三臺階七步開挖施工工法

1、三臺階七步開挖施工工法中鐵十二局集團有限公司第二工程公司：趙華鋒一、前言大斷面軟巖隧道施工中，傳統(tǒng)的施工方法有雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法、CRD法等，這些施工方法進度慢、工效低、存在一定的局限性，如：限制了大型施工機械的使用，基本靠人工開挖，工效低、速度慢，難以滿足客運專線工期要求；拆除臨時支護時，正洞初期支護會因突然卸載而出現(xiàn)大的變形，存在安全風(fēng)險；各分部開挖面循環(huán)銜接性差，相互干擾大，施工質(zhì)量得不到充分保證；臨時支護反復(fù)拆除，成本投入大等。而目前國內(nèi)大斷面軟巖隧道施工中，我們往往會面臨以下問題：對工期緊迫性的要求，需組織快速施工；工程水文地質(zhì)復(fù)雜，可變性大，須選擇一種能適應(yīng)地質(zhì)變化而迅速過渡的施

2、工方法；能較大限度地發(fā)揮大型施工機械的優(yōu)勢，以求最佳的施工進度；把長期施工實踐所積累的作業(yè)習(xí)慣融合于施工方法中，做到高工效，易掌握，達到快速形成施工能力的目的等要求。借鑒近幾年大斷面隧道施工的成功經(jīng)驗，規(guī)避傳統(tǒng)施工方法的局限性，以加快隧道施工進度、保證隧道施工安全、提高施工質(zhì)量為目的，提出了三臺階七步開挖法施工的工藝流程、施工步驟、控制要點、勞動組織、機具設(shè)備等，突出大斷面軟巖隧道開挖施工的技術(shù)特點，總結(jié)完善形成本工法。二、工法特點1、施工空間大，方便機械化施工，可以多作業(yè)面平行作業(yè)。部分軟巖或土質(zhì)地段可以采用挖掘機直接開挖，工效較高。2、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)

3、整施工方法。3、適應(yīng)不同跨度和多種斷面形式，初期支護工序操作便捷。4、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。5、當(dāng)圍巖變形較大或突變時, 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。三、適用范圍本工法適用于開挖斷面為100180m2，具備一定自穩(wěn)條件的、級圍巖地段隧道的施工。四、施工工藝 1、工藝原理“三臺階七步開挖法”，是以弧形導(dǎo)坑開挖預(yù)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、平行推進的隧道施工方法。上部弧形導(dǎo)坑開挖，施作初期支護開挖上、中、下臺階預(yù)留核心土左右錯開開挖中臺階，施作初期支護左右錯開開挖下臺階

4、，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2、工藝流程3、三臺階七步開挖法施工步驟施工步驟見圖1，開挖透視見圖2，施工工序見圖3所示第1步，上部弧形導(dǎo)坑開挖：在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，核心土長度宜為35m，寬度宜為隧道開挖寬度的1/31/2。開挖循環(huán)進尺應(yīng)根據(jù)初期支護鋼架間距確定，最大不得超過1.5m，開挖后立即初噴35cm混凝土。 上臺階開挖矢跨比應(yīng)大于0.3，開挖后應(yīng)及時進行噴、錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護，架設(shè)鋼架，在鋼架拱腳以上30cm高度處，緊貼鋼架兩側(cè)邊沿按下傾角30°打設(shè)鎖腳錨桿

5、，鎖腳錨桿與鋼架牢固焊接，復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度。第2、3步，左、右側(cè)中臺階開挖：開挖進尺應(yīng)根據(jù)初期支護鋼架間距確定，最大不得超過1.5m，開挖高度一般為33.5m，左、右側(cè)臺階錯開23m，開挖后立即初噴35混凝土，及時進行噴、錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護，接長鋼架，在鋼架墻腳以上30cm高度處，緊貼鋼架兩側(cè)邊沿按下傾角30°打設(shè)鎖腳錨桿，鎖腳錨桿與鋼架牢固焊接，復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度。第4、5步，左、右側(cè)下臺階開挖：開挖進尺應(yīng)根據(jù)初期支護鋼架間距確定，最大不得超過1.5m，開挖高度一般為33.5m，左、右側(cè)臺階錯開23m，開挖后立即初噴35混凝土，及時進行噴、錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護，接長鋼架，在鋼架墻腳以上

