摘 要：针对大断面含砂淤泥质软弱围岩隧道在施工过程中出现围岩大变形、拱架扭曲变形以及多次塌方的特点，在原有设计三台阶七步开挖法的基础上发展了一种三台阶四步开挖法的施工新方法，并应用到现场实际中。根据现场实际的监控量测数据，提出了三台阶四步开挖法合理的开挖分部、合理的台阶高度以及合理的台阶长度，同时提出了快速封闭成环的时间。在此基础上，进一步详述了三台阶四步开挖法的施工方法及其相配套的施工工艺。现场实践证明，采用该种施工方法，比原来的三台阶七步开挖法能够明显缩短初期支护封闭成环的时间，能够很好的控制围岩的变形，并获得较好的经济效益。
关 键 词：软弱地层；大变形；施工技术；三台阶四步开挖法
中图分类号：U457.2 文献标识码：A
Research on construction controlling technology of large deformation tunnel with large cross-section in soft and weak ground
JIANG Wei
（Sinohydro Bureau No．7 Co．，ltd．，Chengdu 610081，China）
Abstract: In view of the characteristics of large deformation of surrounding rock, distortion of arch frame and multiple collapses in the construction process of large section silt soft surrounding rock tunnel, a new construction method of three steps and four steps excavation method is developed on the basis of the original design of three steps and seven steps excavation method, which should be used in the field practice. According to the actual monitoring and measurement data on site, the reasonable excavation division, reasonable bench height and reasonable bench length of the three-step four-step excavation method are put forward, and the time of fast closure and ring formation is also put forward. On this basis, the construction method of three steps and four steps excavation method and its corresponding construction technology are described in detail. Field practice shows that the construction method can obviously shorten the time of initial support closing into a ring, control the deformation of surrounding rock, and obtain better economic benefits than the original three-step seven step excavation method.
Key words: soft and weak ground; large deformation; construction technology; three-bench four-step excavation method
1 工程概况
深圳地铁7号线位安托山停车场出入线位于深圳市福田区、南山区，隧道采用单线单洞及双线单洞形式，隧道全长2285m，线路最大曲线半径为1200m，最小曲线半径为250m，其中安托山停车场出入线与深云车辆段出入线共线隧道在ADK0+261.00～ADK0+303.00（长42m）下穿北环大道，上覆第四系人工素填土，第四系冲洪积砾砂，残积粉质黏土，下伏基岩为强风化、中风化花岗岩局，地下水类型主要为孔隙水和基岩裂隙水，孔隙水主要赋存在冲洪积砂类土、残积砾质黏性土。
该现场开挖揭示的岩层情况如下图1所示。
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图1 安托山停车场出入线隧道现场揭岩示意图
由于含砂、淤泥，岩性软弱，岩体破碎，地下水发育，隧道开挖过程中塌方频发，初支后变形大，难以控制，隧道施工进度缓慢。下表为发生塌方部位、拱架侧移部位统计。
表1安托山停车场出入线隧道坍塌及拱架变形统计表
Table 1 Statistical table collapses and arch deformation
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安托山停车场出入线隧道坍方见图2所示。
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图2 隧道塌方示意图
Fig.2 Schematic diagram of tunnel collapse
