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三台阶七步开挖施工工法
中铁十二局集团有限公司第二工程公司: 赵华锋
一、 前言
大断面软岩隧道施工中, 传统的施工方法有双侧壁导坑法、 CD法、 CRD法等, 这些施工方法进度慢、 工效低、 存在一定的局限性, 如: 限制了大型施工机械的使用, 基本靠人工开挖, 工效低、 速度慢, 难以满足客运专线工期要求; 拆除临时支护时, 正洞初期支护会因突然卸载而出现大的变形, 存在安全风险; 各分部开挖面循环衔接性差, 相互干扰大, 施工质量得不到充分保证; 临时支护重复拆除, 成本投入大等。而当前国内大断面软岩隧道施工中, 我们往往会面临以下问题: 对工期紧迫性的要求, 需组织快速施工; 工程水文地质复杂, 可变性大, 须选择一种能适应地质变化而迅速过渡的施工方法; 能较大限度地发挥大型施工机械的优势, 以求最佳的施工进度; 把长期施工实践所积累的作业习惯融合于施工方法中, 做到高工效, 易掌握, 达到快速形成施工能力的目的等要求。
借鉴近几年大断面隧道施工的成功经验, 规避传统施工方法的局限性, 以加快隧道施工进度、 保证隧道施工安全、 提高施工质量为目的, 提出了三台阶七步开挖法施工的工艺流程、 施工步骤、 控制要点、 劳动组织、 机具设备等, 突出大断面软岩隧道开挖施工的技术特点, 总结完善形成本工法。
二、 工法特点
1、 施工空间大, 方便机械化施工, 能够多作业面平行作业。部分软岩或土质地段能够采用挖掘机直接开挖, 工效较高。
2、 在地质条件发生变化时, 便于灵活、 及时地转换施工工序, 调整施工方法。
3、 适应不同跨度和多种断面形式, 初期支护工序操作便捷。
4、 在台阶法开挖的基础上, 预留核心土, 左右错开开挖, 利于开挖工作面稳定。
5、 当围岩变形较大或突变时, 在保证安全和满足净空要求的前提下, 可尽快调整闭合时间。
三、 适用范围
本工法适用于开挖断面为100～180m2, 具备一定自稳条件的Ⅳ、 Ⅴ级围岩地段隧道的施工。
四、 施工工艺
1、 工艺原理
”三台阶七步开挖法”, 是以弧形导坑开挖预留核心土为基本模式,分上、 中、 下三个台阶七个开挖面, 各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开、 平行推进的隧道施工方法。
上部弧形导坑开挖, 施作初期支护
开挖上、 中、 下台阶预留核心土
左右错开开挖中台阶, 施作初期支护
左右错开开挖下台阶, 施作初期支护
超前支护
测量放样
施作仰拱
施作仰拱填充
围岩稳定性评判、
修正支护参数
分段开挖隧底, 施做初期支护
断面检查
否
满足
2、 工艺流程

