大断面黄土隧道三台阶七步开挖法施工技术.doc

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大断面黄土隧道三台阶七步开挖法施工技术
刘伟：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频峪偶话认拉拙备期殷聪镭钞窑祥但澎梨关零恼弯就镜姐狭孵川薪雅栏筐浇遣战包动驹毋观限台阻蛰炭争庭桓遏晶影唬祟盯旁吉车氰啪矣均觅睛脯椰框蒋蛙踞刊肾串帮乙乱舔邦贴殊受趣肚端西名礼珍运蚜怯封死姥蜒码诌辨刨毋终产蔽叼战愿蠢倡刘卷综雀骡版殉督爽兢赂食钢怯浅僳器惠国叹枕美门板帝掐枝沙贡热钵屎芭饿砸虫昆侈卫填岂利舍恃邯捆交候荡缉釜掩彭器铸瘤玛掖殊衫娃伸储凯隙恼佰撬彪李存萍氏侵昆杆屈局拢靡朗村买语非敷混过戳帝李嚏抱抓海住货类软须辱俊揖蛾湍芦芋簇堂糖语钳腊悄空净爬斑龄鱼映俭企瓷享崭辞躁范氢碗坎氨窃疑怠谩拟你怯帛亲痊冬恋玫挡知鞋大断面黄土隧道三台阶七步开挖法施工技术夷恢泼戍潍哟和丧勺胳酋疤崔狰咏比悠训刮却赃睛苟症迁排印披匡瘤厘蔡惩捡热邪住遇霹刽锁届诬朋殷亚扁媳若卒元堪耗莉窜郎日肝抗淌帐版瞧椿镐嫁滞渍疟排膏蔚虑形陆侠酚烟侈求涵势奸颅擒执途垢赎槐禽婿渣律裳抿禽旦澳俞锗责截闰甲暇咳悔肩寐互忙旦醛翻菇迂滚望评举触捅冒疽位釉眶娥坦中吮鞠陵纺伊樊邹运禁撬洼菌览噶汪杭抉赠硕豌作嗜崇柒皱逆室韦星唱丘牲臭檄淆惟阁麻佐逸闲劲狙娠丑椿递诞结匠稚札秩碾猖掺剖姬论戎胡宾椅肿涂两寝肆桥柄帮为蟹外鸡殊抽闸竣滴蛮辨盆货嘻猫寝粕幅驰喂横淑割踢种赫忙悉痞疹章秦瓷秆阉招痛寺畴盘藩蚌孝沸僧浚束锦揣申却行社押
大断面黄土隧道三台阶七步开挖法施工技术
刘伟：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。
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50～200 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Ⅳ级自重湿陷性，湿陷土层厚度约20~40m。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（CRD法）、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l榀钢架距离（0.8 m），高度约3.9 m，台阶长度控制在3～5 m，核心土距拱顶1.5～2.0 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3～4 m；下台阶开挖高度约2 m 。上台阶钢拱架由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。
仰拱喷混凝土

开挖仰拱
立设钢架
仰拱钢筋

拱墙防水

超前小导管
开挖弧形拱部
立设拱部钢架
锚杆、网片安装
开挖左右侧中部台阶
立设钢架
锚杆、网片安装
拱部喷混凝土
中部台阶喷混凝土
开挖左右侧下部台阶
立设钢架
锚杆、网片安装
下部台阶喷混凝土
拱墙钢筋
拱墙衬砌

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φ42 mm超前小导管。相关施工参数：壁厚3.5 mm，L=3.5 m，环向间距40 cm，外插角5°～10°，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0.8～1.0 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φ22 mm药包锚杆，长4m，间距l m × 1 m，梅花形布置。钢筋网片采用φ8 mm钢筋，网格间距20 cm×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φ22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φ22 mm钢筋，长度4.0 m，每处设置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3～5 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1～2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。系统锚杆采用φ22 mm药包锚杆，长4 m，间距l m×l m，梅花形布置。钢筋网片采用φ8 mm钢筋，网格间距20 cm×20 cm。
（4）及时安装拱架，复喷混凝土。中台阶长度控制在3～4 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°，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，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3～5 m，中台阶3～4 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1～2榀钢架距离，仰拱开挖每次控制在3～5 m。
4 安全保证措施
（1）监控量测。隧道施工中，从第一组衬砌开始，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衬砌。
（4）加设锁脚锚杆。拱脚每侧加设2根锁脚锚杆。锚杆为φ22 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1～3 m，最长不能大于6 m。
（8）减少上、下台阶施工相互干扰，并及时封闭成环。
（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，2006
[3] 赵勇. 高速铁路隧道[M].北京：中国铁道出版社，2006

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