1大断面黄土隧道三台阶七步开挖法施工工艺工法1 前言1.1 工艺工法概况1995 年 7 月 26 日，开挖面积达 265m2的德国最大的高速公路三车道隧道恩格贝格山底公路隧道开始采用拱部、台阶和仰拱三层七部暗挖复合衬砌技术。1997 年日本在修建神户鸣门线舞子隧道过程中，采用 TBM、SlitDrill 法与四(六)部中壁 NATM 机械开挖，三车道和停车带(四车道)开挖面积为 148.33186.51m 2。在国内，2005 年至 2008 年间，弧形导坑三台阶七步开挖施工工艺在黄土隧道级围岩地段得以成功的运用。隧道开挖宽度 15.2m，开挖高度 13.18m，开挖面积163.08，弧形导坑三台阶七步开挖法是指在隧道开挖过程中，分三个台阶七个步骤，以前后七步相互错开同时开挖，然后分部同时支护，形成支护整体，缩短作业循环时间，逐步向纵深推进的作业方法，形成开挖及施作初期支护，混凝土仰拱紧跟下台阶及时施作构成稳固的初期支护体系。1.2 工艺原理大断面黄土隧道施工按照“新奥法”原理，遵循“早预报、管超前、非爆破、短开挖、少扰动、严治水、强支护、早封闭、勤量测、紧衬砌”的原则稳步前进。开挖后立即进行初期支护，保证在最短时间封闭围岩，及时完成仰拱，使型钢成环，根据量测数据确定最佳二衬施工时间，尽早完成二衬施工。2 工艺工法特点2.1 根据黄土隧道的断面尺寸、埋深和黄土的含水量等特性，并结合目前国内施工机械设备实际情况，经过不同步长工况下监控量测数据对比分析，形成了大断面黄土隧道弧形导坑三台阶七步开挖工法的各个步距要求。2.2 初期支护由钢拱架、钢筋网片、锚杆、锁脚锚管、超前小导管、喷射微纤维混凝土等组成。2.3 大断面黄土隧道采用新奥法施工，合理安排工序衔接，可加快施工进度，缩短工期。2.4 采用监测信息化技术指导施工，使施工及成本始终处于受控状态。3 适用范围2本工艺工法适用于在黄土地区修建的大断面铁路、公路隧道深埋段（级围岩）施工，对黄土地区修建的其他地下工程亦有借鉴意义。4 主要技术标准4.1客运专线铁路隧道工程施工技术指南 （TZ214)、 客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准(铁建设2005160 号) 、 铁路隧道施工规范(TB10204)、新建铁路铁路工程测量规范(TB 10101)、 客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定( 铁建设 2007189 号).4.2 设计图纸、合同文件。5 施工方法大断面黄土隧道采用弧型导坑三台阶法掘进施工方法为：采用人工配合挖掘机开挖，初期支护采用喷锚支护，钢架采用20a 型钢，间距为 0.8m，钢架之间环向设置 42 连接钢管（间距为 1.0m） ，每分部钢架脚板处采用 2 根 42 锁脚锚管（长不小于 3.5m）固定钢拱架，C25 微纤维混凝土喷护，锚杆长 2.5m、3.5m。掘进分为上、中、下三台阶，上台阶长 35m，中台阶长 58m，下台阶长810m；每循环掘进上部 0.8m 安装型钢 1 榀，中部 0.8m 安装型钢 1 榀，下部 1.6m安装型钢 2 榀；中部左右两侧掘进应错开 2 榀型钢，下部掘进应错开 3 榀型钢；掘进后应及时喷混凝土。仰拱到掌子面距离不大于 30m，二衬到仰拱的距离不大于30m。6 工艺流程及操作要点6.1 施工工艺流程施工工艺流程图见图 1，开挖步骤图见图 2。3说明：施做初期支护指初喷混凝土、立型钢钢架、打设锁脚锚管、挂设钢筋网、打设锚杆、复喷混凝土图 1 三台阶七步开挖法施工工艺流程图测量放样超前支护（小导管、管棚）开挖上台阶预留核心土左右错开开挖中台阶，施做初期支护左右错开开挖下台阶，施做初期支护分段开挖隧底，施做初期支护施做仰拱施做仰拱填充开挖下台阶预留核心土上部弧形导坑开挖，施做初期支护监控量测，围岩稳定性评价，修正支护参数4图 2 开挖施工步骤图6.2 操作要点6.2.1 施工准备1 风、水管、电线敷设、施工便道、施工场地布置，机械设备、人员配置、材料准备、修建防排水设施、修建环保、水保设施。