一直以来，在软弱围岩地层隧道施工中，通常采用三台阶七步开挖法来控制软弱围岩的大变形，并取得了丰硕的成果。闻庆权[1]从工法控制和现场管理出发，介绍了三台阶七步开挖法的施工总则和技术特点、施工方法、施工组织以及施工控制要点；刘秀[2]等对三台阶七步开挖法采用不同台阶高度的两种工况进行了数值模拟，并对数值模拟结果与现场测试结果进行了对比分析；崔小鹏[3]等就三台阶七步开挖工法及CRD工法的优缺进行分析和对比；席俊杰[4]等采用有限元分析软件对炭质板岩隧道施工中的三台阶七步开挖法与两台阶五步开挖法进行数值模拟研究。其他研究工作者从不同的角度对三台阶七步开挖法以及其他开挖方法进行了相关的研究[5-12]，并取得一定的研究成果。对目前软弱大断面隧道中三台阶的不同开挖法进行了比较，如表2所示。结果表明，目前现场实际中并没有或很少涉及对三台阶七步开挖法不足之处的改进。而实际上，在隧道开挖的实践中发现，三台阶七步开挖法存在着工序繁琐、封闭成环时间长等缺点。因此有必要对三台阶七步开挖法进行优化，本文在三台阶施工方法的优点的基础上，提出的一种三台阶四步开挖法，遵循了分部数不宜过多，台阶长度要适当，充分利用地层纵向承载拱这一原则。在现场应用中得到了验证，取得了较好的效果。
表2 不同开挖方法的优缺点
Table2 The advantages and disadvantages of different excavation method
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2三台阶四步开挖方法及施工工艺
2.1 三台阶七步开挖法施工对地层变形的影响
施工工艺对隧道开挖后的变形动态的影响是非常显著的，其影响主要表现在以下三个方面：
（1）横断面的分步开挖
（2）开挖纵断面形状
（3）支护的施做时机
针对含砂淤泥岩，下部为岩层，原设计的三台阶七步开挖法和三台阶临时仰拱法施工工艺在以上三个方面做的不够理想，致使施工安全风险较大，在现场施工实践中，发现了原施工工艺存在如下问题：
① 因台阶长度过短，中台阶左右错开距离较短，中、下台阶开挖时，因岩体倾向、倾角的不确定性，易造成多榀钢架同时悬空暴露，致使上台阶多榀钢架两侧拱脚同时悬空，影响施工安全。
② 每级台阶开挖完成后，均需要一段时间的围岩拱顶沉降和收敛的稳定期，定期约为4～10天，而台阶长度短，围岩还未稳定就开始施工下一级台阶，会导致拱顶沉降和收敛发生突变，导致拱顶沉降和收敛量增大，严重时会导致塌方。
③ 下台阶过长，致使大断面暴露时间长，拱脚处弧形受力较差，初期支护拱顶沉降及收敛量较大。
④ 每级台阶长度过短，不利于机械化作业，各工序只能流水作业，无法交叉作业，施工效率较低，循环进尺时间较长。
⑤ 三台阶七步开挖法施工时，因核心土的留置，会导致上台阶爆破作业时岩体凌空面较小，爆破后易造成两侧拱脚欠挖、拱顶超挖，需二次补炮，增加了开挖作业的时间，增加了岩体裸露的时间，不利于施工安全及施工进度。
2.2含砂淤泥岩岩隧道三台阶四步交错开挖法
含砂淤泥质较软岩层，节理裂隙较发育；岩体破碎，结构松散，风化速度快，围岩稳定性较差，易塌方；围岩变形时间长，变形量大，长时间的持续变形，或初期支护严重变形，多为塑性变形和蠕变变形；围岩含水量大，掌子面易涌水，稳定性差，施工安全隐患较大。
新奥法的核心理念是保护围岩和利用围岩的自身承载能力，以采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时进行支护，控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，并通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道施工和地下工程设计施工的方法和原则。
为此，针对含淤泥质软岩的特殊性，结合新奥法施工理念，并通过理论分析和大量现场实验，我们制定了含砂淤泥岩质岩隧道三台阶四步交错开挖法施工工艺。
2.2.1合理确定横断面的分部开挖
一般说开挖分部越多，在同样地质条件下，其位移值也越大。因此，从控制位移的角度出发，采用少分部的开挖方法是主流的开挖方法。横断面开挖分部的确定，对保证施工安全起着关键的作用。为加快闭合时间，中、下台阶交错开挖，既保证了断面稳定，又加快了循环速度，分部开挖横断面如图3。
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图3 三台阶四步开挖法施工工序横断面图
Fig.3 Cross section of construction process for three bench four step excavation method
2.2.2合理确定各台阶高度
根据受力分析，圆心以上部分受力情况最好，所以将中台阶平面固定在圆心轴线上，能最大程度的保证初期支护各台阶的稳定。最终确定上台阶高度3.99m，中台阶3.2m，下台阶3.36m，如图4。
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图4开挖横断面
Fig.4 Excavation cross section
2.2.3合理确定各台阶长度
虽然从横断面上看，断面闭合围岩就会趋于稳定，但是从纵断面形状上看，闭合意味在各个阶段（上、中、下断面的支护和仰拱的支护）都要完成才能形成闭合的状态，如图5。
所以，不能只看开挖横断面是否稳定，也要从隧道整体的稳定看隧道开挖后的纵断面是否稳定，也就是要仔细研究隧道开挖的纵断面的结构形式。
根据大量沉降观测数据显示，上台阶开挖完成后含砂淤泥质岩稳定期约为4～5天，中台阶开挖完成后稳定期约为8～10天，如图6。
根据日进尺量，确定上、中、下台阶合理的台阶长度：上台阶6m，中台阶11m，下台阶18m。一味的追求短台阶，往往会造成上个台阶未稳定，便施工下一台阶，既不利于机械化作业，又影响初期支护的稳定性。
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图5 开挖纵断面形状图
Fig 5 Vertical section shape
2.2.4加快初期支护施设时间
支护的施做时机非常重要，一些大的变形的发生与支护时机的延误有很大关系。支护设置时间和隧道净空位移的关系如图7（假设掌子面开挖时，约发生30%左右的位移，处于无支护状态，而在掌子面后方约2D左右，位移基本收敛）.
