三臺(tái)階七步開挖施工工法

三臺(tái)階七步開挖施工工法由中鐵十二局集團(tuán)有限公司完成的工法01形成原因操作原理質(zhì)量控制工法特點(diǎn)材料設(shè)備安全措施目錄030502040607環(huán)保措施工程實(shí)例效益分析榮譽(yù)表彰目錄0908010基本信息《三臺(tái)階七步開挖施工工法》是中鐵十二局集團(tuán)有限公司完成的建筑類施工工法；作者分別是趙華鋒、趙香萍、李新芳；適用范圍是開挖斷面為100～180平方米，具備一定自穩(wěn)條件的Ⅳ、V級(jí)圍巖地段隧道的施工?！度_(tái)階七步開挖施工工法》主要的工法特點(diǎn)是：施工空間大，方便機(jī)械化施工，可以多作業(yè)面平行作業(yè)；能靈活、及時(shí)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，初期支護(hù)工序操作便捷；在臺(tái)階法開挖的基礎(chǔ)上，預(yù)留核心土，左右側(cè)錯(cuò)開開挖。2009年10月19日，《三臺(tái)階七步開挖施工工法》被中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部評(píng)定為2007-2008年度國家一級(jí)工法。形成原因形成原因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(jìn)度慢、工效低、存在一定的局限性，限制了大型施工機(jī)械的使用，基本靠人工開挖，工效低、速度慢，難以滿足客運(yùn)專線工期要求；拆除臨時(shí)支護(hù)時(shí)，正洞初期支護(hù)會(huì)因突然卸載而出現(xiàn)大的變形，存在安全風(fēng)險(xiǎn)；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(shí)支護(hù)反復(fù)拆除，成本投入大等。而中國大斷面軟巖隧道施工中，往往會(huì)面臨以下問題：對(duì)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工方法；能發(fā)揮大型施工機(jī)械的優(yōu)勢，以求最佳的施工進(jìn)度；把長期施工實(shí)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(dá)到快速形成施工能力的目的等要求。借鑒截至2007年大斷面隧道施工的成功經(jīng)驗(yàn)，規(guī)避傳統(tǒng)施工方法的局限性，以加快隧道施工進(jìn)度、保證隧道施工安全、提高施工質(zhì)量為目的，中鐵十二局集團(tuán)有限公司提出了三臺(tái)階七步開挖法施工的工藝流程、施工步驟、控制要點(diǎn)、勞動(dòng)組織、機(jī)具設(shè)備等，突出大斷面軟巖隧道開挖施工的技術(shù)特點(diǎn)，總結(jié)完善形成了《三臺(tái)階七步開挖施工工法》。

工法特點(diǎn)工法特點(diǎn)《三臺(tái)階七步開挖施工工法》的工法特點(diǎn)是：⒈施工空間大，方便機(jī)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(jī)直接開挖，工效較高。⒉在地質(zhì)條件發(fā)生變化時(shí)，便于靈活、及時(shí)地轉(zhuǎn)換施工工序，調(diào)整施工方法。⒊適應(yīng)不同跨度和多種斷面形式，初期支護(hù)工序操作便捷。⒋在臺(tái)階法開挖的基礎(chǔ)上，預(yù)留核心土，左右側(cè)錯(cuò)開開挖，利于開挖工作面穩(wěn)定。⒌當(dāng)圍巖變形較大或突變時(shí)，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(shí)間。

操作原理適用范圍施工工藝工藝原理操作原理適用范圍《三臺(tái)階七步開挖施工工法》適用于開挖斷面為100~180平方米，具備一定自穩(wěn)條件的Ⅳ、V級(jí)圍巖地段隧道的施工。不適用于圍巖地質(zhì)為流塑狀態(tài)、洞口淺埋偏壓段（但經(jīng)過反壓處理或施作超前大管棚后可采用）。

工藝原理《三臺(tái)階七步開挖施工工法》是在隧道開挖過程中，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(gè)臺(tái)階七個(gè)開挖面，以前后七個(gè)不同的位置相互錯(cuò)開開挖，分部及時(shí)支護(hù)，形成支護(hù)整體，縮短作業(yè)循環(huán)時(shí)間，各部位的開挖與支護(hù)沿隧道縱向錯(cuò)開、平行推進(jìn)的隧道施工方法。

