大斷面黃土隧道三臺階七步開挖法施工技術(shù)

1、大斷面黃土隧道三臺階七步開挖法施工技術(shù)劉偉：中鐵三局集團有限公司橋隧工程分公司，工程師，河北 邯鄲， 056003 摘 要：針對西（安）平（涼）鐵路中咀1號隧道地質(zhì)結(jié)構(gòu)，分析對比中隔壁法、 交叉中隔壁法 、雙側(cè)壁導坑法和三臺階七步開挖法的主要技術(shù)特點， 確定施工方 案和采用三臺階七步開挖法進行施工。介紹三臺階七步開挖法施工工藝及原理， 論述上臺階開挖支護、 中臺階左側(cè)和下臺階右側(cè)邊墻開挖支護、 仰拱開挖支護和 施工注意事項。分析施工重點，提出監(jiān)控量測、超前支護、及時封閉仰拱、及時 封閉二次襯砌永久支護、 加設(shè)鎖腳錨桿、 預防塌方等安全保證措施， 以及質(zhì)量保 證措施。關(guān)鍵詞 ：大斷面黃土隧道；三

2、臺階七步開挖法；施工工藝；西平鐵路西（安）平（涼）鐵路正線全長263.1 km,為國家I級電氣化單線鐵路，設(shè) 計時速120 km,貨運量為3000萬t/年，單向客運量為160萬人/年。西平鐵路連 接隴海、寶中兩條重要的鐵路干線， 建成后可兼顧部分省際及地方客貨運輸， 建 設(shè)工期 4 年。西平鐵路第一標段的中咀1號隧道全長 1158 m,呈南高北低走勢，周邊沖 溝發(fā)育，切割深度50200 m，小型沖溝較多，大型沖溝進出口各有一個。沖溝 兩側(cè)坡面較陡，溝內(nèi)小型淺層高度滑坡、錯落發(fā)育，多有溜坍、坍塌。隧道地處 黃土殘塬區(qū)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復雜，地表主要為第四系上更新統(tǒng)及中更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土， 具W級自重濕陷性，

3、濕陷土層厚度約2040m。隧道進出口段埋深小于20m的地 段均位于濕陷性土層范圍內(nèi)，對工程影響較大。隧道洞身為黏質(zhì)黃土，棕黃、棕 紅色，具大孔隙結(jié)構(gòu)，粉土質(zhì)，夾數(shù)層古土壤層，具垂直柱狀節(jié)理，具有自重濕 陷性。1 施工方案與方法確定黃土隧道工程地質(zhì)條件較差， 施工斷面大，確立施工方案必須遵循以下原則： 重地質(zhì)、管超前、短開挖、強支護、快封閉、早成環(huán)，主要開挖方法有 中隔壁法 （CD法）、交叉中隔壁法（CRD法）、雙側(cè)壁導坑法、三臺階七步開挖法等。CD法、CRD法或雙側(cè)壁導坑法的各部開挖及支護自上而下， 步步成環(huán)，及時 封閉，各分部封閉成環(huán)時間短，但分布較多，施工速度慢，不利于機械化作業(yè)， 后面的

4、開挖和拆除支護將對前面施工形成的力學平衡體系產(chǎn)生影響， 圍巖應(yīng)力狀 態(tài)多次改變，可能出現(xiàn)較大的變形量。其施工面多，作業(yè)干擾大，拆除臨時支撐 時安全性差。三臺階七步開挖法在隧道開挖過程中分上、 中、下臺階和仰拱 4部分，前后 左右 7 個不同的開挖面相互錯開并同時開挖， 同時支護， 形成支護整體， 縮短作 業(yè)循環(huán)時間， 逐步向縱深挖掘。 其實質(zhì)為臺階法的一種， 拱部采用環(huán)形開挖預留 核心土，利用核心土施壓掌子面， 中部和下部也是先開挖兩側(cè)， 保持中部土體不 動，保證掌子面穩(wěn)定。三臺階七步開挖法主要技術(shù)特點如下。（ 1 ）施工空間大 , 大型施工機械可多個作業(yè)面平行施工，工效高。部分軟 巖地段可采

5、用挖掘機直接開挖下半部斷面，減少對圍巖擾動。（2）在地質(zhì)結(jié)構(gòu)復雜多變、軟硬圍巖相間的隧道施工中，施工方法調(diào)整靈 活，進度穩(wěn)定，工期保障性強。（ 3）適應(yīng)不同跨度和多種斷面形式，不需拆除臨時施工支護，節(jié)省投資。（4）混凝土仰拱超前施作，便于初期支護及時閉合不承載，改變洞內(nèi)作業(yè)、 運輸環(huán)境。（5）全斷面一次施作防水層和灌筑混凝土襯砌， 確保混凝土襯砌施工質(zhì)量。（6）無需增加特殊設(shè)備，投入少，操作性強，易推廣。通過對施工方法的分析比選，確定中咀1號隧道采用三臺階七步開挖法開 挖。2施工原理及工藝三臺階七步開挖法為平行流水作業(yè)，采用分步平行開挖和施作拱墻初期支護，仰拱超前施作及時閉合，構(gòu)成穩(wěn)固的初期支

