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【摘 要】 大断面隧道三台阶法施工会造成一定程度的地层变形。在具体施工中，采取超前注浆加固、衬砌背后注浆、锁脚锚杆设置、核心土预留以及控制台阶长度等措施，能够有效地控制地层变形，确保工程质量。
【关键词】 大断面隧道 三台阶法 地层变形 控制措施引言
近年来，我国交通事业飞速发展，越来越多的隧道工程项目陆续上马。在施工中，采用了各种科学的隧道施工方法，其中三台阶法具有独特的优势，被广泛应用。以华子节隧道为例，对大断面隧道三台阶法施工进行分析，探究三台阶施工对地层变形的影响及相应的控制措施。
1 三台阶施工法
大断面隧道三台阶施工法指的是在开挖隧道时，分仰拱与上中下四个部分，同时开挖七个不同相互错开的开挖面，分布同时支护，并形成支护整体，向纵深逐步推进。在三台阶开挖中，采用环形开挖的方式开挖拱部，并预留核心土。中下部开挖时，保持中部土体不动，先开挖两侧。三台阶施工的重点是确保掌子面稳定，其施工需要遵循少分块和快封闭的原则，最大程度地减少地层被扰动的次数与荷载转换的次数。开挖时需要先护后挖，及时支撑，边开挖边支护。以华子节隧道为例，该隧道采用三台阶法施工。
2 三台阶施工对地层变形的影响
大断面隧道三台阶施工，会扰动前进方向的土层，造成土体受损，进而导致不同范围与不同深度的沉降和地层变形。首先，开挖会改变土体的应力状态。掘进隧道时，土体受到的侧压力移向隧道内，造成开挖面土体上部的地层发生沉降。开挖隧道后，将会产生应力重新分布，在二次应力状态下围岩开始向洞内位移。其次，三台阶施工产生一定的扰动。受到注浆、爆破、机器设备运作等的影响，地层会在一定程度上发生变形。第三，初期支护的影响。初期支护需要与围岩共同经历一段变形时期，受到土体压力的作用，柔性支护与衬砌会发生一定程度的变位与变形。而柔性支护与衬砌又反作用于周围土体，从而导致地层发生应当一定程度的变形。第四，土体固结与地下水位下降。土体固结会造成地层变形。隧道施工扰动周围的土层，形成超孔隙的水压力区，在推进开挖面时，会释放土体表面应力，降低孔隙水压力，从而使地层排水固结，进而发生变形。另一方面，地下水位降低会增加地基的有效应力，引发固结沉降，进而导致地层变形。
3 华子节隧道施工中的地层变形控制
华子节隧道燕尾段部分属于大断面隧道，达到186m2，在施工中采用了三台阶施工法。为了有效地控制地层变形，采取了以下控制措施。
3.1 超前注浆加固
在大断面隧道三台阶法施工中，尤其是在软弱围岩地段，超前地质预报与超前预加固是非常必要的。准确地超前地质预报能够为预加固提供客观的数据依据，确保预加固的科学性、合理性以及经济性。注浆是控制地标沉降过大和地层变形的有效措施。隧道注浆有着压密、填充的作用机理。隧道超前注浆能够产生较大的上抬力，顶升地基土体的作用十分明显。科学的注浆能够有效地改良地层：使疏松的地质结构更加均匀、致密；排除存在于土体空隙间的水，逐渐提高土体团结度，提高土体的抗剪强度；降低土体渗透系数，加大土体摩擦角，改善地层性质，保证开挖隧道时不发生涌泥突水现象，不发生坍塌现象等。华子节隧道周边的围岩条件较差，一些地段有着较高的含水量，若是不进行相关的地层顶加固，就会导致地层发生变形，并且难以控制，不利于隧道安全。综合分析施工具体情况，施工造成地层变形大、地下水较为丰富和地层条件较差，是本隧道施工中的主要难点。鉴于此，华子节隧道进行超前注浆加固。超前支护是φ42，环向间距为40cm、管长为4m的超前注浆小导管。华子节隧道超前小导管的搭接长度死1.5m，每2m一循环，注浆压力为0.5Mpa-1.0Mpa。在注浆过程中，对不稳定的部分地段进行参数调整与适当加固。
