鐵路大斷面隧道三臺階七步開挖法施工技術(shù)

1、一、前言一、前言 隨著國內(nèi)鐵路客運專線的日益增建，隧道開隨著國內(nèi)鐵路客運專線的日益增建，隧道開 挖斷面也相應(yīng)增大，大斷面軟巖隧道因其施工難挖斷面也相應(yīng)增大，大斷面軟巖隧道因其施工難 度大、進度慢、安全風險突出等特點，日益成為度大、進度慢、安全風險突出等特點，日益成為 國內(nèi)外專家矚目的焦點，如何科學(xué)、安全、快速國內(nèi)外專家矚目的焦點，如何科學(xué)、安全、快速 施工成為目前亟待解決的問題，而施工方法的選施工成為目前亟待解決的問題，而施工方法的選 擇成為安全、快速施工的關(guān)鍵。經(jīng)過長期的研究、擇成為安全、快速施工的關(guān)鍵。經(jīng)過長期的研究、 實踐和總結(jié)，本文結(jié)合鄭西客專張茅隧道施工經(jīng)實踐和總結(jié)，本文結(jié)合鄭西客專

2、張茅隧道施工經(jīng) 驗，就驗，就“三臺階七步開挖法三臺階七步開挖法”在大斷面隧道中如在大斷面隧道中如 何做到快速、安全施工做一探討。何做到快速、安全施工做一探討。 二、三臺階七步開挖法的定義、二、三臺階七步開挖法的定義、 適用范圍和技術(shù)特點適用范圍和技術(shù)特點 鐵路大斷面隧道三臺階七步開挖法是以弧形導(dǎo)坑鐵路大斷面隧道三臺階七步開挖法是以弧形導(dǎo)坑 開挖留核心土為基本模式，分上、中、下三個臺階七開挖留核心土為基本模式，分上、中、下三個臺階七 個開挖面，各部位的開挖與支護沿隧道縱向錯開、平個開挖面，各部位的開挖與支護沿隧道縱向錯開、平 行推進的隧道施工方法。行推進的隧道施工方法。 1 1 2 4 6-1

3、7 超前支護 襯砌 仰拱 棧橋 13 5 6-2 6-3 1 1、定義、定義 3 3、技術(shù)特點、技術(shù)特點 施工空間施工空間 大，方便機械化大，方便機械化 施工，可以多作施工，可以多作 業(yè)面平行作業(yè)。業(yè)面平行作業(yè)。 部分軟巖或土質(zhì)部分軟巖或土質(zhì) 地段可以采用挖地段可以采用挖 掘機直接開挖，掘機直接開挖， 工效較高。工效較高。 2 2、適用范圍、適用范圍 適用于開挖斷面為適用于開挖斷面為100100180m180m2 2，具備一定自，具備一定自 穩(wěn)條件的穩(wěn)條件的、級圍巖地段隧道的施工。級圍巖地段隧道的施工。 在地質(zhì)條件發(fā)生變化時，便于靈活、及在地質(zhì)條件發(fā)生變化時，便于靈活、及 時地轉(zhuǎn)換施工工序，調(diào)

4、整施工方法。時地轉(zhuǎn)換施工工序，調(diào)整施工方法。 適應(yīng)不同跨度和多種斷面形式，初期支適應(yīng)不同跨度和多種斷面形式，初期支 護工序操作便捷。護工序操作便捷。 在臺階法開挖的基礎(chǔ)上，預(yù)留核心土，在臺階法開挖的基礎(chǔ)上，預(yù)留核心土， 左右錯開開挖，利于開挖工作面穩(wěn)定。左右錯開開挖，利于開挖工作面穩(wěn)定。 當圍巖變形較大或突變時當圍巖變形較大或突變時, , 在保證安全和在保證安全和 滿足凈空要求的前提下，可盡快調(diào)整閉合時間。滿足凈空要求的前提下，可盡快調(diào)整閉合時間。 三、實例分析三、實例分析 n 張茅隧道概況張茅隧道概況 張茅隧道位于張茅隧道位于 河南省陜縣境內(nèi)，河南省陜縣境內(nèi)， 全長全長8483m8483m，

5、起訖，起訖 里程里程DK218+607DK218+607 DK227+090DK227+090，為鄭，為鄭 西全線最長的隧道西全線最長的隧道, , 是全線控制性工程。是全線控制性工程。 隧道最大開挖斷面隧道最大開挖斷面 面積面積163.87m163.87m2 2。 出口段黃土、粗出口段黃土、粗 圓礫土；圓礫土； 進口基巖為安山巖進口基巖為安山巖 夾砂泥頁巖和灰?guī)r夾砂泥頁巖和灰?guī)r DK223+370DK223+370附近發(fā)育附近發(fā)育 一斷層，破碎帶寬度一斷層，破碎帶寬度 50m50m。 n 張茅隧道的工程地質(zhì)特征張茅隧道的工程地質(zhì)特征 張茅隧道屬于低山丘陵及黃土臺塬地貌。進口 段為安山巖夾砂泥頁