6、護體系，保護圍巖的天然承載力， 有效抑制圍巖變形，并通過量測監(jiān)控系統(tǒng)信息反饋，指導施工和及時調(diào)整支護參 數(shù)與混凝土襯砌時間。在斷層帶、破碎帶等自穩(wěn)性較差地層和富水地層中， 采用小導管預注漿固結(jié)、 止水等輔助施工措施，采用上部弧形導坑法短開挖施作拱部初期支護后，再左右錯位開挖及進行邊墻初期支護，下臺階立即進行仰拱施作，盡早閉合成環(huán)構(gòu)成支 護體系。三臺階七步開挖法施工工藝以機械為主， 人工輔助修邊。上臺階每循環(huán)開挖進尺 為I榀鋼架距離（0.8 m），高度約3.9 m臺階長度控制在35 m核心土距拱 頂1.52.0 m，其兩側(cè)距開挖面約2 m；中臺階開挖高度約4.5 m，臺階長度控 制在34 m；下

7、臺階開挖高度約2 m。上臺階鋼拱架由3個單元組成，避免連 接部位在拱頂，各單元鋼架之間采用16mm厚的鋼板通過4套M20高強螺栓連接。 三臺階七步開挖法工藝流程見圖1。圖1三臺階七步開挖法工藝流程2.1 施工步驟2.1.1 上臺階開挖支護(1) 在隧道拱部130°范圍打設(shè)0 42 mm超前小導管。相關(guān)施工參數(shù)：壁厚 3.5 mm, L=3.5 m，環(huán)向間距40 cm,外插角5°10°，搭接長度1.0 m。(2) 利用挖掘機開挖上臺階，每循環(huán)開挖長度控制在0.81.0 m即1榀鋼 架的距離，開挖后人工修邊，及時噴射 4 cm 厚混凝土，封閉作業(yè)面。(3) 初噴后打設(shè)

8、系統(tǒng)錨桿和掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片。系統(tǒng)錨桿采用 022 mm藥包錨桿， 長4n,間距I m X 1 m，梅花形布置。鋼筋網(wǎng)片采用0 8 mm鋼筋，網(wǎng)格間距20 cmx 20 cm。(4) 架設(shè) I20b 型鋼鋼架，上臺階分 3節(jié)安裝，環(huán)向用鋼板螺栓連接，縱向用 022鋼筋連接，環(huán)向間距 1.0 m ，超前小導管尾端焊接在鋼架上。(5) 鋼架安裝完畢后進行鎖腳錨桿施工，鎖腳錨桿采用0 22 mm鋼筋，長度 4.0 m ，每處設(shè)置 2 根。(6) 在鋼架、錨桿和鋼筋網(wǎng)施工后，及時復噴 C25混凝土，其厚度應(yīng)達到設(shè) 計要求，上臺階施工完成形成承載拱。2.1.2 中臺階左側(cè)和下臺階右側(cè)邊墻開挖支護(1) 上臺階

9、超前中臺階35 m后,交錯開挖中臺階左側(cè)和下臺階右側(cè)邊墻， 每次開挖控制在 12 榀，左右兩側(cè)的初期支護不同時處于懸空狀態(tài)。中臺階開 挖高度約4.5 m,應(yīng)分上下兩次開挖，便于人工修邊和對上臺階初期支護底部修 鑿。此期間挖掘機開挖下臺階。 當中臺階上部修邊和上臺階初期支護底部修鑿結(jié) 束后，繼續(xù)開挖中臺階下部。(2) 中臺階下部修邊結(jié)束后，及時噴射 4 cm厚混凝土，封閉作業(yè)面。(3) 初噴后打設(shè)系統(tǒng)錨桿和掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片。系統(tǒng)錨桿采用 0 22 mm藥包錨 桿，長4 m，間距I m X I m，梅花形布置。鋼筋網(wǎng)片采用0 8 mm鋼筋，網(wǎng)格間 距 20 cmX 20 cm。(4) 及時安裝拱架，復

