有坡度且变断面的隧道开挖技术探讨
关键词：排热风道,台阶,斜坡,变断面控制
1.前言
隧道施工就是要挖除坑道范围内的岩土，并尽量保持坑道围岩的稳定。在坑道开挖过程中，围岩的稳定与否，除了取决于岩体本身的工程地质条件外，开挖方法对围岩的稳定状态也有着直接而重要的影响。在选择开挖方法时，应对隧道断面的大小及形式，围岩的工程地质条件，支护条件，工区长度等进行综合性分析，采取切当有效的开挖方法。一德路站排热风道由于断面小且带坡度，围岩条件良好但机械设备难以投入使用，遂采取上下两台阶法进行施工。
2.工程概况
排热风道为一德路站暗挖通道附属结构通道，设计里程为ZDK9+970.203～995.230，总共含4种断面，两端为水平段，中间为由大断面变小断面的斜挑段，斜挑段坡度为45°，坡度较陡。其中开挖断面宽度最大为5.5m，高度为6.525m，最大开挖面积33.33m2。隧道范围内主要为⑨号围岩(微风化泥质粉砂岩)局部含少量⑧号围岩(强风化泥质粉砂岩)。围岩无断裂现象，呈块状～层状构造，岩质较软。排热风道纵剖面如图2.1所示。
3.隧道施工方法
3.1技术特点
1、台阶开挖法具有较大的工作空间和较快的施工速度，减少对隧道围岩的扰动，有利于开挖面的稳定，尤其是上部开挖支护后，下部断面作业就较为安全。
2、能适应不同断面和多种跨度形式，没有需要拆除的临时支护，节省投资成本。
3、排热风道作为一个仰角45°的上挑通道，埋深最深约为32m，较为靠近珠江，开挖过程中渗水较多;且随着隧道向上开挖，隧道断面会有一个由大而小的过渡(变断面)，埋深也将会越来越浅，出现软弱围岩相间的情况，围岩变化频率较大。采用台阶法便于调整施工方案，对出现的新情况及时作出应对，进度稳定，使工期有保障。
4、由于排热风道是一个上挑通道，使得拱架安装难度增大，台阶法可提供一个较大的操纵空间平台，便于拱架安装。
3.2工艺流程
测量放线
拱部超前支护
上导坑开挖、出碴
下导坑开挖、出碴
下部初期支护
超前地质预报
上部初期支护
围岩监控量测
围岩监控量测
围岩监控量测
围岩稳定性评判、
修正施工方案，确定二次衬砌施作时间
仰拱填充施工
下一工序
仰拱
4.施工工艺
4.1隧道开挖
开挖前须做好探孔工作，在上台阶开挖时进行探孔，探孔布设3个，拱顶中心设置一个，两边间距1.5m各布置一个，探孔深度为2.0m，角度为仰角45°,进行探测，探孔无异常后再进行开挖。开挖主要控制开挖面的超欠挖，根据中线和抄平标高确定开挖断面的轮廓尺寸，关键点是拱顶高度及弧度较大的位置，控制关键点位确保一次开挖到位，开挖时应比设计轮廓线外放5cm左右，使钢拱架能顺利安装且保证初支净空，否则钢拱架节点难以并拢。喷浆前应在格栅节点处预留记号，比如埋一根钢筋头，方便下一榀开挖时有一个参照物，确定开挖轮廓高度，尤其是钢格栅节点位置。开挖班负责人需随时了解开挖进度及净空尺寸，确保不超欠挖。探孔及开挖尺寸控制如图4.1所示。
斜坡段台阶的长度应保证在2～3m，过短上台阶无法形成操作平台，难以进行开挖及立拱架工作;随着台阶的加长，预留核心土使得上台阶操作空间越来越小，开挖激起的灰尘难以排放出去，且对于钢拱架运送也会造成障碍，同样难以进行开挖工作，因此保持在2～3m为比较合理的台阶长度。
4.2格栅拱架到位
斜坡段钢拱架无法一次搬运到安装工作面，比较困难的是上、下台阶这段高差的搬运。此时，应在上台阶拱架上预埋吊环以安装定滑轮，钢拱架人工抬到下台阶掌子面后，再用定滑轮把钢拱架吊上去进行安装就位。上台阶钢拱架分两单元，两单元一长一短，长短相差为50cm，以使钢拱架拱顶节点错开隧道中线位置，且每一环钢拱架的长、短单元应相互错开，避免节点在同一直线上。
钢拱架与围岩之间尽量贴近，当钢拱架与围岩之间有较大的间隙时，加设垫块垫紧。上台阶支护在围岩上的连接板应保持水平，尽量使钢拱架不出现歪扭情况。各节钢架以螺栓连接，连接板应密贴。
4.3砂浆锚杆注浆及安装
锚杆注浆安装前须先做好材料、机具、脚手平台和场地准备工作，注浆材料使用硅酸盐或普通硅酸盐32.5水泥，粒径小于2.5mm的砂子，并须过筛，胶骨比1:0.5～1:1，水灰比0.38～0.45，砂浆标号不小于M20。