6、30cm高度處，緊貼鋼架兩側(cè)邊沿按下傾角30°打設(shè)鎖腳錨桿，鎖腳錨桿與鋼架牢固焊接，復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度。第6步，上、中、下臺階預(yù)留核心土：各臺階分別開挖預(yù)留的核心土，開挖進尺與各臺階循環(huán)進尺相一致。第7步，隧底開挖：每循環(huán)開挖長度宜為23m，開挖后及時施作仰拱初期支護，完成兩個隧底開挖、支護循環(huán)后，及時施作仰拱，仰拱分段長度宜為46m。 4、三臺階七步開挖法施工注意事項、采用三臺階七步開挖法施工的隧道，應(yīng)將超前地質(zhì)預(yù)報納入施工工序，并根據(jù)工程水文地質(zhì)變化情況，及時調(diào)整各部臺階長度或施工方法，采取相應(yīng)的技術(shù)措施，及早封閉成環(huán)，保證施工安全。、采用三臺階七步開挖法施工的隧道，應(yīng)根據(jù)工程

7、水文地質(zhì)條件，按設(shè)計要求做好超前支護，防止圍巖松弛，保證隧道開挖安全。在斷層、破碎帶、淺埋段等自穩(wěn)性較差或富水地層中，超前支護應(yīng)按設(shè)計要求進行加強。、三臺階七步開挖法施工應(yīng)符合下列要求： 以機械開挖為主，必要時輔以弱爆破； 弧形導(dǎo)坑應(yīng)沿開挖輪廓線環(huán)向開挖，預(yù)留核心土，開挖后及時支護； 其他分步平行開挖，平行施作初期支護，各分部初期支護銜接緊密，及時封閉成環(huán)； 仰拱緊跟下臺階，及時閉合構(gòu)成穩(wěn)固的支護體系； 施工過程通過監(jiān)控量測，掌握圍巖和支護的變形情況，及時調(diào)整支護參數(shù)和預(yù)留變形量，保證施工安全； 完善洞內(nèi)臨時防排水系統(tǒng)，防止地下水浸泡拱墻腳基礎(chǔ)。五、機具設(shè)備本工法操作簡單，單作業(yè)面施工機具配備

8、見下表，可根據(jù)施工現(xiàn)場情況酌情調(diào)整。 單作業(yè)面施工機具配備序號作業(yè)項目機具設(shè)備名稱規(guī)格型號單位數(shù)量備注1開挖電動壓風(fēng)機20m3/min臺5高壓供風(fēng)雙液注漿機4m3/h臺2注漿風(fēng)鎬G10臺8開挖修邊風(fēng)動鑿巖機YT-28臺15系統(tǒng)錨桿、超前支護、局部爆破鉆眼挖掘機CAT320C臺1開挖、裝碴自卸車20t輛6出碴裝載機小松WA470輛2裝碴泥漿泵100m3/h臺2排水2初期支護鋼筋切斷機QJ401臺1加工鋼筋鋼筋折彎機40臺1加工鋼筋電焊機BX300臺5加工鋼架、格柵及其他鋼構(gòu)件電焊機BX400臺2加工鋼構(gòu)件臺式鉆床SP-25A臺1加工鋼構(gòu)件攪拌機JS500臺2拌合混凝土濕噴機TK961臺3噴射混凝

9、土3量測儀器全站儀索佳SET2130R臺1水準(zhǔn)儀PENTAXAP-128臺1銦鋼尺個24通風(fēng)通風(fēng)機SDF-No12.5臺12×110kw六、勞動組織施工人員應(yīng)經(jīng)培訓(xùn)合格后上崗，特殊工種應(yīng)持證上崗，人員分配和調(diào)整應(yīng)按不同工種配齊、配足，單作業(yè)面施工一般需要75人左右，并保持相對穩(wěn)定。 單作業(yè)面施工作業(yè)人員配備序號作業(yè)項目作業(yè)內(nèi)容人數(shù)1開挖（24人）風(fēng)鎬手4風(fēng)槍手12挖掘機司機2自卸車司機62初期支護（35人）制作鋼架8安裝鋼架、格柵10噴射手3噴射機司機3噴射機上料6攪拌機司機2攪拌機上料33技術(shù)及測試（6人）技術(shù)員1試驗員1測量班長1測量工34仰拱（10人）隧底初期支護及仰拱混凝土澆

10、筑10合計75七、三臺階七步開挖法施工安全、質(zhì)量控制措施1、隧道進洞前應(yīng)做好洞頂及洞口防排水系統(tǒng)。洞頂及洞口排水溝應(yīng)鋪砌，用砂漿抹面，防止地表水及施工用水下滲，影響結(jié)構(gòu)安全。2、三臺階七步開挖法施工應(yīng)做好工序銜接。工序安排應(yīng)緊湊，盡量減少圍巖暴露時間，避免因長時間暴露引起圍巖失穩(wěn)。 初期支護應(yīng)及時封閉成環(huán)，全斷面初期支護閉合時間宜控制在15d左右； 仰拱應(yīng)超前施作，仰拱距上臺階開挖工作面宜控制在3040m。鋪設(shè)防水板、二次襯砌等后續(xù)工作應(yīng)及時進行。 對于土質(zhì)隧道，襯砌應(yīng)緊跟仰拱施工，一般為1520m，襯砌距開挖掌子面最大不得超過60m；對于巖石爆破隧道，襯砌距開挖掌子面距離須滿足爆破距離要求；