3.2 衬砌背后注浆
在大断面隧道三台阶法施工中，会发生初衬与围岩不密贴的现象，容易导致局部压力集中，进而破坏衬砌。衬砌背后注浆加固不但能够使地层和隧道结构之间更加密贴，避免发生体量较大的积水、空洞等不良现象，而且能够有效地控制地层变形。注浆能够使周围土体和初衬形成一个整体，并保持稳定的结构。在注浆中，注浆的充分性和均匀性至关重要。大断面隧道三台阶施工中的衬砌背后注浆加固主要可以分成两部分：初期支护背后注浆加固与二次衬砌背后注浆加固。衬砌背后注浆加固的主要目的是补强加固被扰动开挖的地层，填充初衬与二衬之间的空隙、初衬和地层之间的空隙，将二次应力状态快速转变成三次应力状态，促进地层和隧道结构的融合，形成一个整体，进而增强隧道的坚固性。华子节隧道在拱部45度左右、滞后于工作面三米左右进行注浆管埋设，混凝土喷好24小时后就可以进行填充施工。综合分析华子节隧道的具体情况，混凝土喷射第四天后，就应当实施背后低压注浆，并且保持0.3-0.5Mpa的注浆压力，采用水泥单液浆作为主要的浆液，在有水的局部位置适当采用水泥水玻璃双液浆。通常情况下，越早进行壁后注浆，充填率也就越高。
3.3 锁脚锚杆设置
合理设置锁脚锚杆能够有效地降低整体沉降量。华子节隧道工程为了降低拱顶下沉，在三台阶法施工中针对整体下层的情况，采用了设置锁脚锚杆的控制措施。在浅埋段，锁脚锚杆采用长为4m、壁厚为4mm的Φ42无缝钢管，在每处拱脚部位分别设置四根锁脚锚杆。在深埋段，采用长为3.5m、壁厚为3.5mm的Φ42无缝钢管，在每处拱脚部位分别设置两根锁脚锚杆。锁脚锚杆的端部和拱架焊接，并且浇筑C20水泥浆，对各个分部开挖拱脚进行加固。
3.4 核心土预留
大断面隧道三台阶法施工中，一定台阶长度内的拱脚强度较低而内拱部结构没有成型，容易造成稳定性较差的拱部结构。在重新调整地应力的过程中，容易导致结构变形和整体竖向位移。此时，预留部分核心土、加设临时仰拱或加设临时横向支撑，均能够有效的控制地层变形，保证拱部安全。预留部分核心土能够在一定程度上消除掌子面前部的土压力。加设临时仰拱或加设临时横向支撑能够抵挡较大的拱脚部位的土压力，发挥较大的地层变形控制的作用，不过这两种施工措施的施工进度较慢、造价成本较高，施工后期还需要将临时支护去除，因此预留部分核心土施工方式是较佳的选择。华子节隧道三台阶开挖施工，在每个台阶都预留部分核心土。根据开挖断面的围岩情况，确定预留核心土的具体范围，以确保初期支护施工工具能够得到有效地满足。在华子节隧道施工中，预留核心土的宽度是4.2-6.4m，高度是2.0-2.5m。
3.5 控制台阶长度
在大断面隧道三台阶法施工中，台阶长度是一个重要的施工工艺因素。在开挖有着较大跨度的隧道结构时，在未施作临时仰拱的情况下，台阶长度应当尽量控制在1-1.5倍的隧道开挖跨度内。在华子节隧道施工中，施工单位应当合理确定台阶长度，尽量避免出现台阶长度时小时大、频繁变化。华子节隧道施工中，将台阶长度控制在7-9m的范围内，台阶长度波动幅度较小，有利于隧道施工和地层变形控制。
4 结语
综上所诉，在大断面隧道三台阶法施工中，开挖会改变土体的应力状态，产生一定的扰动，造成土体固结与地下水位下降，进而导致地层变形。为了有效地控制地层变形，在施工中就需要采取相应的措施对地层变形的影响因素加以控制。
参考文献
[1] 王明年.三台阶法在高速铁路山岭隧道浅埋段中的应用[J].安徽理工大学学报，2005，25（2）：29-34.
