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1、大断面黄土隧道三台阶七步开 挖法施工技术作者:日期:大断面黄土隧道三台阶七步开挖法施工技术文M韦：中铁三局集团有限公司桥隧工程分公司，工程师，河北邯郸，056003摘 要：针对西（安）平（凉）铁路中咀1号隧道地质结构，分析对比 中隔壁法、 交叉中隔壁法、双侧壁导坑法和三台阶七步开挖法的主要技术特点，确定施工方案和采用三台阶七步开挖法进行施工。介绍三台阶七步开挖法施工工艺及原理， 论述上台阶开挖支护、中台阶左侧和下台阶右侧边墙开挖支护、仰拱开挖支护和施工注意事项。分析施工重点，提出监控量测、超前支护、及时封闭仰拱、及时 封闭二次衬砌永久支护、加设锁脚锚杆、预防塌方等安全保证措施，以及质量保证措施
2、。关键词：大断面黄土隧道；三台阶七步开挖法；施工工艺；西平铁路西（安）平（凉）铁路正线全长263。1 km，为国家I级电气化单线铁路，设 计时速120 km,货运量为3000万t/年，单向客运量为160万人/年。西平铁路连 接陇海、宝中两条重要的铁路干线，建成后可兼顾部分省际及地方客货运输，建设工期4年.西平铁路第一标段的中咀1号隧道全长 1158 m，呈南高北低走势，周边冲 沟发育，切割深度50200 m，小型冲沟较多，大型冲沟进出口各有一个。冲沟两 侧坡面较陡，沟内小型浅层高度滑坡、错落发育，多有溜坍、坍塌.隧道地处黄土残塬区，地质结构复杂，地表主要为第四系上更新统及中更新统黏质黄土，具W
3、级自重湿陷性，湿陷土层厚度约 2040m.隧道进出口段埋深小于20m的地段 均位于湿陷性土层范围内，对工程影响较大。隧道洞身为黏质黄土，棕黄、棕红 色，具大孔隙结构，粉土质，夹数层古土壤层，具垂直柱状节理，具有自重湿陷性。1施工方案与方法确定黄土隧道工程地质条件较差，施工断面大，确立施工方案必须遵循以下原则： 重地质、管超前、短开挖、强支护、快封闭、早成环，主要开挖方法有 中隔壁法 （CD法）、交叉中隔壁法（CRDS）、双侧壁导坑法、三台阶七步开挖法等。CD法、CRD法或双侧壁导坑法的各部开挖及支护自上而下，步步成环，及时封闭,各分部封闭成环时间短，但分布较多，施工速度慢，不利于机械化作业，后
4、 面的开挖和拆除支护将对前面施工形成的力学平衡体系产生影响，围岩应力状态多次改变，可能出现较大的变形量。其施工面多，作业干扰大，拆除临时支撑时 安全性差。三台阶七步开挖法在隧道开挖过程中分上、中、下台阶和仰拱4部分，前后左右7个不同的开挖面相互错开并同时开挖，同时支护，形成支护整体，缩短作业循环时间，逐步向纵深挖掘.其实质为台阶法的一种，拱部采用环形开挖预留核 心土，利用核心土施压掌子面，中部和下部也是先开挖两侧，保持中部土体不动， 保证掌子面稳定。三台阶七步开挖法主要技术特点如下。（1）施工空间大，大型施工机械可多个作业面平行施工，工效高。部分软岩地 段可采用挖掘机直接开挖下半部断面，减少对
5、围岩扰动。（2）在地质结构复杂多变、软硬围岩相间的隧道施工中，施工方法调整灵 活，进度稳定，工期保障性强。（3）适应不同跨度和多种断面形式，不需拆除临时施工支护，节省投资。（4）混凝土仰拱超前施作，便于初期支护及时闭合不承载，改变洞内作业、 运输环境。（5）全断面一次施作防水层和灌筑混凝土衬砌， 确保混凝土衬砌施工质量。（6）无需增加特殊设备，投入少，操作性强，易推广。通过对施工方法的分析比选，确定中咀1号隧道采用三台阶七步开挖法开 挖.2施工原理及工艺三台阶七步开挖法为平行流水作业，采用分步平行开挖和施作拱墙初期支护 仰拱超前施作及时闭合，构成稳固的初期支护体系，保护围岩的天然承载力，有 效
