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1、含水率高的新黄土三台阶六部开挖快速施工工法(0811) 高含水率新黄土隧道 三台阶六部开挖快速施工工法 中铁隧道集团有限公司 赵庚亮 祝扬军 赵广平 苏龙 许殿瑞 杨佑权 1. 前言 随着国家西部大开发的不断推进和铁路跨越式发展，西部铁路建设将作为交通 运输的主要通道，因此该地区的黄土软岩隧道施工，将是未来一段时间内隧道施工 的主要开发项目。 太中银铁路绥靖SJS,?标段岗城隧道进口有375m处于第四系新黄土地层，浅黄, 褐黄色，土质均匀，以砂质为主，具大空隙，天然孔隙比0.52,0.58;具湿陷性， 湿陷系数 s,0.028,0.093，属自重湿陷场地，湿陷等级为?,? 级，局部属非自重 湿
2、陷场地，湿陷等级为 ?级( 中等)，且含水率高，天然含水量到16.5,19.1% ，饱和 度 85.7,92.6% ，为饱和性黄土。该地层对隧道的主要地质危害主要为黄土崩塌， 小范围堆塌及黄土陷穴。太中银铁路为双线铁路，隧道黄土?级围岩断面开 2 挖跨度 12.94m、高 12.42m, 开挖面积 140.98m，断面大。因其独特复杂的工 程地质与国内大跨黄土 隧道施工技术的不同，通过施工总结提出了一套新的施工方法，高含水率新黄 土隧道三台阶六部开挖快速施工工法，此工法在台阶法基础上调整了中下台阶左右 侧错开距离 (3,5m) ，有利于控制拱顶沉降及预防掉拱事故，保证施工时不会同地段 初期支护
3、左右两侧同时悬空，且台阶距离短，能及时封闭成环，相比台阶法其更具 安全性 ; 与其它三台阶七部开挖法相比，此工法减少了许多临时支护，更经济，且 施工作业面变大，所以施工进度相比之下也有很大突破; 因此有必要对该工法进行 研究，为类似工程提供借鉴。 2. 工法特点 2.1 采用分部开挖支护方式，各作业面平行施工，起到化整为零的效果，从而 加快施工进度。施工进度快，掘进速度最高达到111m/月，为同类地质条件隧道施 工的先进水平。 2.2 在地质条件发生变化时，易于灵活、及时地转换施工工序，调整施工方 法。 2.3 台阶长度短，初期支护闭合成环快，仰拱和拱墙衬砌能及时跟进，较早形 成稳定的支护体系
4、。 2.4 适用性强，适应不同跨度和多种断面形式，可为类似地质条件的纯土质类 隧道提供借鉴。 3. 适用范围 本工法适用于含水率小于20% 、跨度 9,14m的新黄土隧道，也可为其它类似软 土隧道。 4. 工艺原理 以新奥法原理为基础，施工中遵循“预支护、短开挖、少扰动、强支护、早封 闭、严治水、勤量测、早衬砌”的原则施工。 开挖方法在原三台阶的基础上进行了改进，分上台阶、中台阶左右部、下台阶 左右部、隧底三个台阶六个工作面，以前后六个不同的位置互相交错开挖，分步支 护，平行推进，形成三台阶六部开挖法。 采用三台阶六部开挖法，结合喷射混凝土及时封闭开挖面，打锚杆、挂网、钢 拱支撑、超前小导管等
5、支护方法来加强土体强度及限制围岩应力重新分布，实 施短开挖、快循环、少扰动，监控量测和超前地质预报应纳入正常的施工工序，根 据监控量测和超前地质预报提供的信息，对工程措施、施工方法和支护参数进行评 估，完善施工方案，确保工程施工的安全、经济。 三台阶六部开挖法施工中尽量缩短台阶长度，确保初期支护尽快闭合成环，仰 拱和拱墙衬砌及时跟进，尽早形成稳定的支护体系。 5. 施工工艺流程及操作要点 5.1 施工工艺流程 三台阶六步开挖法施工工艺流程图参见图5.1 第 1 页 共 14 页 5.2 操作要点 以下结合太中银铁路工程岗城隧道新黄土段的开挖来叙述操作要点。 5.2.1 超前地质预报 在长大复杂
6、地质隧道施工中，应将超前地质预报纳入施工工序，根据工程水文 地质变化及时调整施工方法和采取相应的技术措施。在新黄土隧道施工中，超前 ,50m的地质预报主要采用超前地质钻探预报，利用地质钻机对开挖前进行30 钻探，根据钻机钻进过程中钻速和所去得的芯样对开挖面前方较短距离内的地质情 况进行判断，为提高其预报的准确度，与地质素描配套使用。每发现地质有变化， 立即进行取样进行试验，主要检查土质的孔隙比、液性、塑性、天然含水率等指 标，综合判定土层自稳性、膨胀性等，每循环对开挖面地质情况进行调查记录，填 写隧道地质调查表，绘制一张开挖断面地质素描图。与设计地质情况相符地段每 10 米绘制一套包括起止点里
7、程开挖断面、两侧边墙及隧道底部地质素描图; 与设计 地质情况有出入的地段每5 米绘制一套包括起止点里程开挖面、两侧边墙及隧道底 部地质素描图。 5.2.2 超前支护 为保证隧道开挖安全，防止围岩松驰，在开挖前采用超前小导管做好超前支 护，达到改良地层、加固围岩的目的。超前小导管采用42 t,3.5mm 热扎钢管， 环向 3 根/m，纵向两榀拱架一环，施工外插角10,15?，小导管的长度根据拱架间 距而定，主要遵循相邻两排小导管搭接长度不小于1 米的原则。超前小导管配合钢 架使用，设置在拱部120?范围。考虑含水率较高新黄土地层具有湿陷性，所以超 前小导管不注浆。 第 2 页 共 14 页 5.
