图 1　 多层支护施工工艺流程图

3)施工操作要点

多层支护应由外到内分层实施，分层闭合成环，并应该尽早闭合成环。

(1)第一层支护

开挖完成后，沿开挖轮廓喷射素混凝土，根据围岩稳定性情况确定是否封闭掌子面。

①超前小导管：围岩破碎，节理裂隙发育，可在拱部120°范围设φ42mm超前小导管，注浆固结前方岩体。

超前小导管工艺流程为：导管预制加工→测量导管孔位→钻孔→清孔→安装导管→注浆。

②钢架安装：在加工棚冷弯预制，并试拼大样，确保拱架圆顺。型钢架立时必须严格按照

测量的高程和中线控制线进行，保证钢架的垂直度；各节钢架间通过连接板螺栓连接，螺栓必须拧紧上齐，两榀钢架间通过φ22mm螺纹钢筋或型钢连接，焊缝饱满，焊接牢靠，环向间距一般采用1m。

③钢筋网片：采用φ8mm钢筋网片，在加工棚分块制成钢筋网片。在初喷4cm混凝土后设置，并同锚杆固定牢靠，搭接长度不小于1~2个网格。

④径向注浆锚管：拱墙设置φ42mm小导管径向注浆，一般布设间距为1.5m，梅花形布置，深度2~4m。

径向注浆管工艺流程为：径向注浆管预制加工→测量锚管孔位→钻孔→清孔→安装锚管→注浆。

⑤喷射混凝土：第一层喷C25或C30混凝土，厚度25~30cm，应保证无漏喷、离鼓、裂缝、钢筋网外漏等现象。喷射混凝土分段、分片自下而上进行喷射至设计厚度。

⑥第一层长锚杆或锚索：开挖支护完成一个施工段，施作第一层长锚杆，必要时设置锚索。注意初期支护应该尽快落底封闭成环。需要设置锚索时，要在初期支护施作时预埋Ⅱ16工字钢定位，搭建脚手架操作平台，通过潜孔钻机钻孔，安装锚索，注浆饱满，张拉到位。具体工艺可参照2.2.1节内容。第一层支护如图2所示。

图 2 第一层支护

(2)第二层支护

第一层长锚杆或锚索完成后，根据第一层初期支护监控量测情况，距掌子面一段距离施作第二层支护。第二层支护的钢架型号、间距等参数可根据支护变形的监控量测数据确定。第二层支护应该先施作仰拱，自下而上施作边墙，最后完成拱部支护。第二层支护如图3所示。

图 3　 第二层支护

第二层支护完成后，根据变形控制效果确定是否设置第二层错索。第二层错索主要起到（局部补强的作用。施作第二层长锚索，要考虑第一层支护钢架及纵向分配梁的位置，以免锚索钻孔被钢架阻挡。其施工工艺与第一层支护相同。

(3)第三层支护当需要设置第三层支护时，同样应先施作仰拱，于仰拱左右两端预留钢架接头，接头高于填充面一定距离，并用无纺布包裹，以免被污染，影响后期拱架连接。第三层支护如图4所示。

图 4　 第三层支护

1)机械化大断面施工优势

目前我国高地应力软岩大变形隧道施工速度相对较慢,软岩隧道施工技术水平不高。究其原因,主要是施工机械化程度低,大部分高地应力软岩隧道目前还在采用多台阶、多分部的开挖方法。这种施工方法工序复杂,而且临时支撑的架设和拆除都需要占用大量时间。这就必然造成施工速度缓慢,支护变形不易控制等问题。结合我国目前铁路机械化施工技术的推广,软岩大变形的隧道施工技术也应与时俱进,在大变形控制技术措施设计、施工等方面均应考虑机械化设备的施工优势,逐步由多台阶分步开挖支护向机械化大断面开挖方法过渡。

机械化大断面开挖方法是控制高地应力软岩隧道变形的有效手段之一,能够将隧道一次开挖成型,然后再支护、衬砌。这种方法的优点如下。

(1)开挖分部少，对围岩的扰动次数减少，有利于隧道围岩稳定。

(2)大断面开挖能够为支护创造较大的作业空间，有利于采用大型支护机械作业，缩短支护时间，提高支护质量。

(3)支护结构快速封闭成环，及早发挥支护作用。

(4)工序少，彼此干扰小，作业人员少，便于施工组织的管理。

根据掌子面开挖台阶的高度、宽度的不同，机械化大断面开挖方法可以细分为三种方法：一是掌子面一次开挖成型，不设台阶的全断面开挖法；二是掌子面分为上下两个微台阶、开挖一次完成的微台阶开挖法；三是掌子面分为上下两个短台阶，同时开挖完成的两台阶（带仰拱）开挖法。

2)软岩机械化大断面施工的适用条件

通常高地应力软岩隧道围岩稳定性差，在采用大断面开挖时，要求事先对围岩的稳定性进行初步判别，必要时采取有针对性的工程措施改良或预加固围岩，提高围岩（含掌子面）的整体稳定性后才能实施。具体预判方法和常用加固对策如下。

根据掌子面揭露的地层岩性、节理裂隙发育程度、岩体破碎程度等状况,将掌子面稳定程度进行分类,一般可以分为掌子面暂时稳定、较稳定或不稳定三类,并分别采取不同的预加固工程措施。软弱围岩掌子面预加固措施见表1。