施工工藝《三臺(tái)階七步開挖施工工法》的工藝流程見圖1。

圖1施工工藝流程圖《三臺(tái)階七步開挖施工工法》的操作要點(diǎn)如下：《三臺(tái)階七步開挖施工工法》的施工步驟見圖2。

圖2開挖步驟圖（1）《三臺(tái)階七步開挖施工工法》的開挖透視見圖3。

圖3開挖透視圖《三臺(tái)階七步開挖施工工法》的施工工序見圖4。

圖4施工工序圖第1步，上部弧形導(dǎo)坑開挖:在拱部超前支護(hù)后進(jìn)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3~5米，寬度宜為隧道開挖寬度的1/3~1/2。開挖循環(huán)進(jìn)尺應(yīng)根據(jù)初期支護(hù)鋼架間距確定，最大不得超過1.5米，開挖后立即初噴3~5厘米混凝土。.上臺(tái)階開挖矢跨比應(yīng)大于0.3，開挖后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行噴、錨、系統(tǒng)支護(hù)，架設(shè)鋼架，在鋼架拱腳以上30厘米高度處，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(jì)厚度。第2、3步，左、右側(cè)中臺(tái)階開挖:開挖進(jìn)尺應(yīng)根據(jù)初期支護(hù)鋼架間距確定，最大不得超過1.5米，開挖高度一般為3~3.材料設(shè)備設(shè)備材料材料設(shè)備材料《三臺(tái)階七步開挖施工工法》使用的材料都是常用的，不作說明。

設(shè)備《三臺(tái)階七步開挖施工工法》操作簡單，單作業(yè)面施工機(jī)具配備見表1，可根據(jù)施工現(xiàn)場情況酌情調(diào)整。

質(zhì)量控制質(zhì)量控制施工單位采用《三臺(tái)階七步開挖施工工法》的質(zhì)量控制要求如下：以《客運(yùn)專線鐵路隧道工程質(zhì)量評(píng)定及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》和《客運(yùn)專線隧道施工技術(shù)指南》為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量控制。

⒈在滿足作業(yè)空間和臺(tái)階穩(wěn)定的前提下，應(yīng)盡量縮短臺(tái)階長度，核心土長度應(yīng)控制在3~5米，寬度宜為隧道開挖寬度的1/3~1/2。⒉三臺(tái)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(jìn)尺，每次開挖長度不得超過1.5米；開挖后立即初噴3~5厘米混凝土，以減少圍巖暴露時(shí)間。⒊嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求施作超前支護(hù)，控制好超前支護(hù)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(hù)的保護(hù)下施工。⒋隧道周邊部位應(yīng)預(yù)留30厘米人工開挖，其余部位宜采用機(jī)械開挖，局部需要爆破時(shí)，必須采用弱爆破，不得超挖。施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制裝藥量，減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)。⒌鋼架應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)及規(guī)范要求加工制作和架設(shè)。鋼架應(yīng)架設(shè)在堅(jiān)實(shí)基面上，嚴(yán)禁拱（墻）腳懸空或采用虛渣回填。鋼架應(yīng)與鎖腳錨桿（管）焊接牢固。⒍隧道超挖部位必須回填密實(shí)，嚴(yán)禁初期支護(hù)背后存在空洞。安全措施安全措施施工單位采用《三臺(tái)階七步開挖施工工法》施工時(shí)，除應(yīng)執(zhí)行國家、地方的各項(xiàng)安全施工的規(guī)定外，尚應(yīng)遵守注意下列事項(xiàng)：⒈嚴(yán)格執(zhí)行《中華人民共和國安全生產(chǎn)法》和《安全生產(chǎn)條例》等相關(guān)法律法規(guī)。⒉隧道進(jìn)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。⒊三臺(tái)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(shí)間，避免因長時(shí)間暴露引起圍巖失穩(wěn)。⑴初期支護(hù)應(yīng)及時(shí)封閉成環(huán)，全斷面初期支護(hù)閉合時(shí)間宜控制在15天左右。⑵仰拱應(yīng)超前施作，仰拱距上臺(tái)階開挖工作面宜控制在30~40米。鋪設(shè)防水板、二次襯砌等后續(xù)工作應(yīng)及時(shí)進(jìn)行。⑶對(duì)于土質(zhì)隧道，襯砌應(yīng)緊跟仰拱施工，一般為15~20米，襯砌距開挖掌子面最大不得超過60米；對(duì)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。⒋中、下臺(tái)階左、右側(cè)開挖應(yīng)錯(cuò)開，嚴(yán)禁對(duì)開，左右側(cè)錯(cuò)開距離宜為2~3米。環(huán)保措施環(huán)保措施施工單位采用《三臺(tái)階七步開挖施工工法》的環(huán)保措施如下：⒈嚴(yán)格執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)和當(dāng)?shù)氐挠嘘P(guān)環(huán)保政策和有關(guān)規(guī)定。⒉施工現(xiàn)場按照設(shè)計(jì)統(tǒng)一規(guī)劃、業(yè)主要求和施工環(huán)保的要求進(jìn)行實(shí)施。⒊污水處理采用多級(jí)沉淀池過濾沉淀。處理的工藝流程為：污水-收集系統(tǒng)-多級(jí)沉淀-沉淀凈化處理-排入河道。⒋嚴(yán)禁亂倒、亂卸。施工現(xiàn)場設(shè)密閉式垃圾站，施工垃圾和生活垃圾按規(guī)定分開收集，做到每班清掃，每班清運(yùn)。⒌施工道路上要適量灑水，減少粉塵污染。⒍隧道施工應(yīng)加強(qiáng)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)。