8、2.3 开挖、初期支护步骤及注意事项 开挖出碴方式 : 采用挖掘机开挖，人工配合修边，挖机配合装载机装碴，自卸 汽车运输。挖掘机在中台阶平台上对上、中台阶进行开挖，并将洞碴转至下台阶， 并配合装载机 ( 装载机在下台阶 ) 进行装碴、自卸汽车运输 ; 上、中台阶开挖完 后挖掘机在中台阶对下台阶左右两侧进行开挖并装车，同时装载机在下台阶装 碴、自卸汽车运输 ; 仰拱采用挖机直接开挖装碴，自卸汽车运输。开挖步骤见图 5.2.3-1,开挖透视图见图 5.2.3,2,施工工序见图 5.2.3-3所示，三台阶六部开挖 法开挖支护循环时间表如下。 台阶，装载机在下台阶装碴，主要在前4 个工序里进行，挖掘机
9、1 台，装载机 1 台，15T自卸车 4 台，每班 6 人，两班倒，共 12 人; 而隧底开挖及初支单独成立 班组，分两班倒，每班8 人，共 16 人，每天两个循环，每循环1.6m，距下台阶 20,30m，采用栈桥施工。上中下台阶每班每台阶8 人，共 2 班，共计 48 人。隧道 开挖、出碴、初支合计操作工人76 人。 开挖、初期支护步骤 : 第 1 步: 在拱部超前支护的保护下，对上台阶进行挖掘机初步开挖; 第 2 步: 人工对开挖面进行修整，同时挖掘机把上台阶开挖的土方转至下台 阶，并对中台阶左右侧两个工作面进行初步开挖; 第 3 步: 进行上台阶的拱架架立、铺设钢筋网; 同时挖掘机把中台
10、阶开挖的土方 转至下台阶，再开挖下台阶左右侧，并对中台阶左右侧开挖面进行人工修整; 第 4 步: 进行上台阶锚杆、锁脚锚管、超前小导管施工; 同时进行中台阶左右侧 两个工作面拱架架立、挂钢筋网，下台阶左右侧开挖面人工修整、架立拱架; 此时 隧道出碴已经完成，所有喷射混凝土的机具、设备、风水电等均已就位; 第 3 页 共 14 页 第 5 步: 进行上台阶喷射混凝土施工; 同时中台阶左右侧进行锁脚锚管、锚杆钻 安; 下台阶左右侧挂钢筋网、钻安锚杆及锁脚锚管; 第 6 步: 进行中下台阶左右侧四个工作面喷射混凝土施工。 注意事项 : 一、开挖 1、如上台阶掌子面围岩稳定性较差需预留核心土环形开挖时
11、，核心土长度宜 3,5m，核心土面积不小于整个上台阶开挖面的50%; 2、上中台阶长度控制在3,5m 范围内，下台阶控制在20,25m范围内，隧底开 挖及初期支护及时施作，紧跟掌子面，间距在30,40m范围内 ; 3、开挖每循环进尺为1 榀拱架间距，并做好拱架锁脚处理，及时施作初期支 护; 4、开挖施工期间加强对洞外地表的观察，对地表开裂裂缝进行及时封堵处理; 5、做好工序衔接。工序安排紧凑，减少围岩暴露时间，避免围岩失稳; 6、墙脚、拱脚预留30,50cm 厚的土层采取人工开挖，严禁超挖; 7、中、下台阶各分左右两个工作面错开开挖，错开距离为3,4m; 8、若隧道基底承载力不足，采用混凝土纵
12、梁、树根桩、灰土挤密桩、换填等 处理措施 ; 9、施工中如监控量测数据有异常，应立即暂停上中下台阶开挖，加快隧底开 挖进度，使初支仰 说明 、上、中台阶开挖高度为隧道开挖高度(不 含仰拱 ) 减去下台阶开挖高度后平均分配，一般为，、下台阶开挖高度一般 为。 第 4 页 共 14 页 第 5 页 共 14 页 拱墙衬砌 支管导前超 ? ?支期初护 支前超侧 侧右右阶阶台台阶中下台?底 上?侧侧 隧左左 ?阶阶台台中 ?第 6 页 共 14 页 图 意示面断纵图 : 图意示面正序工工施序序工工工工施施法挖开部六阶台三 拱封闭成环，根据监控量测数据确定恢复开挖时间; 10、隧道周边部位应预留20,3