2 根据设计资料详细分析了解工程地质、当地水文地质情况，制定合理的施工方案和施工措施，制定施工监控量测方案及沉降观测计划。6.2.2 施工步骤大断面黄土隧道采用弧形导坑三台阶七步法开挖，主要采用人工及风镐配合挖掘机开挖，开挖后由人工及时安装钢支架并初期支护封闭，具体施工步骤如下：1 上台阶弧形开挖，弧形开挖作业高度和宽度为 1.52.0m，开挖每循环第 一 步 ：开 挖 （ 1） 部 ， 初 喷 砼 ，安 装 （ ） 部 钢 架 ，打 设 锁 脚 锚 杆 ， 挂 钢 筋 网 ，打 锚 杆 ， 喷 砼 。 第 二 步 ：开 挖 （ 3） 部 第 三 步 ：开 挖 （ 4） 部 ， 初 喷 砼 ，安 装 （ ） 部 钢 架 ，挂 钢 筋 网 ， 打 锚 杆 ， 喷 砼 。 第 四 步 ：开 挖 （ 6） 部 ， 初 喷 砼 ，安 装 （ ） 部 钢 架 ，挂 钢 筋 网 ， 打 锚 杆 ， 喷 砼 。第 五 步 ：开 挖 （ 8） 部 ， 初 喷 砼 ，安 装 （ ） 部 钢 架 ，挂 钢 筋 网 ， 打 锚 杆 ， 喷 砼 。 第 六 步 ：开 挖 （ 10） 部 ， 初 喷 砼 ，安 装 （ ） 部 钢 架 ，挂 钢 筋 网 ， 打 锚 杆 ， 喷 砼 。第 七 步 ：开 挖 （ 12） 部 第 八 步 ：开 挖 （ 13） 部 ,初 喷 砼 ，安 装 （ ） 部 钢 架 ， 喷 砼弧 形 导 坑 三 台 阶 法 施 工 工 序 横 断 面 示 意 图图 中 序 号 表 示 施 工 顺 序 ； 富 水 地 段 先打 设 超 前 小 导 管 ， 每 一 分 步 开 挖 完 成后 ， 初 喷 C25砼 4cm,架 立 型 钢 钢 架 及打 设 锁 脚 锚 杆 ， 挂 钢 筋 网 片 ， 安 装 锚杆 ， 喷 砼 ， 第 2、 5、 7、 9、 1、 4道工 序 包 括 挂 网 、 锚 杆 、 钢 架 、 喷 砼 等所 有 的 初 期 支 护 。(1)(3)(12)(6)(10)(4)(8)25 79 1(13)1450.8m，开挖后及时初喷混凝土，安装钢支撑，并施作锁脚锚管固定（42，长不小于 3.5m）,然后安装钢筋网片，钢支撑相互焊联，喷混凝土。钢支撑脚板在没有连接成环之前必须支垫踏实。2 开挖上台阶核心土，创造中台阶施工条件。3 中台阶视施工条件采用单侧或两侧开挖施工，开挖作业宽度 1.52.0m，中间暂留核心土，开挖每循环 1.6m，开挖后及时初喷混凝土，一次安装 2 榀钢支撑与上部钢支撑对接通过螺栓连接牢固，施作锁脚锚管固定（42，长不小于 3.5m）,然后安装钢筋网片，钢支撑相互焊联，喷混凝土。同样钢支撑脚板在没有连接成环之前必须支垫踏实。中台阶开挖、支护施工，两侧前后错开距离 2 榀型钢长度。4 开挖中台阶核心土，创造下台阶施工条件。5 下台阶视施工条件采用单侧或两侧开挖施工，开挖作业宽度 1.52.0m，中间暂留核心土，开挖每循环 1.6m，开挖后及时初喷混凝土，一次安装 2 榀钢支撑与中部钢支撑对接通过螺栓连接牢固，施作锁脚锚管固定（42，长不小于 3.5m）,然后安装钢筋网片，钢支撑相互焊联，喷混凝土。同样钢支撑脚板在没有与仰拱钢支撑连接成环之前必须支垫踏实。下台阶开挖、支护施工，两侧前后错开距离 2 榀型钢长度。6 开挖下台阶核心土，创造仰拱施工条件。7 开挖仰拱，施工初支。每循环开挖 35m，一次安装 46 榀型钢，仰拱钢支撑和墙下部钢支撑通过焊接牢固，仰拱施工期间采用栈桥保持通行。