效益分析經(jīng)濟(jì)效益環(huán)保效益社會(huì)效益效益分析經(jīng)濟(jì)效益施工單位采用《三臺(tái)階七步開挖施工工法》的效益分析如下：大斷面軟巖隧道施工采用“三臺(tái)階七步開挖法”，與傳統(tǒng)的大斷面隧道CRD法施工比較，主要有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：一是拓展了隧道的施工空間，可以做到大型施工機(jī)具生產(chǎn)效率最大化，避免了CRD法作業(yè)空間小、限制了大型施工機(jī)具使用的尷尬局面，提高了單位時(shí)間內(nèi)的施工產(chǎn)值，縮短了整個(gè)單位工程的施工工期；二是降低了人工用量和勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了工費(fèi)成本，由以往密集型勞力施工轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械化、程序化施工；三是采用“三臺(tái)階七步開挖法”施工沒有臨時(shí)支護(hù)環(huán)節(jié)，節(jié)約了臨時(shí)支護(hù)成本，減少投資浪費(fèi)；四是工程質(zhì)量滿足驗(yàn)標(biāo)要求，操作便捷。以鄭西客運(yùn)專線張茅隧道為例：與傳統(tǒng)的大斷面隧道CRD法施工相比，采用“三臺(tái)階七步開挖法”，發(fā)揮了大型施工機(jī)具的使用效率，施工進(jìn)度由30~35米/月提升至70~75米/月，張茅隧道整體工期提前6個(gè)月結(jié)束，節(jié)約各項(xiàng)管理成本300多萬元、節(jié)約工費(fèi)成本250多萬元、與CRD法相比平均每延米節(jié)約7000多元的臨時(shí)支護(hù)成本。

社會(huì)效益施工單位采用《三臺(tái)階七步開挖施工工法》的社會(huì)效益分析如下：鄭西客運(yùn)專線張茅隧道采用三臺(tái)階七步開挖法施工技術(shù)，領(lǐng)先全線其他重難點(diǎn)隧道工程，第一個(gè)順利貫通。突破了富水大斷面黃土隧道安全風(fēng)險(xiǎn)高、施工進(jìn)度慢、施工難度大這一難題。

環(huán)保效益施工單位采用《三臺(tái)階七步開挖施工工法》施工現(xiàn)場按照設(shè)計(jì)統(tǒng)一規(guī)劃、遵循業(yè)主和施工環(huán)保要求進(jìn)行實(shí)施，隧道地下水及施工用水從核心土開槽引排至集水井，既不影響施工又方便污水處理。施工現(xiàn)場設(shè)密閉式垃圾站，施工垃圾和生活垃圾按規(guī)定分開收集，做到每班清掃，每班清運(yùn)，施工環(huán)境粉塵污染少。

注：施工費(fèi)用以2007-2008年施工材料價(jià)格計(jì)算工程實(shí)例工程實(shí)例施工單位采用《三臺(tái)階七步開挖施工工法》的工程實(shí)例如下：⒈鄭州至西安客運(yùn)專線ZXZQ08標(biāo)張茅隧道長度為8489米，隧道最大涌水量立方米/天，開挖斷面164平方米，地質(zhì)為Q2老黃土，為全線控制性工程，采用“三臺(tái)階七步開挖法”施工進(jìn)度提升至70~75米/月，高于CD、CRD法30~35米/月的施工進(jìn)度；初期支護(hù)全環(huán)封閉在15天左右，仰拱緊跟開挖面，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；無須投入特殊設(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。⒉小康高速公路包家山隧道全長11.2公里，隧道圍巖以千枚巖為主，地下水豐富，斷層破碎帶較多，圍巖分級(jí)以Ⅳ、V級(jí)為主，其中富水千枚巖地段共1970米，占隧道總長的20%，開挖斷面106平方米。包家山特長隧道于2006年12月開始進(jìn)入富水千枚巖地段，采用三臺(tái)階七步開挖法，平均日進(jìn)尺3.75米/天，比中國已施工的富水千枚巖隧道（西康鐵路堰嶺隧道、金雞嶺隧道、蘭烏二線烏鞘嶺隧道）月進(jìn)尺快20~30米，縮短了工期。⒊張集鐵路牛家營隧道全長836米，隧道內(nèi)輪廓按200公里/小時(shí)客貨共線鐵路雙層集裝箱運(yùn)輸建筑限界設(shè)計(jì)，軌面以上凈空橫斷面88.29平方米