环形开挖预留核心土法施工工艺工法

QB/ZTYJGYGF-SD-0103-2011

第五工程有限公司李阳刚

1.前言

1.1工艺工法概况

环形开挖预留核心土法施工，可以有效地避免洞身开挖造成较大的收敛和下沉,为近早突破软弱围岩地段加快了进度。该工法在我国郑西客专秦东隧道、浙赣复线新羊石大跨软岩隧道、深圳盐坝高速公路B段溪涌隧道、宁夏沙坡头水利枢纽北干渠输水隧洞等工程中都得到广泛应用。

1.2工艺原理

按照“新奥法”原理，遵循“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”原则，着眼于“如何开挖，才能更有利于洞室的稳定和便于支护”：一方面，“环形开挖”将“面”拓展到“点”，减少软弱围岩大范围开挖而引起的扰动，加之利用“预留核心土”来支顶工作面，从而达到充分保护岩体的目的；另一方面，按照洞室开挖后岩体受力特点，利用环形开挖预留的作业空间及时进行支护，充分利用支护结构来岩体的变形，保证岩体不致过度松弛而丧失或降低岩体的承载能力。

2工艺工法特点

2.1施工难度小。由于“化面到点”，工序简单，各部位开挖及初支较容易控制，施工难度降低。

2.2降低施工成本。与双侧壁导坑、CRD工法相比,大大节省了临时钢架和临时喷射混凝土，省工省料。

2.3施工安全有保障。核心土支顶工作面，稳定性好；开挖均在支护的保护下进行；短进尺及设备的利用缩短了围岩的暴露时间；工序少、工序之间距离短，能尽早使初期支护封闭成环，发挥支护效应。

2.4加快了施工进度，容易转换工序。与双侧壁导坑、CRD工法相比，无临时支护，节省了拆除临时支护的时间，所以当围岩变化时候，容易转换工序。

2.5本工法可灵活应用。单独使用时，错台的高度可根据实际围岩情况，进行灵活调整，其工法核心内容之一“预留核心土”亦可广泛应用在台阶法、双侧壁导坑法、CRD法等工法的分部施工中。

3适用范围

本工艺工法适用于黄土隧道、隧道洞口、具“浅埋、富水、偏压、大跨”特征和典型的Ⅳ、Ⅴ级围岩软弱地段，对其他类似地下工程亦有借鉴意义。

4主要引用标准

4.1《高速铁路隧道工程施工技术指南》（铁建设【2010】241号）、《铁路隧道工程施工技术指南》（TZ204）、《铁路隧道工程施工质量验收标准》（TB10417）、《铁路工程测量规范》（TB10101）、《公路隧道施工技术规范》（JTGF60）、《公路工程质量检验评定标准》（JTGF80/1）。

4.2设计图纸、合同文件。

5施工方法

环形开挖预留核心土法是在上部断面以弧形导坑领先，并进行支护，其次开挖下半部两侧，再开挖中部核心土的方法。为方便采用机械化作业，提高开挖进度，施工中应尽量采用大断面分部。本工法的实质，可以认为是在“微台阶法”的基础上增加“预留核心土”内容。

在施工时，环形开挖预留核心土每循环开挖进尺宜为0.5～1m，预留核心土面积的大小应满足开挖面稳定的要求，不宜低于开挖断面面积的50%；开挖完成后及时施作喷、锚支护，安装钢支撑，每两榀钢架之间应采用钢筋连接，并应加锁脚锚杆（管）；上部弧形，左右侧墙部，中部核心土开挖各错开3～5m平行作业；仰拱施工紧跟下台阶，全断面初期支护完成距离拱部开挖面不宜超过30m。当地质条件差，围岩自稳时间较短时，开挖面在拱部设计开挖轮廓线外，进行超前支护。

6工艺流程及操作要点

6.1施工工艺流程

施工工艺流程图见图1、施工顺序图见图2

图1环形开挖预留核心土法施工工艺流程图

图2环形开挖预留核心土法施工顺序图

6.2操作要点

6.2.1施工准备

1风水管、电线敷设，施工便道、施工场地布置，机械设备、人员配置，材料准备，修建环保、水保、防排水设施。

2根据设计资料，详细分析、了解工程地质、当地水文情况，制定合理的施工方案和施工措施，制定施工监控量测方案及沉降观测计划。

3按照设计或规范要求做好超前地质预报工作，指导现场施工。

6.2.2超前支护

采用的超前支护方式有超前大管棚、超前小导管（预注浆）、超前锚杆等，超前大管棚多用在洞口段施工，洞内因受操作空间的，非必需情况下一般不提倡采用。洞内一般采用超前小导管或超前锚杆。施工时，应严格按照技术要求布眼，掌握好超前外插角度，根据现场实际情况，调整外插角度。相邻段的搭接长度应符合设计及规范要求，支护尾部必须与钢支撑焊接牢固，注浆施工应严格按照设计配合比施工，并控制好注浆压力。

