侧壁导坑法等。其中, 三台阶七步法优点为不设临时支撑, 节省材料, 工作空间大, 可采用大型机械施工, 施工进度快;缺点为:不利于控制围岩变形, 接长侧墙钢架时沉降量大, 对超前支护要求高。CD法、CRD法、双侧壁导坑法通过刚性分隔将大断面分隔成若干小断面分别开挖支护, 其优点为易于控制围岩变形和施工安全;缺点为工作空间小, 不利于采用大型机械施工, 人工使用量大, 施工进度慢, 若刚性分隔处处理不当会给后期防水施工留下质量隐患。相较于三台阶七步法, 三台阶临时仰拱法施工增加了临时支护材料和临时仰拱钢架的安装与拆除工作;但其工作空间大, 可采用大型机械施工, 临时支护仰拱钢架可循环使用, 初支临时快速成环可有效控制围岩变形;遇不良地质沉降量过大时可随时通过增加竖向临时支撑向CRD工法转换。

新建太原至焦作铁路山西段站前工程TJZQ-3标段榆社隧道地处山西省晋中市榆社县境内。隧道起讫里程DK70+700～DK81+370, 正线长度10.67km, 最大埋深342m, 设计时速250km/h, 为高速电气化铁路双线隧道。隧道通过地层主要为新黄土、砂岩、泥岩, 砂岩为较硬岩, 泥岩、泥质砂岩为软岩或较软岩。隧道工点穿过该构造中的多处向斜、背斜及多条断层, 隧道区断裂构造较发育, 发育断层共22条, 其中有9条为实测断层, 13条为物探推测断层。隧道正常涌水量Q_cp为39 107.45m³/d, 最大涌水量Q_max为85 029.01m³/d。榆社隧道通过区域地质条件复杂, Ⅳ、Ⅴ级围岩占64.6%, 总体施工难度大。

榆社隧道Ⅴ级围岩浅埋、强风化岩层、深埋土层、全风化层、断层破碎带、富水地层等均采用三台阶临时仰拱法施工。三台阶临时仰拱法工艺流程如图1所示。

三台阶临时仰拱法工艺横断面如图2所示。

1) 洞身超前支护采用洞身长管棚和超前小导管2种支护形式, 超前支护每循环搭接长度不小于1.5m以保证超前管棚或导管内注浆质量。机械配合人工开挖, 尽量不采用爆破开挖。排险后, 初喷上台阶拱部混凝土、架立上台阶钢架、钻设系统锚杆和锁脚锚管、安装钢筋网片、复喷混凝土至设计厚度。上台阶底部喷10cm厚混凝土, 铺设临时仰拱钢架, 喷射混凝土至设计厚度。

2) 在上台阶 (1) 部进尺3～5m后, 开挖中台阶 (2) 部。排险、初喷混凝土, 钻设锚杆和锁脚锚管、挂网, 架立中台阶钢架、复喷混凝土至设计厚度。中台阶底部喷10cm厚混凝土, 铺设临时仰拱钢架, 喷射混凝土至设计厚度。

3) 在中台阶 (2) 部进尺3～5m后, 开挖下台阶 (3) 部。排险、初喷混凝土, 钻设锚杆和锁脚锚管、挂网, 架立中台阶钢架、复喷混凝土至设计厚度。

4) 在下台阶 (3) 部进尺15～20m后, 开挖隧底 (4) 部。清理虚碴后、初喷混凝土及时安装隧底钢架使永久初期支护钢架封闭成环。隧底周边部分喷混凝土至设计厚度。

5) 绑扎Ⅴ部仰拱衬砌钢筋, 浇筑本段仰拱混凝土。

6) 仰拱混凝土凝固后, 浇筑本段Ⅵ部仰拱填充混凝土。

7) 根据监控量测数据分析初期支护和收敛变稳定后的沉降, 利用液压衬砌台车一次性浇筑Ⅶ部拱墙衬砌混凝土。

1) 三台阶临时仰拱法开挖采用自上而下分部开挖。上台阶和中台阶每次正洞初期支护施工完毕, 必须立即安装临时仰拱钢架。临时仰拱钢架与正洞钢架采用螺丝连接, 不可采用焊接, 防止机械或弱爆破开挖震动造成连接不牢固。

2) 隧道各台阶开挖时, 机械开挖进预留的人工开挖部分;爆破开挖时采用加密炮眼、隔孔装药等措施控制开挖轮廓, 减少超欠挖, 避免围岩应力集中。严格按照设计文件要求控制开挖循环进尺, 遇地质不良处应在设计基础上采用加密初支钢架等加强支护措施。

3) 各台阶开挖时, 钢架拱脚处采用预制好的混凝土板或槽钢垫好, 防止悬空。

4) 按照铁路总公司规定和设计文件要求, 严格控制施工步距。位于隧道穿越断层破碎带等不良地层时, 可在设计文件的要求基础上进一步缩短施工安全步距, 确保施工安全。

1) 隧道超前地质预报与监控量测应分别作为单个工序, 纳入隧道工序循环。上台阶超前支护施作完毕后, 进行上台阶拱部开挖。开挖前应进行地质情况预报, 以便及时掌握围岩和裂隙水的情况, 以指导施工。当量测数据反应上台阶拱顶沉降速率过大时, 可增设竖向临时支撑控制围岩变形。

2) 上台阶超前支护施作完毕后, 进行上台阶拱部开挖。开挖前应进行地质情况预报, 以便及时掌握围岩和裂隙水的情况, 指导施工并调整支护参数。上台阶开挖后的拱顶下沉数据异常时, 可在上台阶增设临时竖向支撑。开挖上、中、下台阶时, 可根据现场实际情况预留核心土作为机械作业平台, 并适当调整台阶开挖高度。

3) 钢架之间纵向连接筋必须与其可靠焊接并做好搭接。各台阶钢架拱脚处锁脚锚管可采用增设U形钢筋或纵向连接钢板等措施保证钢架与锚管焊接牢固, 同时控制好锁脚钢管内的注浆质量并做好封堵。

4) 上台阶拱部钢架连接处应错开隧道中心线1m以上, 不良地质处采用高强螺栓以替换普通螺栓。

榆社隧道采用三台阶临时仰拱法施工, 安全、顺利地穿越了土质地层、断层破碎带、富水地层等不良地层。新建高速铁路采用三台阶临时仰拱法施工, 有效控制软岩隧道开挖后沉降, 保证隧道施工安全和进度, 为今后类似隧道地层施工方案的选择提供了很好的借鉴, 具有一定的推广价值。