[2] 刘怀恒.软弱围岩隧道双层支护施工控制技术[J].中国铁道科学，2009，25（4）：59-63.
【关键词】 大断面隧道 三台阶法 地层变形 控制措施引言
近年来，我国交通事业飞速发展，越来越多的隧道工程项目陆续上马。在施工中，采用了各种科学的隧道施工方法，其中三台阶法具有独特的优势，被广泛应用。以华子节隧道为例，对大断面隧道三台阶法施工进行分析，探究三台阶施工对地层变形的影响及相应的控制措施。
1 三台阶施工法
大断面隧道三台阶施工法指的是在开挖隧道时，分仰拱与上中下四个部分，同时开挖七个不同相互错开的开挖面，分布同时支护，并形成支护整体，向纵深逐步推进。在三台阶开挖中，采用环形开挖的方式开挖拱部，并预留核心土。中下部开挖时，保持中部土体不动，先开挖两侧。三台阶施工的重点是确保掌子面稳定，其施工需要遵循少分块和快封闭的原则，最大程度地减少地层被扰动的次数与荷载转换的次数。开挖时需要先护后挖，及时支撑，边开挖边支护。以华子节隧道为例，该隧道采用三台阶法施工。
2 三台阶施工对地层变形的影响
大断面隧道三台阶施工，会扰动前进方向的土层，造成土体受损，进而导致不同范围与不同深度的沉降和地层变形。首先，开挖会改变土体的应力状态。掘进隧道时，土体受到的侧压力移向隧道内，造成开挖面土体上部的地层发生沉降。开挖隧道后，将会产生应力重新分布，在二次应力状态下围岩开始向洞内位移。其次，三台阶施工产生一定的扰动。受到注浆、爆破、机器设备运作等的影响，地层会在一定程度上发生变形。第三，初期支护的影响。初期支护需要与围岩共同经历一段变形时期，受到土体压力的作用，柔性支护与衬砌会发生一定程度的变位与变形。而柔性支护与衬砌又反作用于周围土体，从而导致地层发生应当一定程度的变形。第四，土体固结与地下水位下降。土体固结会造成地层变形。隧道施工扰动周围的土层，形成超孔隙的水压力区，在推进开挖面时，会释放土体表面应力，降低孔隙水压力，从而使地层排水固结，进而发生变形。另一方面，地下水位降低会增加地基的有效应力，引发固结沉降，进而导致地层变形。
3 华子节隧道施工中的地层变形控制
华子节隧道燕尾段部分属于大断面隧道，达到186m2，在施工中采用了三台阶施工法。为了有效地控制地层变形，采取了以下控制措施。
3.1 超前注浆加固
在大断面隧道三台阶法施工中，尤其是在软弱围岩地段，超前地质预报与超前预加固是非常必要的。准确地超前地质预报能够为预加固提供客观的数据依据，确保预加固的科学性、合理性以及经济性。注浆是控制地标沉降过大和地层变形的有效措施。隧道注浆有着压密、填充的作用机理。隧道超前注浆能够产生较大的上抬力，顶升地基土体的作用十分明显。科学的注浆能够有效地改良地层：使疏松的地质结构更加均匀、致密；排除存在于土体空隙间的水，逐渐提高土体团结度，提高土体的抗剪强度；降低土体渗透系数，加大土体摩擦角，改善地层性质，保证开挖隧道时不发生涌泥突水现象，不发生坍塌现象等。华子节隧道周边的围岩条件较差，一些地段有着较高的含水量，若是不进行相关的地层顶加固，就会导致地层发生变形，并且难以控制，不利于隧道安全。综合分析施工具体情况，施工造成地层变形大、地下水较为丰富和地层条件较差，是本隧道施工中的主要难点。鉴于此，华子节隧道进行超前注浆加固。超前支护是φ42，环向间距为40cm、管长为4m的超前注浆小导管。华子节隧道超前小导管的搭接长度死1.5m，每2m一循环，注浆压力为0.5Mpa-1.0Mpa。在注浆过程中，对不稳定的部分地段进行参数调整与适当加固。
3.2 衬砌背后注浆