6.2.3开挖

环形开挖预留核心土法施工，主要采用挖掘机开挖，人工及风镐或解小炮配合修整开挖面。

1拱部环形开挖。核心土顶面距离开挖拱顶高度宜控制在1.5m左右，核心土断面宜按照环形开挖断面积50%、方便人员操作进行控制；环形开挖高度根据实际围岩情况，结合钢支撑加工尺寸自行拟订，应方便人员操作，宜控制在3.5～4.0m；开挖循环进尺宜按照2榀钢支撑间距进行控制，一般0.5～1m。

2开挖拱部核心土。

3侧墙开挖，左右错开，错开距离宜为3～5m；单侧一次开挖进尺不大于1.5 m，宜按照2榀钢支撑间距控制；开挖作业宽度1.5～2.0m，中间暂留核心土。

4开挖中间核心土。

5开挖仰拱。全幅开挖，采用栈桥保持通行。仰拱钢支撑和边墙下部钢支撑通过焊接连接牢固。

6.2.4初期支护

每次开挖后都应及时进行初期支护，做到“早喷锚”。初期支护施工顺序为：初喷混凝土→打设系统锚杆→挂网→架立钢支撑→打设锁脚锚杆（管）→复喷混凝土至设计厚度。

初喷混凝土厚度4～5cm，用于找平、封闭岩面，防止围岩应力集中及松弛变形。喷射混凝土进行时，应连续进行，并掌握好风、水压，以确保喷射混凝土强度及整体性。

锚杆施工时，应通过测量定位，保证其纵向间距与钢支撑间距一致，并处于同一法线，以便锚杆安装好后与钢支撑焊接在一起，形成整体受力结构。锁脚锚杆的作用是防止拱墙脚初期支护受力后下沉及内移，在施工中不能减少，应加强。

网片按照设计要求加工，挂设牢固。

钢支撑架立，应按照设计尺寸架立，接头用螺栓连接固定，必要时候进行焊接连接。纵向连接钢筋的间距、焊接严格按照设计及规范要求进行，以保证初支的整体性，在特别松软地层，拱墙脚可设置型钢托梁，以增强整体性及避免不均匀沉降引起初期支护开裂或变形过大。

6.2.5仰拱灌注及回填

隧道拱部压力大，初期支护成环后，拱部压力通过初期支护向下传递，仰拱中部受力最大，仰拱开挖后，及时进行仰拱灌注及回填是改变仰拱受力的主要手段，同时也是保证洞内运输的需要，因此仰拱二衬应紧跟开挖进行。