图7说明：根据开挖后支护设置的时期，隧道应力和位移是变化的。所以，初期支护施设的越早，对控制变形越有利。
对比三台阶七步开挖法,三台阶四步开挖法，在初期支护施工上合理调整了施工工序，使上台阶立架与出渣同步进行，缩短了立架时间，对控
制变形有着显著的效果。
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2.2.5缩短了初期支护封闭成环时间
众所周知，隧道开挖后，随着时间的推移，变形也在发展。一般说，刚开挖过后，变形发展很快，即初期变形速度很快，而且变形值也比较大。如果能够控制住变形的初期发展，也就控制住了变形的后期发展，因此，要及早使断面闭合是非常重要的。含含砂淤泥质岩隧道三台阶法施工工艺，能使上、中、下台阶同部施工，并使各工序交叉作业，提高了工作效率，缩短了初期支护封闭成环时间。
如图8为采用三台阶七步开挖法施工时沉降观测曲线与采用三台阶四步开挖法施工时的沉降观测曲线的对比图，可见，采用三台阶四步开挖法，可缩短初期支护稳定时间，并减小沉降量。
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图8 拱顶沉降观测曲线对比图
Fig 8 Comparison chart of arch settlement observation curve
调整后的含砂淤泥质隧道三台阶四步开挖法施工台阶布置如图9：
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图9 台阶布置
Fig.9 Step arrangement
3.工艺流程及操作要点
3.1.施工工艺流程
施工工艺流程网络图如图10。
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图10 施工工艺网络流程图
Fig.10 Networks and flow chart of construction process
3.2.施工要点
三台阶四步开挖方法的特点是能将施工各循环紧密联系，减少施工人员数量，加大机械、人员工作效率，将原三台阶七步开挖法的各施工工序流水作业改为同步施工，缩短了每循环作业时间。所以，三台阶四步开挖法的操作要点就是同步作业，缩短每循环时间。
3.2.1工序衔接
1、开挖
为保证三台阶四步开挖法同步作业，开挖时上台阶、中、下台阶同步开挖，中、下台阶交错开挖。上台阶开挖1榀钢架，中台阶2榀钢架，下台阶2榀钢架，根据掌子面围岩状况，可制作使用简易开挖台架或预留核心土，作业人员13～15人，风枪10～12把，分配为上台阶8把，中、下台阶根据工程量及钻爆孔数调整风枪数量，一般为1～3把。钻孔作业时间一般为1小时40分钟，爆破时间一般为40分钟，如图11所示。
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图11 隧道开挖布置图
Fig.11 Arrangement plan of tunnel excavation
2、扒渣
钻爆结束后，挖掘机进行爆破断面残渣处理，先将上台阶残渣扒至中台阶、下台阶，并形成缓坡，为装载机运送钢架留下便道，便于下步上台阶立架施工。挖掘机对上台阶工作面清理完毕后，进行下一道工序施工。扒渣时间一般为50分钟，如图12所示：
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图12 隧道扒渣
Fig 12 Tunnel slag-off
3、钢架支立及出渣
扒渣工作结束后，三台阶呈缓坡状，由挖掘机将作业台架移回掌子面，装载机运送钢架至上台阶台架后，上台阶进行立架支护。作业人员一字排布单侧安装预制拱架，每榀拱架分三部分，从左至右依次安装，固定连接螺母，钢筋网片焊接牢固，作业人员8人。挖掘机在中台阶缓坡处进行中台阶出渣，装载机在下台阶裝渣侧翻倒入出渣车内。出渣作业与上台阶支护作业同步进行。上台阶立架作业与中台阶出渣作业同时完成，作业时间一般为1小时20分钟，如图13所示。
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图13 隧道出渣
Fig.13 Tunnel mucking
4、超前小导管施工