在大断面隧道三台阶法施工中，会发生初衬与围岩不密贴的现象，容易导致局部压力集中，进而破坏衬砌。衬砌背后注浆加固不但能够使地层和隧道结构之间更加密贴，避免发生体量较大的积水、空洞等不良现象，而且能够有效地控制地层变形。注浆能够使周围土体和初衬形成一个整体，并保持稳定的结构。在注浆中，注浆的充分性和均匀性至关重要。大断面隧道三台阶施工中的衬砌背后注浆加固主要可以分成两部分：初期支护背后注浆加固与二次衬砌背后注浆加固。衬砌背后注浆加固的主要目的是补强加固被扰动开挖的地层，填充初衬与二衬之间的空隙、初衬和地层之间的空隙，将二次应力状态快速转变成三次应力状态，促进地层和隧道结构的融合，形成一个整体，进而增强隧道的坚固性。华子节隧道在拱部45度左右、滞后于工作面三米左右进行注浆管埋设，混凝土喷好24小时后就可以进行填充施工。综合分析华子节隧道的具体情况，混凝土喷射第四天后，就应当实施背后低压注浆，并且保持0.3-0.5Mpa的注浆压力，采用水泥单液浆作为主要的浆液，在有水的局部位置适当采用水泥水玻璃双液浆。通常情况下，越早进行壁后注浆，充填率也就越高。
3.3 锁脚锚杆设置
合理设置锁脚锚杆能够有效地降低整体沉降量。华子节隧道工程为了降低拱顶下沉，在三台阶法施工中针对整体下层的情况，采用了设置锁脚锚杆的控制措施。在浅埋段，锁脚锚杆采用长为4m、壁厚为4mm的Φ42无缝钢管，在每处拱脚部位分别设置四根锁脚锚杆。在深埋段，采用长为3.5m、壁厚为3.5mm的Φ42无缝钢管，在每处拱脚部位分别设置两根锁脚锚杆。锁脚锚杆的端部和拱架焊接，并且浇筑C20水泥浆，对各个分部开挖拱脚进行加固。
3.4 核心土预留
大断面隧道三台阶法施工中，一定台阶长度内的拱脚强度较低而内拱部结构没有成型，容易造成稳定性较差的拱部结构。在重新调整地应力的过程中，容易导致结构变形和整体竖向位移。此时，预留部分核心土、加设临时仰拱或加设临时横向支撑，均能够有效的控制地层变形，保证拱部安全。预留部分核心土能够在一定程度上消除掌子面前部的土压力。加设临时仰拱或加设临时横向支撑能够抵挡较大的拱脚部位的土压力，发挥较大的地层变形控制的作用，不过这两种施工措施的施工进度较慢、造价成本较高，施工后期还需要将临时支护去除，因此预留部分核心土施工方式是较佳的选择。华子节隧道三台阶开挖施工，在每个台阶都预留部分核心土。根据开挖断面的围岩情况，确定预留核心土的具体范围，以确保初期支护施工工具能够得到有效地满足。在华子节隧道施工中，预留核心土的宽度是4.2-6.4m，高度是2.0-2.5m。
3.5 控制台阶长度
在大断面隧道三台阶法施工中，台阶长度是一个重要的施工工艺因素。在开挖有着较大跨度的隧道结构时，在未施作临时仰拱的情况下，台阶长度应当尽量控制在1-1.5倍的隧道开挖跨度内。在华子节隧道施工中，施工单位应当合理确定台阶长度，尽量避免出现台阶长度时小时大、频繁变化。华子节隧道施工中，将台阶长度控制在7-9m的范围内，台阶长度波动幅度较小，有利于隧道施工和地层变形控制。
4 结语
综上所诉，在大断面隧道三台阶法施工中，开挖会改变土体的应力状态，产生一定的扰动，造成土体固结与地下水位下降，进而导致地层变形。为了有效地控制地层变形，在施工中就需要采取相应的措施对地层变形的影响因素加以控制。
参考文献
[1] 王明年.三台阶法在高速铁路山岭隧道浅埋段中的应用[J].安徽理工大学学报，2005，25（2）：29-34.
[2] 刘怀恒.软弱围岩隧道双层支护施工控制技术[J].中国铁道科学，2009，25（4）：59-63.