10、噴混凝土。中臺階長度控制在34 m。 中臺階右側(cè)和下臺階左側(cè)邊墻開挖支護方法同上，故不在贅述。2.1.3 仰拱開挖支護下臺階開挖達到25 m時進行仰拱開挖。仰拱分兩次開挖，每次開挖 3 m后 立即進行仰拱初期支護， 完成一個仰拱施工長度后， 及時澆筑仰拱混凝土， 隨后 搭設(shè)仰拱棧橋，繼續(xù)開挖前方掌子面。2.2 施工注意事項( 1 )為保證鋼架設(shè)置穩(wěn)固，鋼架基腳部位地基應(yīng)堅實，架立鋼架時挖槽就 位。(2) 鋼架平面應(yīng)垂直隧道中線，傾斜度不應(yīng)大于2°，鋼架任何部位偏離 鉛垂面不能大于 5 cm。(3) 為增強鋼架整體穩(wěn)定性，應(yīng)將鋼架與縱向連接筋、系統(tǒng)錨桿、定位筋 和鎖腳錨桿焊接牢固。(

11、4)鋼架連接接頭要連接牢固，拱腳部位易發(fā)生塑性剪切破壞，因此接頭除采用螺栓連接外，四周還要焊接，確保其剛度和強度。（5）鋼架和初噴層間存在較大間隙時，設(shè)置騎馬或楔形墊塊頂緊圍巖，鋼 架與圍巖間距不應(yīng)大于 5 cm。3 施工重點（1）淺埋和含水量較大地段設(shè)置超前小導管，根據(jù)開挖情況減小環(huán)向設(shè)置 間距，直到消除拱部開挖掉塊現(xiàn)象為止。 深埋和地質(zhì)情況較好地段開挖時無掉塊 現(xiàn)象可不設(shè)。（2）開挖時嚴格控制欠超挖，機械開挖時應(yīng)預留 30 cm 由人工開挖，減少 對圍巖的擾動，并保證巖面圓順，及時初噴 4 cm 混凝士以封閉暴露圍巖，增強 巖體整體性，為初期支護后續(xù)工作爭取安全時間。（3）嚴格控制鋼架加工

12、質(zhì)量，減少安裝拼接時間，保證安裝質(zhì)量。鋼架間 應(yīng)連接牢固，必要時可加焊鋼筋。（4）設(shè)置鎖腳錨管是保證初期支護安全的重要措施。試驗和量測表明，在 拱腳和墻腳位置， 初期支護受到較大豎向壓力和側(cè)向壓力， 鎖腳錨管可保證工字 鋼受到側(cè)向力時不向洞內(nèi)位移， 同時起到抑制拱架整體下沉作用， 保證初期支護 結(jié)構(gòu)在施工過程中受力穩(wěn)定。根據(jù)實際變形情況，每分節(jié)處錨管可由設(shè)計的 2 根增為 4 根，同時應(yīng)確保鎖腳錨管與鋼架的焊接質(zhì)量。（5）擴大拱墻腳是減少拱頂下沉量的有效措施。 擴大拱墻腳增大承壓面積， 有利于施工過程中豎向壓力的傳遞， 也有利于該節(jié)點橫向受力的穩(wěn)定。 實際施工 中，上臺階拱腳寬度由設(shè)計的80

13、cm擴大為100 cm,下臺階墻腳由設(shè)計的50 cm 擴大為80 cm,另外增設(shè)中臺階擴大拱腳，寬度為 80 cm。（6）在拱墻腳下墊設(shè)槽鋼或混凝土墊塊，以增大地基承載力，減小初期支 護閉合前的整體下沉量。（7）加密初期支護鋼架的縱向連接鋼管，提高鋼架間整體受力能力，可將 設(shè)計環(huán)向間距由 1.0 m 調(diào)為 0.8 m 。（8）噴錨時鋼架背面應(yīng)與圍巖噴實密貼，不密貼時可采用同級混凝土墊塊 填塞或采用注漿， 保證初期支護鋼架背面無空洞， 使鋼架與圍巖形成聯(lián)合支護體 共同受力。（9）仰拱及時施作是確保初期支護安全的根本措施，仰拱及填充混凝土要 及時澆筑，與掌子面間的距離不得大于規(guī)定的安全距離，一般控

14、制在35 m以內(nèi)，盡早封閉成環(huán)， 有利于形成完整的初期受力體系。 及時跟進二次襯砌施工， 有利 于盡早形成完整的隧道受力結(jié)構(gòu)，一般控制在距掌子面70 m以內(nèi)，特殊地段單獨考慮。（10）適當預留開挖變形量，施工前期預留變形量 15 cm在施工工藝及措 施優(yōu)化基礎(chǔ)上，通過監(jiān)控量測及時進行調(diào)整。（11） 合理控制步長，上臺階步長控制在 35 m，中臺階34 m，上臺階 每次開挖1榀鋼架距離，中、下臺階可根據(jù)地質(zhì)情況一次開挖12榀鋼架距離， 仰拱開挖每次控制在 3 5 m。4 安全保證措施（1）監(jiān)控量測。隧道施工中，從第一組襯砌開始，在一個斷面內(nèi)的拱頂和 拱腳處設(shè)置 7 個觀測點，采用收斂計和水平儀觀