6、巖和灰?guī)r,含有豐富的基巖裂隙 水，構(gòu)造節(jié)理發(fā)育；出口段為Q2黏質(zhì)黃土和粗圓礫土, 位于地下水位線以下,隧道最大涌水量18990m3/d，垂 直節(jié)理發(fā)育。 巖土物理指標表 巖 性狀態(tài) 天然 密度 天然 含水量 天然 孔隙比 孔隙率飽和度液限塑限 塑性 指數(shù) 液性 指數(shù) 干密度 g/cm3%g/cm3 黏質(zhì)黃土硬塑2.02.30.6740.2953722150.161.68 粗圓礫土中密2.1/ 斷層角礫/2.2/ 安山巖夾砂泥頁巖W42.1/ 安山巖夾砂泥頁巖W32.3/ 安山巖夾砂泥頁巖W22.70.5/2/ 灰 巖W22.6/ 巖土力學(xué)指標表 巖 性狀態(tài) 基本 承載力 凝聚力 內(nèi)摩 擦角 樁

7、周極限 摩阻力fj 壓縮模量 0.1-0.4 壓縮模量 0.4-0.6 摩擦 系數(shù) 臨時 邊坡率 永久 邊坡率 kPakPakPaMPaMPa 黏質(zhì)黃土硬塑2506021/14210.31:0.751:1 粗圓礫土中密400/40/50/0.41:0.751:1 斷層角礫/400/40/0.41:0.751:1 安山巖夾砂泥頁巖W42502035/15/0.351:11:1.25 安山巖夾砂泥頁巖W3500/50/60/0.51:0.751:1 安山巖夾砂泥頁巖W2800/65/0.61:0.31:0.5 灰 巖W21000/65/0.61:0.31:0.5 進口段安山巖出口段Q2黏質(zhì)黃土 張

8、茅隧道開挖斷面面積表 圍巖類型圍巖級別單位斷面面積 黃 土 級m2157.22 級m2163.87 巖 石 級m2128.04 級m2144.05 級m2151.25 級m2154.75 n “三臺階七步開挖法三臺階七步開挖法”施工工藝流施工工藝流 程程 上部弧形導(dǎo)坑開挖，施作初期支護 開挖上、中、下臺階預(yù)留核心土 左右錯位開挖中臺階，施作初期支護 左右錯位開挖下臺階，施作初期支護 超前支護 測量放樣 施作仰拱 施作仰拱填充 圍巖穩(wěn)定性評判、 修正支護參數(shù) 分段開挖隧底，施做初期支護 斷面檢查 否 滿足 1 1 1 23 45 7 6-1 6-2 6-3 3m5m 23m 23m 23m 23

9、m 4m6m 1 6 6 6 23 45 7 核心土 7 5 42 1 1 6-2 3 4m6m 3040m 23m23m23m23m3m5m 仰拱填充 仰拱 初期支護 6-36-1 1525m 棧橋 h1h2h3 H 注： 1、上臺階開挖高度不小于上臺階開挖跨度的0.3倍， 一般為3.04.0m。 2、中、下臺階開挖高度為隧道總開挖高度(不含仰拱) 減去上臺階開挖高度后平均分配，一般為3.03.5m。 3、上臺階核心土長度(隧道縱向)3.05.0m,高度1.5 2.5m,寬度為上臺階開挖跨度的1/31/2。 n “三臺階七步開挖法三臺階七步開挖法”開挖步驟圖開挖步驟圖 n “三臺階七步開挖法

10、三臺階七步開挖法”施工工序圖施工工序圖 施工工序縱斷面示意圖 施工工序正面示意圖 35m 1.0m 超前支護 4 7 2 1 7 6-1 1 超前支護 初期支護 1 6-2 6-3 2 4 1 3 5 23m23m23m23m4-6m15-25m 3 5 棧橋 n “三臺階七步開挖法三臺階七步開挖法”施工照片施工照片 巖石段施工黃土段施工 第第1 1步，開挖上部弧形導(dǎo)坑：在步，開挖上部弧形導(dǎo)坑：在 拱部超前支護后進行，環(huán)向開挖拱部超前支護后進行，環(huán)向開挖 上部弧形導(dǎo)坑，預(yù)留核心土，核上部弧形導(dǎo)坑，預(yù)留核心土，核 心土長度宜為心土長度宜為3 35m5m，寬度宜為，寬度宜為 隧道開挖寬度的隧道開挖