6.2.3 监控量测1 主要施工监测项目表 1 监控量测项目表序号 量测项目 量测方法和仪器 测点布置 测量频率测量精度1 洞内外观测现场观测，地质素描及初期支护状态观测每榀拱架 施工前洞顶现场勘测，施工中开挖后进行2 水平收敛量测 收敛剂、反射膜片配合全站仪每 1030 米一个断面，上下 2 条基线 4 个点0.1mm3 拱顶下沉 水准测量的方法，水准仪、钢尺等 每 1030 米一个断面，1 个点5mm（01B）2 次/d；15（12B）1次/d；0.51 （12B）1 次/23d；0.20.5 1mm6（25B）1 次/3d；0.2 （5B）1次/7d。注：B隧道开挖宽度，变形速速7 劳动力组织由于黄土隧道施工进尺短，人员安排多则浪费，安排少则不能正常工作，人员配置很重要，通过实践，总结出一个工作面比较理想的人员配置如表 2。表 2 单工作面作业劳动组织表序号 工作项目 作业内容 人数风镐手 6矿用电钻手 2挖掘机司机 21 开挖自卸车司机 6型钢加工 6钢筋网片加工 2钢架安装 8喷射混凝土 152 初期支护混凝土搅拌运输罐车司机 4混凝土搅拌机司机 3装载机司机 23 混凝土生产机械修理工 1技术员 24 测量及其他 测工 4队长 1技术负责人 1质检工程师 1专职安全员 1试验员 2电工 3修理工 2空压机司机 3调度 35 其他辅助人员 58 主要机具设备弧型导坑三台阶七步法掘进用配套机械多，施工时合理安排机械不但可以加快施工进度同时还可以节约施工成本。7根据机械工作能力和实际工作量，单个工作面主要机械配备如表 3。8表 3 单个开挖面机械设备配备表序号 作业 机具设备名称 规格型号 单位 数量 备注1 施工通风 轴流式通风机 SDF（c）-NO110 台 1 通风2 施工照明 低压变压器 24v,10kw 台 2 掌子面及二衬施工平台发电机 250kw 台 1 备用3 施工用电 变压器 500kw 台 1 施工及生活用电挖掘机 PC-300-6 台 1 开挖东风（斯太尔）自卸车15t 辆 3 出碴空压机 LWJ-20/7-1 台 3 高压供风风镐 台 104 开挖矿用电钻 50 台 5 掘进打锚管、锚杆工字钢弯曲机 GW1-200 台 1 型钢加工钢筋弯曲机 GW 台 1 钢筋加工钢筋切断调直机 GQ 台 1 钢筋加工等离子切割机 GW 台 1 钢板切割交流电焊机 BX1-500 台 6 钢架、网片加工及安装台式钻床 24025 台 1 钢板加工压浆机 台 1 锚杆注浆5 初期支护混凝土湿喷机 TK-500 台 3 喷浆全站仪 莱卡 402 台 1 方向控制水准仪 莱卡 N2 台 1 标高控制塔尺 5m 个 2 标高控制精密水准仪 莱卡 N2 台 1因瓦尺 个 2 沉降观测收敛仪 JSS30A 个 2 量测锚杆拉拔仪 BL150B 个 1 锚杆拉拔6 量测及测量仪器应力测试仪 套 1 应力测试9 质量控制9.1 易出现的质量问题9.1.1 大断面黄土隧道富水地段容易发生坍塌掉块，变形加速。9.1.2 开挖进尺不当，造成局部坍塌。9.1.3 开挖步距过大，闭环时间过长，钢架发生变形。9.2 保证措施9.2.1 施工中采用增设锁脚锚管、放大拱脚和墙脚、增加纵向连接导管和增强基底承载力等措施，有效防止了初期支护整体沉降。同时应切实做好监控量测工作，及时进行数据分析，动态调整支护参数和预留变形量。99.2.2 严格施工技术交底制,对作业人员定期进行质量教育和考核, 教育作业队人员严格按设计及规范要求施工,确保施工工程质量。9.2.3 上台阶开挖进尺为 1 榀型钢的间距，中台阶开挖进尺为 2 榀型钢的间距，下台阶开挖进尺为 3 榀型钢的间距。9.2.4 加强监控量测，及时反馈信息，依量测数据为依据，提高应变能力。9.2.5 钢架、锚喷网支护要紧跟开挖进行，以利于发挥围岩的自承能力，保证施工安全。9.2.6 钢架安装间距误差要求在10cm 内，锚杆间距误差在15cm 内，锚杆长度不小于设计长度的 95%，钢筋网片搭接长度误差在5cm 内，钢架安装垂直度误差在2内，型钢、网片、连接管之间焊接焊缝应饱满，不应有假焊漏