3)全断面法机械化快速施工技术

(1)机械设备配置

铁路软岩隧道机械化大断面法施工机械配套应做到经济适用、整体高效，并根据隧道长度、工期要求、围岩地质条件、断面大小、场地条件等综合因素进行配套方案设计。

实现高地应力软岩隧道快速施工，超前预报、超前支护、开挖及初期支护各工序机械配置应满足以下基本要求。

①超前预报：水平钻探应选用凿岩台车或中快速地质钻机。

②超前支护；超前管棚、小导管、纤维锚杆等施工钻孔设备应使用2~4臂凿岩台车或多功能钻机施工作业。掌子面预注浆作业应配备高压力、大流量、低流速且压力、流量可调式、可传输注浆参数信息的注浆设备。

③开挖作业：凿岩台车钻孔，挖、装、运采用挖掘机、装载机、运渣车配套。

④初期支护：锚杆钻孔采用凿岩台车或多功能钻机；钢架安装采用钢架安装台车或多功能台架；喷射混凝土应使用混凝土湿喷台车。

以上机械设备数量、单机生产能力配套应大于均衡生产能力，最大限度发挥机械设备总体效率。

(2)施工工序

在高地应力软岩地层采用全断面开挖，必须根据掌子面揭露的地层岩性、节理裂隙发育程度、岩体破碎程度等状况，将掌子面稳定程度进行分级，分别采取不同的预加固或预支护围岩措施，当围岩稳定性满足施工要求时，才能进行开挖。全断面法施工工序、三维示意分别如图5、图6所示。

图 5 全断面法施工工序示意图 

1-全断面开挖施工;Ⅰ-超前支护施工;Ⅱ-拱墙及隧底初期支护施工;Ⅲ-仰拱混凝土施工;Ⅳ-填充混凝土施工;Ⅴ-拱墙混凝土施工 

注:图中长度 L 根据现场设备配置和作业空间需求进确行定。

图6  全断面法三维示意图

全断面法施工工艺流程见图7。

图 7　 全断面法施工工艺流程图

(3)施工操作要点

①进尺选定：在对掌子面进行必要的超前预加固后，根据现场实际情况，结合前期初期支护监控量测数据、超前地质预报结果，合理确定开挖进尺，一般开挖进尺0.6~1.5m，

②开挖时应严格控制钻孔深度，掌子面可预留一定坡度，避免掌子面倒悬。

③采用控制爆破或弱爆破，并控制一次同时起爆的炸药量，减小爆破振动对围岩的影响。

④开挖流程；凿岩台车定位→导入钻爆设计→自动钻孔→装药→爆破→排险出渣→分析数据调整钻爆参数→施工下一循环。

⑤隧底与拱墙上部初期支护同步施工，初期支护尽早封闭成环。

4)微台阶法机械化快速施工技术

(1)机械设备配套

原则及基本要求见本节“全断面法机械化快速施工技术”。

(2)施工工序

在高地应力软岩地层采用微台阶法开挖时，与全断面法开挖一样，必须根据掌子面揭露的地层岩性、节理裂隙发育程度、岩体破碎程度等状况，将掌子面稳定程度进行分级，分别采取不同的预加固或预支护围岩措施，当围岩稳定性满足施工要求时，才能进行开挖。微台阶法施工工序、三维示意分别如图8、图9所示。

图 8 微台阶法施工工序示意图 

1-上台阶开挖施工;2-下台阶及隧底开挖施工;Ⅰ-超前支护施工;Ⅱ-拱墙及隧底初期支护施工;Ⅲ-仰拱混凝土施工; Ⅳ-填充混凝土施工;Ⅴ-拱墙混凝土施工。注:图中长度 L 根据现场设备配置和作业空间需求进行确定。

图 9　 微台阶法三维示意图

(3)施工流程

微台阶法开挖及支护作业工艺流程如图10 所示。

图10　 微台阶法开挖及支护作业工艺流程图

(4)施工操作要点

①上下台阶长度、高度确定。台阶长度应控制在3~5m，上台阶高度一般在设计断面高度的1/2~2/3之间。

②开挖时应严格控制钻孔深度，掌子面可预留一定坡度，避免掌子面倒悬。

③微台阶法施工时，上、下台阶应同时钻孔起爆，并同时平行进行支护作业。

④应控制一次同时起爆的炸药量，减少爆破振动对围岩的影响。

⑤初期支护应及早闭合成环。

5)两台阶(带伽拱)法机械化快速施工技术

(1)机械设备配套

原则及基本要求见本节“全断面法机械化快速施工技术”。

(2)施工工序及施工工艺流程

在高地应力软岩地层采用两台阶（带仰拱）法开挖时，与全断面法开挖一样，必须先判别掌子面稳定程度，必要时采取不同的预加固或预支护围岩措施，当围岩稳定性满足施工要求时，才能进行开挖。两台阶（带仰拱）法施工工序及施工工艺流程与微台阶法相似，不再赘述。

(3)施工操作要点

①上、下台阶长度、高度及进尺：台阶长度应控制在6~10m，上台阶高度一般在设计断面高度的1/2~2/3之间，见图11。上台阶每循环开挖进尺一般不大于2榀钢架间距。

②上台阶采用大断面开挖，开挖完成后及时进行拱墙锚杆（索）、钢架和喷射混凝土初期支护，确保围岩稳定。

③上台阶开挖并支护10m后掌子面停止掘进，随即进行下台阶(带仰拱)的开挖支护，开挖后快速进行初期支护钢架安装及喷射混凝土施工。

④下台阶每循环开挖长度一般不大于3m。