11、寬度的1/31/31/21/2。開挖。開挖 循環(huán)進尺應(yīng)根據(jù)初期支護鋼架間循環(huán)進尺應(yīng)根據(jù)初期支護鋼架間 距確定，最大不得超過距確定，最大不得超過1.5m1.5m，開，開 挖后立即初噴挖后立即初噴3 35cm5cm混凝土封閉。混凝土封閉。 上臺階開挖矢跨比應(yīng)大于上臺階開挖矢跨比應(yīng)大于0.30.3， 開挖后應(yīng)及時進行噴、錨、網(wǎng)系開挖后應(yīng)及時進行噴、錨、網(wǎng)系 統(tǒng)支護。統(tǒng)支護。（圖）（圖） 施工步驟施工步驟 第第2 2、3 3步，開挖左、右側(cè)中步，開挖左、右側(cè)中 臺階：開挖高度一般為臺階：開挖高度一般為3 3 3.5m3.5m，左、右側(cè)臺階錯開，左、右側(cè)臺階錯開2 2 3m3m，開挖后立即初噴，開挖后立

12、即初噴3 35cm5cm 混凝土封閉，及時進行噴、混凝土封閉，及時進行噴、 錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護。錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護。（圖）（圖） 第第4 4、5 5步，開挖左、右側(cè)下步，開挖左、右側(cè)下 臺階：開挖高度一般為臺階：開挖高度一般為3 3 3.5m3.5m，左、右側(cè)臺階錯開，左、右側(cè)臺階錯開2 2 3m3m，開挖后立即初噴，開挖后立即初噴3 35cm5cm 混凝土封閉，及時進行噴、混凝土封閉，及時進行噴、 錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護。錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護。（圖）（圖） 第第6 6步，開挖核心土：分別開挖上、中、下臺階預(yù)留核心土，步，開挖核心土：分別開挖上、中、下臺階預(yù)留核心土， 開挖進尺與各臺階循環(huán)進尺相一致。開挖進尺與各臺

13、階循環(huán)進尺相一致。（圖）（圖） n第第7 7步，隧底開挖：每步，隧底開挖：每 循環(huán)開挖長度宜為循環(huán)開挖長度宜為2 2 3m3m，開挖后及時施作，開挖后及時施作 仰拱初期支護，完成仰拱初期支護，完成 兩個隧底開挖、支護兩個隧底開挖、支護 循環(huán)后，及時施作仰循環(huán)后，及時施作仰 拱，仰拱分段長度宜拱，仰拱分段長度宜 為為4 46m6m。（圖）（圖） n監(jiān)控量測監(jiān)控量測 監(jiān)控量測必測項目表 序號監(jiān)測項目測量方法和儀表 測量 精度 備 注 1洞內(nèi)、外觀察現(xiàn)場觀察，地質(zhì)羅盤儀 2 初期支護拱（墻）腳凈 空變化 采用非接觸無尺量測法， 全站儀 0.1mm 3初期支護拱頂下沉 采用非接觸無尺量測法， 全站儀

14、0.1mm 4地表沉降水準測量的方法，水準儀1mm 淺埋隧道（H02b）、 洞口段、下穿高速公路 （建筑物）段必測 注：H0隧道埋深；b隧道最大開挖寬度。 A 隧 道 中 心 線 BB CC DD 拱頂觀測點 量測基線 凈空變化測點布置圖 量測頻率表 位移速度距開挖面距離 位移速度（mm/d）量測頻率量測斷面距開挖面距離（m）量測頻率 52次/d （01）B2次/d 151次/d （12）B1次/d 0.511次/23d （25）B1次/23d 0.20.51次/3d 5B1次/7d 0.21次/7d 注：1、B隧道開挖跨度。 2、當按照“位移速度”和“量測斷面距開挖面距離”選擇量測 頻率出現(xiàn)

15、較大差異時，宜取量測頻率較高的實施。 下臺階開挖 仰拱開挖 線 曲 常 正 U(mm) t(d) a 圖 中臺階開挖 下臺階開挖 仰拱開挖 線 曲 常 反 U(mm) t(d) b 圖 中臺階開挖 施作初期支護 施作初期支護 仰拱閉合 注 ： ua為 拱 頂 最 大 允 許 位 移 值 繪制位移時間變化曲線圖 若U-t曲線如圖（a）所 示趨于平緩，通過數(shù)據(jù)處理 或回歸分析，可推算最終位 移值，掌握位移變化規(guī)律。 若U-t曲線如圖（b）所 示，變形有加快發(fā)展趨勢， 表明圍巖和支護處于不穩(wěn)定 狀態(tài)，應(yīng)停止前方開挖，加 強支護。 或通過工程類比確定。 位移控制基準表 類 別距開挖面1B（U1B）距開