13、0cm 人工开挖，其余部位采用机械开挖，施工坚 持少扰动地层的施工作业原则，严禁放炮; 11、隧底开挖每循环进尺3,4 榀拱架，及时施作隧底初期支护使之封闭成环; 开挖选择适当时候，采用仰拱栈桥配合施工，以免影响上中下台阶的施工。 二、初期支护 1、为保护围岩的自然承载力，初期支护在开挖后应立即施作。 2、高含水率黄土施钻宜采用湿风钻钻孔，施工中做好施工用水管理，完善洞 内排水系统，严禁积水浸泡拱( 墙) 脚基础及施工现场漫流 ; 3、锚杆按照隧道径向布置，必须安装垫板，且垫板与岩面密贴; 锚杆砂浆的强 度等级、配合比符合设计要求; 锚杆孔内灌注砂浆应饱满密实; 4、 钢筋网随受喷面起伏铺设，
14、并与锚杆或其他固定装置联结牢固，钢筋保护 层厚度不小于 3cm; 5、拱架分节长度根据设计尺寸及台阶高度确定，各节长度不大于4m;加工好各 单元钢架后，先在加工场进行试拼，检查钢架尺寸及轮廓是否合格，接头连接要求 同类之间可以互换。钢架加工焊接不得有假焊，焊缝表面不得有裂纹、焊瘤等缺 陷。安装拱架前清除基脚下的虚碴、虚土、等杂物，特别中下台阶安装拱架时，要 认真清除上一台阶拱脚接头处的喷浆回弹料、杂物; 拱架连接板必须采用设计螺栓 连接，严禁少上螺栓。各台阶拱脚采用槽钢或木板垫实，且槽钢或木板平面面积不 小于 28cm 50cm; 6、钢架与纵向连接筋、系统锚杆、锁脚锚管、超前小导管焊接牢固，
15、增强其 联合支护的效应。 7、拱部钢架安装后，钢架暂时不能全断面封闭成环，施工中必须严格控制锁 脚锚管施工质量，地质较差时，采用加长锁脚锚管长度或增设锁脚锚管以确保钢架 稳定。必要时在钢架底脚增设连接纵梁，纵梁采用槽钢(或工钢 ) ，与钢架底脚采用 焊接连接锁脚锚管打设及时，并采用直径22 的钢筋纵向使拱架与钢管焊接; 8、黄土隧道喷射混凝土采用工艺。喷射作业应分段、分片、分层依次进 行，喷射顺序从拱脚或墙脚自下而上对称进行。 9、黄土隧道喷射混凝土时风压一般不大于0.2MPa 。 10、喷混凝土施作前埋设控制混凝土厚度的标志桩; 喷射砼作业中如有脱落的 土块或混凝土块被钢筋网卡住时，应及时清
16、除; 11、喷射混凝土必须满足设计强度、厚度及其与岩面粘结力要求。 12、当受喷面有滴水、淋水时，采用干喷形式快速封闭出水岩面, 混凝土喷完 后在出水部位钻孔埋管集中引排; 集中出水点宜先钻孔埋管做好引排后再喷射 混凝土。 13、对因掉块、片帮、坍塌等造成的隧道超挖部位，喷混凝土必须密实，保证 初期支护与围岩密贴，严禁初期支护背后有空洞。 14、喷射混凝土表面要平顺、无空鼓、裂缝、漏喷、漏筋、和渗漏水，锚杆 头、钢筋无外漏。 15、施工过程中对初期支护应加强监控量测，根据量测结果，及时进行数据分 析，确定是否调整支护参数和预留变形量的大小，以控制拱顶下沉和围岩净空变 化。 16、挖掘机开挖时，派专人对开挖作业进行指挥，防止挖掘机等大型机械对已 施组的初支进行碰撞和冲击。 5.2.4 仰拱施工 1、隧底开挖 隧底开挖采用全幅分段施工，上面铺设仰拱栈桥，仰拱栈桥长16,18m，单幅宽 1.2m，每幅由 4 根 I32 工钢和防滑钢板焊成，栈桥放在隧道中部。隧底每循环开挖 长度控制在 2,3 榀拱架间距。如仰拱施工滞后，