砂浆锚杆作业程序是：先注浆，后放锚杆，具体操作是：先将水注入牛角泵内，并倒入少量砂浆，初压水和稀浆湿润管路，然后再将已调好的砂浆倒入泵内。将注浆管插至锚杆眼底，将泵盖压紧密封，一切就绪后，慢慢打开阀门开始注浆。在气压推动下，将砂浆不断压入眼底，注浆管跟着缓缓退出眼孔，并始终保持注浆管口埋在砂浆内，以免浆中出现空洞，将注浆管全部抽出后，立即把锚杆插入眼孔，然后用木楔堵塞眼口，防止砂浆流失。
锚杆孔中必须注满砂浆，发现不满须拨出锚杆重新注浆。注浆管不准对人放置，以防止高压喷出物射击伤人。
砂浆应随用随拌，在初凝前全部用完，使用掺速凝剂砂浆时，一次拌制砂浆数量不应多于3个孔，以免时间过长，使砂浆在泵、管中凝结。
4.4砼喷射
4.4.1喷射前准备
1、喷射前应对受喷岩面进行处理。用高压风吹净岩面，喷射混凝土前，先喷一层水泥砂浆，待终凝后再喷射混凝土。
2、设置控制喷射混凝土厚度的标志，一般采用埋设钢筋头做标志，亦可在喷射时插入长度比设计厚度大5cm的铁丝，每1～2m设一根，作为施工控制用。
3、若遇受喷面有涌水、渗水或潮湿的岩面，喷射前应按不同情况进行处理。
⑴大股涌水宜采用注浆堵水后再喷射混凝土。
⑵小股水或裂隙渗漏水宜采用岩面注浆或导管引排后再喷射混凝土。
⑶大面积潮湿的岩面宜采用粘结性强的混凝土，如添加外加剂、掺合料以改善混凝土的性能。
4.4.2混凝土搅拌、运输
湿喷砼搅拌采取全自动计量强制式搅拌机，施工配料应严格按配合比进行操作，速凝剂在喷射机喂料时加入。拌合物需搅拌均匀，不产生结团，搅拌时间通过现场搅拌试验确定。搅拌好之后通过竖井下料管进行下料，隧道下采用专用料斗车接应，卸料区要保证干净平整。混凝土随拌随运，过多容易受潮，少了无法保证供应，应根据喷射进度及时提供。
4.4.3喷射作业
1、喷射操作程序应为：打开速凝剂辅助风→缓慢打开主风阀→启动速凝剂计量泵、主电机、振动器→向料斗加混凝土。
2、喷射混凝土作业应采用分段、分片、分层依次进行，喷射顺序应自下而上。喷射时先将低洼处大致喷平，再自下而上顺序分层、往复喷射。
⑴喷射混凝土分段施工时，上次喷混凝土应预留斜面，斜面宽度为200～300mm，斜面上需用压力水冲洗润湿后再行喷射混凝土。
⑵分片喷射要自下而上进行并先喷钢架与壁面间混凝土，再喷两钢架之间混凝土。边墙喷混凝土应从墙脚开始向上喷射，使回弹不致裹入最后喷层。
⑶分层喷射时，后一层喷射应在前一层混凝土终凝后进行，若终凝1h后再进行喷射时，应先用风水清洗喷层表面。一次喷混凝土的厚度以喷混凝土不滑移不坠落为度，既不能因厚度太大而影响喷混凝土的粘结力和凝聚力，也不能太薄而增加回弹量。边墙一次喷射混凝土厚度控制在7～10cm，拱部控制在5～6cm，并保持喷层厚度均匀。顶部喷射混凝土时，为避免产生堕落现象，两次间隔时间宜为2～4h。
3、喷射速度要适当，以利于混凝土的压实。风压过大，喷射速度增大，回弹增加;风压过小，喷射速度过小，压实力小，影响喷混凝土强度。因此在开机后要注意观察风压，起始风压达到0.5MPa后，才能开始操作，并据喷嘴出料情况调整风压。一般工作风压：边墙0.3～0.5MPa，拱部0.4～0.65MPa.
4、喷射时使喷嘴与受喷面间保持适当距离，喷射角度尽可能接近90°，以使获得最大压实和最小回弹。喷嘴与受喷面间距宜为1.5～2.0m;喷嘴应连续、缓慢作横向环行移动，一圈压半圈，喷射手所画的环形圈，横向40～60cm，高15～20cm;若受喷面被钢架、钢筋网覆盖时，可将喷嘴稍加偏斜，但不宜小于70°。如果喷嘴与受喷面的角度大小，会形成混凝土物料在受喷面上的滚动，产生出凹凸不平的波形喷面，增加回弹量，影响喷混凝土的质量。
5、喷射混凝土终凝2小时后，应进行养护。采用喷雾养护，养护时间不小于14d。
6.结语
排热风道虽然只是一项小工程，但由于坡度大，开挖操作困难，且多处断面变化使工况变的更为复杂，施工中稍不注意就可能出现问题。因此每道工序，每个环节我们都应该严格控制，把工程一次性做好做完美，不拖后续工作的后腿，成为安全与质量均无问题的优质工程。
参考文献
[1] 吴焕通.崔永军.隧道施工及组织管理指南[M].北京：人民交通出版社，2004.
[2] 沈鸿雁.丁润泽.公路工程工法汇编[M].北京：人民交通出版社，2010.
[3] 韩同银.刘庆凡.建设项目施工组织与管理[M].北京：中国铁道出版社，2005.