6、抑制围岩变形，并通过量测监控系统信息反馈，指导施工和及时调整支护参数 与混凝土衬砌时间.在断层带、破碎带等自稳性较差地层和富水地层中， 采用小导管预注浆固结、 止水等辅助施工措施，采用上部弧形导坑法短开挖施作拱部初期支护后，再左右错位开挖及进行边墙初期支护，下台阶立即进行仰拱施作，尽早闭合成环构成支 护体系。三台阶七步开挖法施工工艺以机械为主， 人工辅助修边。上台阶每循环开挖进尺 为I榀钢架距离（0。8 m），高度约3。9 m，台阶长度控制在35 m,核心土距 拱顶1。52。0 m,其两侧距开挖面约2 m;中台阶开挖高度约4.5 m，台阶长度控制在34 m；下台阶开挖高度约2 m。上台阶钢拱架
7、由3个单元组成，避 免连接部位在拱顶，各单元钢架之间采用 16mm厚的钢板通过4套M20高强螺栓 连接。三台阶七步开挖法工艺流程见图1。超前小导丨开挖弧形 T开挖左右 T开挖左右&挖仰拱 立设拱部I I立设钢架Lf立设钢架L匕设钢架 锚杆、网I I锚杆、网H锚杆、网拱部喷混匚部台阶、部台阶仰拱喷混孑/ 、1 1 1丿H n 11 -FyH 11-1 1 11 -vy-1拱墙衬一拱墙钢；拱墙防.仰拱钢筋图1三台阶七步开挖法工艺流程2。1 施工步骤2。1。1上台阶开挖支护(1) 在隧道拱部130范围打设0 42 mmg前小导管。相关施工参数：壁厚 3。 5 mm,L=3.5 m,环向间距40 cm
8、,外插角510，搭接长度1.0 m.(2 )利用挖掘机开挖上台阶,每循环开挖长度控制在0。81.0 m,即1榀钢架 的距离,开挖后人工修边，及时喷射4 cm厚混凝土，封闭作业面.(3) 初喷后打设系统锚杆和挂设钢筋网片。系统锚杆采用0 22 mm药包锚杆， 长4n，间距I m x 1 m,梅花形布置。钢筋网片采用0 8 mm钢筋，网格间距20 cm X 20 cm。(4) 架设I20b型钢钢架，上台阶分3节安装，环向用钢板螺栓连接，纵向用 0 22钢筋连接，环向间距1.0 m，超前小导管尾端焊接在钢架上。(5) 钢架安装完毕后进行锁脚锚杆施工，锁脚锚杆采用0 22 mm钢筋，长度4.0 m每处
9、设置2根。(6) 在钢架、锚杆和钢筋网施工后，及时复喷C25混凝土，其厚度应达到设计 要求,上台阶施工完成形成承载拱。2。1。2中台阶左侧和下台阶右侧边墙开挖支护(1) 上台阶超前中台阶35 m后，交错开挖中台阶左侧和下台阶右侧边墙， 每次开挖控制在12榀,左右两侧的初期支护不同时处于悬空状态。中台阶开挖 高度约4.5 m,应分上下两次开挖，便于人工修边和对上台阶初期支护底部修凿。 此期间挖掘机开挖下台阶。当中台阶上部修边和上台阶初期支护底部修凿结束后，继续开挖中台阶下部。(2) 中台阶下部修边结束后，及时喷射 4 cm厚混凝土，封闭作业面。(3) 初喷后打设系统锚杆和挂设钢筋网片。系统锚杆采