6.2.6监控量测

监控量测，可掌握围岩变化规律及支护结构的力学状态和稳定程度，判断支护参数设置是否合理，因此必须加强监控量测，切实做到“勤量测”。主要施工监测项目见下表1：

表1监控量测项目表

7劳动力组织

采用环形开挖预留核心土法施工，由于循环进尺短，工序衔接紧凑，合理地配置人员可以起到减少资源、加快工序施工的作用。某单个工作面劳动力单班作业配置见表2，供参考。

表2某单工作面作业劳动组织表（单班）

环形开挖预留核心土法施工，合理安排机械不但可以加快施工进度同时还可以节约施工成本。

根据机械工作能力和实际工作量，某单个工作面单班作业主要机械配备如表3，供参考。

表3单个开挖面机械设备配备表

9.1易出现的质量问题

9.1.1富水等地段容易发生坍塌掉块，变形大。

9.1.2钢支撑安装，连接质量不牢靠、锁脚质量差、设计净空尺寸不能保证。分部施工,增加了对支护的扰动频率，钢支撑易产生下沉。

9.1.3开挖步距过大，闭环时间过长，钢架发生变形。

9.1.4超前注浆效果较差造成局部坍塌；超前支护搭接长度不足造成局部坍塌；管棚（导管）角度控制不好造成局部坍塌。

9.2保证措施

9.2.1施工中对有缝隙水出露地段，应加强引排，绝不允许浸泡基底。

9.2.2视情况通过采用放大拱脚、墙脚，增加沉降预留量等来保证净空尺寸满足设计要求。

9.2.3钢架连接必要时采用焊接连接，锁脚锚杆（管）采用加设、增长、尽量径向打设，尾部与钢架焊接，钢架脚板必要时设置混凝土基础。

9.2.4错台开挖时，钢架脚板位置，尽量采用人工处理，避免机械碰撞扰动。

9.2.5严格控制错台长度和工序循环开挖进尺。

9.2.6严格施工技术交底制,对作业人员定期进行质量教育和考核,教育作业队人员严格按设计及规范要求施工,确保施工工程质量。

9.2.7加强监控量测，及时反馈信息，提高应变能力。

9.2.8钢架、锚喷网支护要紧跟开挖进行，确保施工安全。

9.2.9钢架安装间距误差要求在±10cm内，锚杆间距误差在±15cm内，锚杆长度不小于设计长度的95%，钢筋网片搭接长度误差在±5cm内，钢架安装垂直度误差在±2°内，型钢、网片、连接管之间焊接的焊缝应饱满且不应有假焊、漏焊现象。

掌子面与仰拱之间距离不大于30m，仰拱与衬砌之间距离不大于30m。

严格按配合比施工，控制好水灰比，控制和使用各种添加剂。

施工时应做好防水和引排水工作，防止钢架脚板被水软化，引起过大下沉。

10安全措施

10.1主要安全风险分析

隧道开挖要注重塌方、突水（泥、石）、大变形等安全风险的评估，提出相应的风险处理措施，编制施工应急预案。

10.2保证措施

10.2.1每次开挖后应派专人进行检查，处理危石、悬石，并设人监护。确认安全后，其他人员方准进入作面。做好洞内防尘，降低粉尘浓度。

10.2.2施工中应严格控制循环进尺和施工步距，掌子面到仰拱距离保持不超过30m，仰拱到二衬距离保持不超过30m。

10.2.3施工时应严格按照设计要求挖大拱脚并安装好锁脚锚杆（管），严格控制钢架下沉。

10.2.4施工中发现不安全因素时，应暂停开挖，加强支护措施。

10.2.5认真做好临时支护变形的观察、量测，并认真做好记录和数据处理工作，及时反馈，做好信息化施工。

10.2.6加强洞内电力、通风、排水管线路的管理，防止漏电、漏风伤人。

10.2.7认真落实施工应急预案，现场配备必要的抢险机械、物资，并应进行针对性演练，出现问题迅速采取措施，减少影响和损失。

11环保措施

11.1控制炸药爆炸产生的有害气体和粉尘含量，减少对空气的污染，节约炸药等能源的消耗。

11.2采用分部开挖，充分利用人力和小型机具，减少大型设备数量，从而减少油料的消耗，达到节能、减排的要求。

11.3优化设计支护参数，节约锚杆和混凝土的数量，从而节约建筑材料，起到节约能源的目的。

11.4隧道洞口和弃土场等及时修建挡护和排水系统，做到先挡后弃，防止水土流失，对环境造成影响。

11.5施工废水采取沉淀、过滤后达标排放。

12应用实例

12.1工程简介

本工法在郑西铁路客运专线秦东隧道和宁武高速西铭隧道都有运用。

郑西铁路客运专线秦东隧道全长7684m，设计为双线大跨黄土隧道，开挖宽度15.2m，开挖高度13.18m，开挖面积163.08㎡，隧道围岩为黄土地质。秦东隧道设计DK333+520～DK338+620、DK338+670～DK338+690段共计5120m为Ⅳ级围岩，该段上台阶采用环形开挖预留核心土法施工。

宁武高速公路西铭隧道全长1243m，设计为分离式单向双车道双线隧道，开挖宽度12.40m，开挖高度10.10m，开挖面积102.8㎡，该隧道左右线洞口段均采用了环形开挖预留核心土法施工。

12.2施工情况

秦东隧道设计DK333+520～DK338+620、DK338+670～DK338+690段共计5120m为Ⅳ级围岩，采用环形开挖预留核心土法施工，2005年8月开工，2008年10月竣工。

宁武高速公路西铭隧道2009年9月开工，历时1个月完成了洞口段约100m的施工任务。

12.3工程结果评价

该工法在上述两个隧道施工中均加快了施工进度，确保了施工安全，在秦东隧道应用中，克服了黄土隧道沉降变形，加快了施工进度。

在西铭隧道施工过程中，顺利的穿越了洞口浅埋段，为进洞施工创造了有力条件。

12.4建设效果及施工图片

图3环形开挖预留核心土法开挖整体效果