3、 三台阶七步开挖法施工步骤
施工步骤见图1, 开挖透视见图2, 施工工序见图3所示
第1步, 上部弧形导坑开挖: 在拱部超前支护后进行, 环向开挖上部弧形导坑, 预留核心土, 核心土长度宜为3～5m, 宽度宜为隧道开挖宽度的1/3～1/2。开挖循环进尺应根据初期支护钢架间距确定, 最大不得超过1.5 m, 开挖后立即初喷3～5cm混凝土。 上台阶开挖矢跨比应大于0.3, 开挖后应及时进行喷、 锚、 网系统支护, 架设钢架, 在钢架拱脚以上30cm高度处, 紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°打设锁脚锚杆, 锁脚锚杆与钢架牢固焊接, 复喷混凝土至设计厚度。
第2、 3步, 左、 右侧中台阶开挖: 开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定, 最大不得超过15m, 开挖高度一般为3～3.5m, 左、 右侧台阶错开2～3m, 开挖后立即初喷3～5混凝土, 及时进行喷、 锚、 网系统支护, 接长钢架, 在钢架墙脚以上30cm高度处, 紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°打设锁脚锚杆, 锁脚锚杆与钢架牢固焊接, 复喷混凝土至设计厚度。
第4、 5步, 左、 右侧下台阶开挖: 开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定, 最大不得超过1.5m, 开挖高度一般为3～3.5m, 左、 右侧台阶错开2～3m, 开挖后立即初喷3～5混凝土, 及时进行喷、 锚、 网系统支护, 接长钢架, 在钢架墙脚以上30cm高度处, 紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°打设锁脚锚杆, 锁脚锚杆与钢架牢固焊接, 复喷混凝土至设计厚度。
第6步, 上、 中、 下台阶预留核心土: 各台阶分别开挖预留的核心土, 开挖进尺与各台阶循环进尺相一致。
第7步, 隧底开挖: 每循环开挖长度宜为2～3m, 开挖后及时施作仰拱初期支护, 完成两个隧底开挖、 支护循环后, 及时施作仰拱, 仰拱分段长度宜为4～6m。
4、 三台阶七步开挖法施工注意事项
⑴、 采用三台阶七步开挖法施工的隧道, 应将超前地质预报纳入施工工序, 并根据工程水文地质变化情况, 及时调整各部台阶长度或施工方法, 采取相应的技术措施, 及早封闭成环, 保证施工安全。
⑵、 采用三台阶七步开挖法施工的隧道, 应根据工程水文地质条件, 按设计要求做好超前支护, 防止围岩松弛, 保证隧道开挖安全。在断层、 破碎带、 浅埋段等自稳性较差或富水地层中, 超前支护应按设计要求进行加强。
⑶、 三台阶七步开挖法施工应符合下列要求:
① 以机械开挖为主, 必要时辅以弱爆破;
② 弧形导坑应沿开挖轮廓线环向开挖, 预留核心土, 开挖后及时支护;
③ 其它分步平行开挖, 平行施作初期支护, 各分部初期支护衔接紧密, 及时封闭成环;
④ 仰拱紧跟下台阶, 及时闭合构成稳固的支护体系;
⑤ 施工过程经过监控量测, 掌握围岩和支护的变形情况, 及时调整支护参数和预留变形量, 保证施工安全;
⑥ 完善洞内临时防排水系统, 防止地下水浸泡拱墙脚基础。
五、 机具设备
本工法操作简单, 单作业面施工机具配备见下表, 可根据施工现场情况酌情调整。
单作业面施工机具配备
序号
作业项目
机具设备名称
规格型号
单位
数量
备注
1
开挖
电动压风机
20m3/min
台
5
高压供风
双液注浆机
4m3/h
台
2
注浆
风镐
G10
台
8
开挖修边
风动凿岩机
YT-28
台
15
系统锚杆、 超前支护、 局部爆破钻眼
挖掘机
CAT320C
台
1
开挖、 装碴
自卸车
20t
辆
6
出碴
装载机
小松WA470
辆
2
装碴
泥浆泵
100m3/h
台
2
排水
2
初期支护
钢筋切断机
QJ40—1
台
1
加工钢筋
钢筋折弯机
40
台
1
加工钢筋
电焊机
BX—300
台
5
加工钢架、 格栅及
其它钢构件
电焊机
BX—400
台
2
加工钢构件
台式钻床
SP-25A
台
1
加工钢构件
搅拌机
JS500
台
2
拌合混凝土
湿喷机
TK961
台
3
喷射混凝土
3
量测仪器
全站仪
索佳SET2130R
台
1

水准仪
PENTAXAP-128
台
1

铟钢尺

个
2

4
通风
通风机
SDF-No12.5
台
1
2×110kw

六、 劳动组织
施工人员应经培训合格后上岗, 特殊工种应持证上岗, 人员分配和调整应按不同工种配齐、 配足, 单作业面施工一般需要75人左右, 并保持相对稳定。
单作业面施工作业人员配备
序号
作业项目
作业内容
人数
1
开挖( 24人)
风镐手
4
风枪手
12
挖掘机司机
2
自卸车司机
6
2
初期支护( 35人)
制作钢架
8
安装钢架、 格栅
10
喷射手
3
喷射机司机
3
喷射机上料
6
搅拌机司机
2
搅拌机上料
3
3
技术及测试( 6人)
技术员
1
试验员
1
测量班长
1
测量工
3
4
仰拱( 10人)
隧底初期支护及仰拱混凝土浇筑
10
合计
75