10、用 0 22 mm药包锚 杆，长4 m,间距I m x I m，梅花形布置.钢筋网片采用0 8 mm钢筋，网格间距 20 cmX 20 cm。(4) 及时安装拱架，复喷混凝土。中台阶长度控制在34 m。中台阶右侧和下台阶左侧边墙开挖支护方法同上，故不在赘述。2.1。3仰拱开挖支护下台阶开挖达到25 m时进行仰拱开挖。仰拱分两次开挖，每次开挖 3 m后 立即进行仰拱初期支护，完成一个仰拱施工长度后，及时浇筑仰拱混凝土，随后搭 设仰拱栈桥，继续开挖前方掌子面。2。2施工注意事项(1) 为保证钢架设置稳固，钢架基脚部位地基应坚实，架立钢架时挖槽就 位.(2) 钢架平面应垂直隧道中线，倾斜度不应大于2
11、，钢架任何部位偏离 铅垂面不能大于5 cm。(3) 为增强钢架整体稳定性，应将钢架与纵向连接筋、系统锚杆、定位筋 和锁脚锚杆焊接牢固.（4）钢架连接接头要连接牢固，拱脚部位易发生塑性剪切破坏，因此接头 除采用螺栓连接外，四周还要焊接，确保其刚度和强度 （5）钢架和初喷层间存在较大间隙时，设置骑马或楔形垫块顶紧围岩，钢架 与围岩间距不应大于5 cm。3施工重点（1）浅埋和含水量较大地段设置超前小导管，根据开挖情况减小环向设置间 距,直到消除拱部开挖掉块现象为止.深埋和地质情况较好地段开挖时无掉块现 象可不设。（2） 开挖时严格控制欠超挖，机械开挖时应预留 30 cm由人工开挖，减少对 围岩的扰动
12、，并保证岩面圆顺，及时初喷 4 cm混凝士以封闭暴露围岩，增强岩 体整体性，为初期支护后续工作争取安全时间。（3）严格控制钢架加工质量，减少安装拼接时间，保证安装质量。钢架间 应连接牢固，必要时可加焊钢筋。（4）设置锁脚锚管是保证初期支护安全的重要措施.试验和量测表明，在拱 脚和墙脚位置，初期支护受到较大竖向压力和侧向压力，锁脚锚管可保证工字钢受到侧向力时不向洞内位移，同时起到抑制拱架整体下沉作用，保证初期支护结 构在施工过程中受力稳定。根据实际变形情况，每分节处锚管可由设计的2根增 为4根，同时应确保锁脚锚管与钢架的焊接质量。（5）扩大拱墙脚是减少拱顶下沉量的有效措施。 扩大拱墙脚增大承压面
13、积， 有利于施工过程中竖向压力的传递，也有利于该节点横向受力的稳定。实际施工中，上台阶拱脚宽度由设计的80 cm扩大为100 cm,下台阶墙脚由设计的50 cm 扩大为80 cm,另外增设中台阶扩大拱脚，宽度为 80 cm。（6） 在拱墙脚下垫设槽钢或混凝土垫块，以增大地基承载力 ，减小初期支护 闭合前的整体下沉量。（7）加密初期支护钢架的纵向连接钢管，提高钢架间整体受力能力，可将设 计环向间距由1。0 m调为0.8 m.（8）喷锚时钢架背面应与围岩喷实密贴，不密贴时可采用同级混凝土垫块 填塞或采用注浆，保证初期支护钢架背面无空洞，使钢架与围岩形成联合支护体 共同受力。（9）仰拱及时施作是确保
14、初期支护安全的根本措施，仰拱及填充混凝土要及时浇筑，与掌子面间的距离不得大于规定的安全距离，一般控制在35 m以内，尽早封闭成环，有利于形成完整的初期受力体系.及时跟进二次衬砌施工，有利于尽早形成完整的隧道受力结构， 一般控制在距掌子面70 m以内,特殊地段单独 考虑。（10）适当预留开挖变形量，施工前期预留变形量 15 cm在施工工艺及措施 优化基础上，通过监控量测及时进行调整。（11）合理控制步长,上台阶步长控制在35 m,中台阶34 m上台阶每次 开挖1榀钢架距离，中、下台阶可根据地质情况一次开挖 12榀钢架距离，仰 拱开挖每次控制在35 m。4安全保证措施（1）监控量测。隧道施工中，从