15、測拱腳水平收斂和拱頂下沉量。 隨著隧道施工進程，每隔10 m為一個觀測斷面，最前端的觀測斷面緊跟掌子面。 根據(jù)觀測結(jié)果， 適當調(diào)整預留沉降量， 保證了二次襯砌厚度。 施工中監(jiān)控量測應(yīng) 注意的事項如下： 一是為獲取開挖后圍巖早期狀態(tài)變化數(shù)據(jù)， 觀測點應(yīng)盡量靠近 開挖面布置(不大于2 m)，開挖后24 h內(nèi)或下次開挖前，讀取初次數(shù)據(jù)。二是 周邊收斂、 拱頂下沉和地表下沉觀測點應(yīng)盡量集中在斷面布設(shè)， 以便量測結(jié)果的 分析和綜合運用。 三是量測時 , 拉出鋼尺 ( 拉出長度大于量測基線 ) 在環(huán)境氣溫 下停放 20 min 后進行量測。四是采用臺階法開挖時 , 下半斷面開挖靠近上半量測斷面時 , 適當

16、增加量測次數(shù)。( 2)超前支護。為保證開挖工作面穩(wěn)定，防止開挖時出現(xiàn)坍塌，針對中咀1號隧道黏質(zhì)黃土的特點，施工采取了在拱墻打設(shè)超前小導管的超前支護措施。 其直徑42 mm長3.5 m,環(huán)向間距40 cm,外插角5°10°。首先將工作面整 平，緊貼工作面支設(shè)一榀型鋼鋼架，用鎖腳、定位錨桿將其固定，沿斷面外輪廓 設(shè)置一環(huán)超前小導管，其尾端與鋼架焊為一體。隧道內(nèi)縱向間距2.4 m設(shè)置一環(huán)小導管，其尾端與鋼架焊為一體，每排小導管搭接長度 1.1 m。( 3)及時封閉仰拱及施作二次襯砌。根據(jù)量測，一次混凝土初期支護完成 后，為避免繼續(xù)變形，應(yīng)及時封閉仰拱。并施作永久支護二次襯砌。(4

17、) 加設(shè)鎖腳錨桿。拱腳每側(cè)加設(shè) 2根鎖腳錨桿。錨桿為© 22 mm鋼筋， 長 4 m。( 5)預防塌方。開挖過程中應(yīng)遵循短開挖、強支護原則，隨時觀察土質(zhì)情 況，發(fā)現(xiàn)土質(zhì)疏松、節(jié)理發(fā)育，應(yīng)調(diào)整循環(huán)進尺，加密管棚鋼管數(shù)量，及時進行 一次襯砌， 縮短開挖與襯砌間隔時間。 如果發(fā)生塌方， 必須用同強度等級混凝土 填塞密實。5 質(zhì)量保證措施(1)嚴格控制超前支護的外插角。( 2)嚴格執(zhí)行噴射混凝土工藝， 按配合比拌制混凝土料， 控制外加劑摻量。 新舊混凝土面清洗至露出本色， 不能有泥土或雜物， 應(yīng)分層噴射， 以保證噴射混 凝土質(zhì)量。(3) 保證拱架連接質(zhì)量和連接筋的焊接質(zhì)量。( 4)確保鋼筋網(wǎng)與圍巖緊密相貼，鋼筋網(wǎng)必須連接牢固，以免噴射混凝土 時鋼筋網(wǎng)振動，降低噴射質(zhì)量。( 5 )保證核心土的幾何尺寸。(6) 清除拱腳積水與淤泥，采用增設(shè)拱腳錨桿或擴大拱腳、加強縱向聯(lián)結(jié) 等措施，使初期支護與圍巖形成完整體系。( 7)為避免上半斷面兩側(cè)拱腳同時懸空， 應(yīng)盡量單側(cè)落底或雙側(cè)交錯落底， 并控制落底長度，視圍巖情況可為13 m,最長不能大于6 m。（8）減少上、下臺階施工相互干擾，并及時封閉成環(huán)。（9）合理制定每道工序工時間，嚴格按標定時間施工，減少開挖面土體暴 露時間。（10）及時監(jiān)控量測圍巖，觀察拱頂、拱腳收劍情況，據(jù)此調(diào)整初期支護參 數(shù)。6 結(jié)束語通過研究大斷面黃土隧道施工特點