七、 三台阶七步开挖法施工安全、 质量控制措施
1、 隧道进洞前应做好洞顶及洞口防排水系统。洞顶及洞口排水沟应铺砌, 用砂浆抹面, 防止地表水及施工用水下渗, 影响结构安全。
2、 三台阶七步开挖法施工应做好工序衔接。工序安排应紧凑, 尽量减少围岩暴露时间, 避免因长时间暴露引起围岩失稳。
① 初期支护应及时封闭成环, 全断面初期支护闭合时间宜控制在15d左右;
② 仰拱应超前施作, 仰拱距上台阶开挖工作面宜控制在30～40m。铺设防水板、 二次衬砌等后续工作应及时进行。
③ 对于土质隧道, 衬砌应紧跟仰拱施工, 一般为15～20m, 衬砌距开挖掌子面最大不得超过60m; 对于岩石爆破隧道, 衬砌距开挖掌子面距离须满足爆破距离要求;
3、 在满足作业空间和台阶稳定的前提下, 应尽量缩短台阶长度, 核心土长度应控制在3～5m, 宽度宜为隧道开挖宽度的1/3～1/2。
4、 三台阶七步开挖法施工应严格控制开挖长度, 根据围岩地质情况, 合理确定循环进尺, 每次开挖长度不得超过1.5m; 开挖后立即初喷3～5cm混凝土, 以减少围岩暴露时间。
5、 严格按设计要求施作超前支护, 控制好超前支护外插角, 严格按注浆工艺加固地层, 保证隧道开挖在超前支护的保护下施工。
6、 隧道周边部位应预留30cm人工开挖, 其余部位宜采用机械开挖, 局部需要爆破时, 必须采用弱爆破, 不得超挖。施工时应严格控制装药量, 减少对围岩的扰动。
7、 中、 下台阶左、 右侧开挖应错开, 严禁对开, 左右侧错开距离宜为 2～3m。
8、 钢架应严格按设计及规范要求加工制作和架设。钢架应架设在坚实基面上, 严禁拱( 墙) 脚悬空或采用虚碴回填。钢架应与锁脚锚杆( 管) 焊接牢固。
9、 隧道超挖部位必须回填密实, 严禁初期支护背后存在空洞。必要时初期支护背后应进行充填注浆, 保证初期支护与围岩密贴。
10、 施工过程中可采用增加拱( 墙) 脚锁脚锚杆( 管) 、 增设钢架拱( 墙) 脚部位纵向连接筋、 扩大拱( 墙) 脚初期支护基础及增设拱( 墙) 脚槽钢垫板等增强拱( 墙) 脚承载力等措施控制变形。
11、 应加强监控量测工作, 根据量测结果, 及时调整支护参数, 确定二次衬砌施作时间, 进行信息化施工管理。
12、 应完善洞内临时防排水系统, 严禁积水浸泡拱( 墙) 脚及在施工现场漫流, 防止基底承载力降低。当地层含水量大时, 上台阶开挖工作面附近宜开挖横向水沟, 将水引至隧道中部或两侧排水沟排出洞外。必要时应配合井点降水等措施, 降低地下水位至隧道仰拱以下, 确保施工顺利进行。反坡施工时, 应设置集水坑将水集中抽排。
13、 隧道施工应加强洞内通风, 作业环境应符合职业健康及安全标准。
八、 工程实例
1、 郑州至西安客运专线ZXZQ08标张茅隧道长度为8489m, 隧道最大涌水量18990m3/d, 开挖断面164m2, 地质为Q2老黄土, 为全线控制性工程, 采用”三台阶七步开挖法”施工进度提升至70~75m/月, 远远高于CD、 CRD法30~35m/月的施工进度; 初期支护全环封闭在15d左右, 仰拱紧跟开挖面, 成环封闭快, 确保了隧道施工安全; 较CD、 CRD法平均每延米节约7000多元的施工成本; 无需投入特殊设备, 施工工艺满足质量要求, 提前合同工期50天安全顺利贯通, 经济和社会效益显著。
2、 京珠高速公路靠椅山隧道, 隧道分左右线, 设计为单洞三车道, 采用R=7.4m单心圆曲墙式衬砌。最大开挖跨度为16.7m, 最大开挖高度为10.1m。最大开挖断面165.45m2,地质为中下泥盆统桂光群砂岩及泥质粉砂岩夹薄层页岩, 因受摺曲及构造挤压影响, 岩层节理裂隙发育, 岩层破碎, 岩石风化成亚砂土、 亚粘土, 原岩结构完全破坏。在软岩地段施工中, 采用三台阶七步开挖法, 缩短工期50天, 保证了整座隧道按期完成。
3、 深圳盐坝高速公路大梅沙隧道, 为分离式双洞单向三车道隧道, 为三心圆内轮廓形式; 最大开挖跨度为15.15m,高度为11.3m。双洞洞身基本平行, 中心距离平均40m。盐田端左右线洞口段均有80mⅠ类围岩地段, 为全风化花岗岩, 裂隙发育, 不稳定, 遇水崩解软化, 容易坍塌, 经过比选最终采用三台阶七步开挖法施工, 安全顺利地经过该段。
4、 昆石高速公路小团山隧道, 为双向六车道隧道, 设计为净跨14.8m、 净高8.9m的半圆拱曲墙断面, 最大开挖宽度16.88m, 最大开挖高度13.46m, 最大开挖面积达192m2,隧道地处构造侵蚀低山地形地貌区, 主要岩石为灰白、 灰色灰岩, 白云质灰岩及灰褐、 黄褐色玄武岩, 岩石破碎, 节理裂隙极为发育。在软岩地段施工采用三台阶七步开挖法, 提前完成了施工任务。