15、第一组衬砌开始，在一个断面内的拱顶和拱脚处设置7个观测点，采用收敛计和水平仪观测拱脚水平收敛和拱顶下沉量 . 随着隧道施工进程，每隔10 m为一个观测断面，最前端的观测断面紧跟掌子面。 根据观测结果，适当调整预留沉降量，保证了二次衬砌厚度。施工中监控量测应注 意的事项如下：一是为获取开挖后围岩早期状态变化数据，观测点应尽量靠近开挖面布置(不大于2 m)，开挖后24 h内或下次开挖前，读取初次数据.二是周边 收敛、拱顶下沉和地表下沉观测点应尽量集中在断面布设，以便量测结果的分析和综合运用。三是量测时，拉出钢尺(拉出长度大于量测基线)在环境气温下停放20 min后进行量测.四是采用台阶法开挖时，下
16、半断面开挖靠近上半量测断 面时，适当增加量测次数。(2) 超前支护。为保证开挖工作面稳定，防止开挖时出现坍塌，针对中咀1号隧道黏质黄土的特点，施工采取了在拱墙打设超前小导管的超前支护措施。 其直径42 mm，长3。5 m，环向间距40 cm，外插角5 10 .首先将工作面整 平，紧贴工作面支设一榀型钢钢架，用锁脚、定位锚杆将其固定，沿断面外轮廓设置一环超前小导管，其尾端与钢架焊为一体。隧道内纵向间距2.4 m设置一环小导管，其尾端与钢架焊为一体，每排小导管搭接长度1.1 m。(3) 及时封闭仰拱及施作二次衬砌。根据量测，一次混凝土初期支护完成后，为避免继续变形，应及时封闭仰拱并施作永久支护二次
17、衬砌(4) 加设锁脚锚杆拱脚每侧加设2根锁脚锚杆。锚杆为 22 mm钢筋，长4 m。(5) 预防塌方。开挖过程中应遵循短开挖、强支护原则，随时观察土质情 况，发现土质疏松、节理发育，应调整循环进尺，加密管棚钢管数量，及时进行 一次衬砌，缩短开挖与衬砌间隔时间。如果发生塌方，必须用同强度等级混凝土 填塞密实。5质量保证措施(1 )严格控制超前支护的外插角(2 )严格执行喷射混凝土工艺，按配合比拌制混凝土料，控制外加剂掺量。新旧混凝土面清洗至露出本色，不能有泥土或杂物，应分层喷射，以保证喷射混 凝土质量。(3) 保证拱架连接质量和连接筋的焊接质量。(4) 确保钢筋网与围岩紧密相贴，钢筋网必须连接牢
18、固，以免喷射混凝土 时钢筋网振动，降低喷射质量.(5) 保证核心土的几何尺寸。(6) 清除拱脚积水与淤泥，采用增设拱脚锚杆或扩大拱脚、加强纵向联结 等措施，使初期支护与围岩形成完整体系.(7) 为避免上半断面两侧拱脚同时悬空，应尽量单侧落底或双侧交错落底， 并控制落底长度，视围岩情况可为13 m,最长不能大于6 m.(8) 减少上、下台阶施工相互干扰，并及时圭寸闭成环.(9) 合理制定每道工序工时间，严格按标定时间施工，减少开挖面土体暴露 时间。(10) 及时监控量测围岩，观察拱顶、拱脚收剑情况，据此调整初期支护参 数.6结束语通过研究大断面黄土隧道施工特点，结合理论计算，在中咀1号隧道采用三 台阶七步开挖法进行试验段施工， 取得大量试验及量测数据，并及时总结和进行 论证，解决了施工中诸多技术难题，施工有序可控 ，确保了施工安全，实现了大 断面黄土隧道快速掘进，工期得到保证。施工中采用的新工艺和技术保证措施， 对其他地质复杂的大断面软岩隧道施工具有参考价值。参考文献1霍玉华。大断面黄土隧道快速掘进施工方法研究J 。铁道标准设计,2007 (增刊 1)2 杜永昌.高速与客运专线铁路施工工艺手册M。北京：科学技术文献出 版社，20063赵勇。高速铁路隧道M。北京：中国铁道出版社，2006