16、挖面2B（U2B）距開挖面較遠 允許值65%U090%U0100%U0 位移管理等級表 管理等級距開挖面1B距開挖面2B UU1B/3UU2B/3 U1B/3U2U1B/3U2B/3U2U2B/3 U2U1B/3U2U2B/3 變形管理表 管理等級工程對策 正常施工 采取工程對策。包括加強超前支護等，縮短臺階開挖長度， 調(diào)整初期支護強度、剛度等，同時加強監(jiān)控量測 停止開挖。加強初期支護，加強監(jiān)控量測 注：B隧道開挖寬度； U0極限相對位移值，可根據(jù)隧道的開挖寬度、埋深， 按照不同的圍巖等級，參照鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程 注：U實測位移值； 位移控制及管理 單口勞力組織表單口勞力組織表 序號序號

17、作業(yè)項目作業(yè)項目作業(yè)內(nèi)容作業(yè)內(nèi)容人數(shù)人數(shù)序號序號作業(yè)項目作業(yè)項目作業(yè)內(nèi)容作業(yè)內(nèi)容人數(shù)人數(shù) 1 1 開挖開挖 (24(24人人) ) 風鎬手風鎬手 風槍手風槍手 挖掘機司機挖掘機司機 自卸車司機自卸車司機 4 4 1212 2 2 6 6 3 3 技術(shù)及測試技術(shù)及測試 6 6人人) ) 技術(shù)員技術(shù)員 試驗員試驗員 測量班長測量班長 測量工測量工 1 1 1 1 1 1 3 3 2 2 初期支護初期支護 (35(35人人) ) 制作鋼架制作鋼架 安裝鋼架安裝鋼架 噴射手噴射手 噴射機司機噴射機司機 噴射機上料噴射機上料 攪拌機司機攪拌機司機 攪拌機上料攪拌機上料 8 8 1010 3 3 3 3

18、6 6 2 2 3 3 4 4 仰仰 拱拱 (10(10人人) ) 仰拱施工仰拱施工1010 序號序號作業(yè)項目作業(yè)項目機具設(shè)備名稱機具設(shè)備名稱規(guī)格型號規(guī)格型號單位單位數(shù)量數(shù)量備備 注注 1 1開開 挖挖 電動壓風機電動壓風機 雙液注漿機雙液注漿機 風風 鎬鎬 挖掘機挖掘機 自卸車自卸車 風動鑿巖機風動鑿巖機 裝載機裝載機 泥漿泵泥漿泵 20m20m3 3/min/min 4m4m3 3/h/h G10G10 CAT320CCAT320C 20T20T YT-28YT-28 小松小松WA470WA470 100m100m3 3/h/h 臺臺 臺臺 臺臺 臺臺 輛輛 臺臺 輛輛 臺臺 5 5 2

19、2 8 8 1 1 6 6 1515 2 2 2 2 高壓供風高壓供風 注注 漿漿 開開 挖挖 裝裝 碴碴 出出 碴碴 超前支護、初支、局部爆破超前支護、初支、局部爆破 裝碴裝碴 排水排水 2 2初期支護初期支護 電焊機電焊機 攪拌站攪拌站 濕噴機濕噴機 BX-400BX-400 JS500+PL800JS500+PL800 TK961TK961 臺臺 臺臺 臺臺 5 5 2 2 3 3 3 3 量測及測量量測及測量 儀器儀器 全站儀全站儀 水準儀水準儀 收斂儀收斂儀 索佳索佳 數(shù)顯數(shù)顯 臺臺 臺臺 個個 1 1 1 1 2 2 4 4通通 風風通風機通風機SDF-N012.5SDF-N012

20、.5臺臺1 12 2110kw110kw 單口作業(yè)機具設(shè)備表單口作業(yè)機具設(shè)備表 進口段安山巖出口段Q2黏質(zhì)黃土 張茅隧道開挖斷面面積表 圍巖類型圍巖級別單位斷面面積 黃 土 級m2157.22 級m2163.87 巖 石 級m2128.04 級m2144.05 級m2151.25 級m2154.75 1 1 1 23 45 7 6-1 6-2 6-3 3m5m 23m 23m 23m 23m 4m6m 1 6 6 6 23 45 7 核心土 7 5 42 1 1 6-2 3 4m6m 3040m 23m23m23m23m3m5m 仰拱填充 仰拱 初期支護 6-36-1 1525m 棧橋 h1h2h3 H 注： 1、上臺階開挖高度不小于上臺階開挖跨度的0.3倍， 一般為3.04.0m。 2、中、下臺階開挖高度為隧道總開挖高度(不含仰拱) 減去上臺階開挖高度后平均分配，一般為3.03.5m。 3、上臺階核心土