上台阶支护结束后，接入风管水管，进行超前小导管及锚杆施工。此时，中台阶出渣同时结束，立架工人开始进行中台阶支护作业，下台阶出渣继续进行。中台阶立架时间一般为40分钟，超前小导管作业时间与下台阶出渣同时完成，一般为1小时30分钟。
1）小导管构造
小导管前端为锥形，管壁上每隔15cm有梅花型钻眼，眼孔直径为10mm。尾部长度1m，该段为无孔的止浆段。小导管构造如图14所示。
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3）注浆
采用KBY-50/70注浆泵压注水泥浆。单孔注浆压力达到设计要求值，持续注浆10min且进浆速度为开始进浆速度的1/4或进浆量达到设计进浆量的80%及以上时注浆方可结束。
注浆施工中认真填写注浆记录，随时分析和改进作业，并注意观察施工支护工作面的状态。注浆参数应根据注浆试验结果及现场情况调整。
注浆参数可参照以下数据进行选择：
水泥浆水灰比：0.5~1.0（重量比）
注浆压力：0.5~1.0Mpa，对于涌水量较大的松散破碎带，可采用具有针对性的注浆材料。
各地层条件下围岩孔隙率参考值：砂土20%~40%，粘土10%，断层破碎带5%。
5、喷射混凝土
上台阶超前小导管及锚杆施工完成后，挖机将中台阶和下台阶中部碎渣修成缓坡，吊入喷锚机，其中一台双枪头喷锚机放置在中台阶，喷射上台阶混凝土，另外一台单枪头的放在下台阶，对中台阶进行喷射混凝土施工，中台阶喷射完毕后，下台阶立架作业同时完成，进行下台阶喷射混凝土施工。上台阶喷射混凝土作业时间一般为2小时，如图17所示。
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图14 隧道喷锚
Fig.17 Tunnel injection and anchor
3.2.3爆破作业
爆破作业时，需根据围岩情况，调整钻爆参数，如表3。
表3爆破参数表
Table 2 Blasting Parameters
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4 施工组织设计
先进可靠的施工技术和方法离不开现场强有力的组织和管理。根据大断面软岩隧道施工工序特点和施工进度要求，现场可建立开挖班、支护班、衬砌班、杂工班4个作业班组，具体人员如表4。
表4 隧道施工机械设备配置情况表
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施工人员必须经专门培训、考核合格后方可上岗，并保持相对稳定。采用多工序平行交叉滚班混合作业方式，并坚持正规循环作业，抓好工序衔接和工时利用。
5 经济技术分析
以现场施工为例，采用此工法前，在2013年4月1日～2013年5月31日的同地质隧道施工期间，施工人员97人，平均月进尺25.3m（其中Ⅴ级围岩13.3m，占52.56%，Ⅵ级围岩12m，占47.43%）。采用此施工方法后，2013年7月1日～2013年9月30日的隧道施工期间，施工人员82人，月进尺32.3m（其中Ⅵ级围岩17.8m，占55.1%，Ⅳ级围岩14.5m，占44.9%）。可见，采用新工法后，每月完成产值可增加65万元，节省人工费用7.5万元。本施工方法在安托山停车场出入线取得的良好效果，具有施工安全，循环紧密，节约资源等优点，不仅保证了施工的安全质量，更能提高施工效率，增加施工产值，有着较好的社会效益和经济效益。
6 结论
（1）合理制定各级台阶长度、高度，既方便大型机械施工，又增加了中、下台阶左右错开距离，既避免了钢架两侧拱脚的同时悬空，又避免了围岩还未稳定就开始施工下一级台阶，将隧道开挖影响控制在最小限度，保证了掌子面稳定性和周边围岩的应力状态。
（2）改进了作业方式，上、中、下台阶同步掘进，使初期支护尽早封闭成环，减小了初期支护拱顶下沉和收敛量，提高施工安全系数。
（3）施工各循环安排紧密，加大机械、人员工作效率，将原开挖法的各施工工序流水作业改为同步施工，缩短了每循环时间，减少掌子面围岩裸露时间，保证了掌子面的稳定性。
（4）取消核心土，制作开挖台架，既极大程度的缩短了开挖爆破作业的时间，又保证了超前小导管施工质量，减小了围岩裸露的时间，提高支护效率，能在开挖后的第一时间进行初期支护施工，极大程度的控制了初期支护拱顶下沉和收敛，保证了施工安全。
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