11、3、在滿足作業(yè)空間和臺階穩(wěn)定的前提下，應(yīng)盡量縮短臺階長度，核心土長度應(yīng)控制在35m，寬度宜為隧道開挖寬度的1/31/2。 4、三臺階七步開挖法施工應(yīng)嚴(yán)格控制開挖長度，根據(jù)圍巖地質(zhì)情況，合理確定循環(huán)進尺，每次開挖長度不得超過1.5m；開挖后立即初噴35cm混凝土，以減少圍巖暴露時間。5、嚴(yán)格按設(shè)計要求施作超前支護，控制好超前支護外插角，嚴(yán)格按注漿工藝加固地層，保證隧道開挖在超前支護的保護下施工。6、隧道周邊部位應(yīng)預(yù)留30cm人工開挖，其余部位宜采用機械開挖，局部需要爆破時，必須采用弱爆破，不得超挖。施工時應(yīng)嚴(yán)格控制裝藥量，減少對圍巖的擾動。7、中、下臺階左、右側(cè)開挖應(yīng)錯開，嚴(yán)禁對開，左右側(cè)錯開距

12、離宜為 23m。8、鋼架應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計及規(guī)范要求加工制作和架設(shè)。鋼架應(yīng)架設(shè)在堅實基面上，嚴(yán)禁拱（墻）腳懸空或采用虛碴回填。鋼架應(yīng)與鎖腳錨桿（管）焊接牢固。9、隧道超挖部位必須回填密實，嚴(yán)禁初期支護背后存在空洞。必要時初期支護背后應(yīng)進行充填注漿，保證初期支護與圍巖密貼。10、施工過程中可采用增加拱（墻）腳鎖腳錨桿（管）、增設(shè)鋼架拱（墻）腳部位縱向連接筋、擴大拱（墻）腳初期支護基礎(chǔ)及增設(shè)拱（墻）腳槽鋼墊板等增強拱（墻）腳承載力等措施控制變形。11、應(yīng)加強監(jiān)控量測工作，根據(jù)量測結(jié)果，及時調(diào)整支護參數(shù)，確定二次襯砌施作時間，進行信息化施工管理。12、應(yīng)完善洞內(nèi)臨時防排水系統(tǒng)，嚴(yán)禁積水浸泡拱（墻）腳及在施

13、工現(xiàn)場漫流，防止基底承載力降低。當(dāng)?shù)貙雍看髸r，上臺階開挖工作面附近宜開挖橫向水溝，將水引至隧道中部或兩側(cè)排水溝排出洞外。必要時應(yīng)配合井點降水等措施，降低地下水位至隧道仰拱以下，確保施工順利進行。反坡施工時，應(yīng)設(shè)置集水坑將水集中抽排。13、隧道施工應(yīng)加強洞內(nèi)通風(fēng)，作業(yè)環(huán)境應(yīng)符合職業(yè)健康及安全標(biāo)準(zhǔn)。八、工程實例1、鄭州至西安客運專線ZXZQ08標(biāo)張茅隧道長度為8489m，隧道最大涌水量18990m3/d，開挖斷面164m2，地質(zhì)為Q2老黃土，為全線控制性工程，采用“三臺階七步開挖法”施工進度提升至7075m/月，遠遠高于CD、CRD法3035m/月的施工進度；初期支護全環(huán)封閉在15d左右，仰拱

14、緊跟開挖面，成環(huán)封閉快，確保了隧道施工安全；較CD、CRD法平均每延米節(jié)約7000多元的施工成本；無需投入特殊設(shè)備，施工工藝滿足質(zhì)量要求，提前合同工期50天安全順利貫通，經(jīng)濟和社會效益顯著。2、京珠高速公路靠椅山隧道，隧道分左右線，設(shè)計為單洞三車道，采用R=7.4m單心圓曲墻式襯砌。最大開挖跨度為16.7m，最大開挖高度為10.1m。最大開挖斷面165.45m2,地質(zhì)為中下泥盆統(tǒng)桂光群砂巖及泥質(zhì)粉砂巖夾薄層頁巖，因受摺曲及構(gòu)造擠壓影響，巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層破碎，巖石風(fēng)化成亞砂土、亞粘土，原巖結(jié)構(gòu)完全破壞。在軟巖地段施工中，采用三臺階七步開挖法，縮短工期50天，保證了整座隧道按期完成。3、深圳鹽壩高速公路大梅沙隧道，為分離式雙洞單向三車道隧道，為三心圓內(nèi)輪廓形式；最大開挖跨度為15.15m,高度為11.3m。雙洞洞身基本平行，中心距離平均40m。鹽田端左右線洞口段均有80m類圍巖地段，為全風(fēng)化花崗巖，