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1、大断面黄土隧道三台阶七步开挖法施工技术刘伟：中铁三局集团有限公司桥隧工程分公司，工程师，河北 邯郸，056003 摘要：针对西（安）平（凉）铁路中咀号隧道地质结构，分析对比中隔壁法、交叉中隔壁法、双侧壁导坑法和三台阶七步开挖法的主要技术特点，确定施工方案和采用三台阶七步开挖法进行施工。介绍三台阶七步开挖法施工工艺及原理，论述上台阶开挖支护、中台阶左侧和下台阶右侧边墙开挖支护、仰拱开挖支护和施工注意事项。分析施工重点，提出监控量测、超前支护、及时封闭仰拱、及时封闭二次衬砌永久支护、加设锁脚锚杆、预防塌方等安全保证措施，以及质量保证措施。关键词：大断面黄土隧道；三台阶七步开挖法；施工工艺；西平铁路
2、 西（安）平（凉）铁路正线全长 263.1 km，为国家级电气化单线铁路，设计时速 120 km，货运量为 3000 万 t/年，单向客运量为 160 万人/ 年。西平铁路连接陇海、宝中两条重要的铁路干线，建成后可兼顾部分省际及地方客货运输，建设工期 4 年。西平铁路第一标段的中咀号隧道全长 1158 m，呈南高北低走势，周边冲沟发育，切割深度 50200 m，小型冲沟较多，大型冲沟进出口各有一个。冲沟两侧坡面较陡，沟内小型浅层高度滑坡、错落发育，多有溜坍、坍塌。隧道地处黄土残塬区，地质结构复杂，地表主要为第四系上更新统及中更新统黏质黄土，具级自重湿陷性，湿陷土层厚度约 2040m。隧道进出口
3、段埋深小于20m 的地段均位于湿陷性土层范围内，对工程影响较大。隧道洞身为黏质黄土，棕黄、棕红色，具大孔隙结构，粉土质，夹数层古土壤层，具垂直柱状节理，具有自重湿陷性。1 施工方案与方法确定黄土隧道工程地质条件较差，施工断面大，确立施工方案必须遵循以下原则：重地质、管超前、短开挖、强支护、快封闭、早成环，主要开挖方法有中隔壁法（CD 法） 、交叉中隔壁法（CRD 法） 、双侧壁导坑法、三台阶七步开挖法等。CD 法、CRD 法或双侧壁导坑法的各部开挖及支护自上而下，步步成环，及时封闭，各分部封闭成环时间短，但分布较多，施工速度慢，不利于机械化作业，后面的开挖和拆除支护将对前面施工形成的力学平衡体
4、系产生影响，围岩应力状态多次改变，可能出现较大的变形量。其施工面多，作业干扰大，拆除临时支撑时安全性差。三台阶七步开挖法在隧道开挖过程中分上、中、下台阶和仰拱 4 部分，前后左右 7 个不同的开挖面相互错开并同时开挖，同时支护，形成支护整体，缩短作业循环时间，逐步向纵深挖掘。其实质为台阶法的一种，拱部采用环形开挖预留核心土，利用核心土施压掌子面，中部和下部也是先开挖两侧，保持中部土体不动，保证掌子面稳定。三台阶七步开挖法主要技术特点如下。（1）施工空间大, 大型施工机械可多个作业面平行施工，工效高。部分软岩地段可采用挖掘机直接开挖下半部断面，减少对围岩扰动。（2）在地质结构复杂多变、软硬围岩相
5、间的隧道施工中，施工方法调整灵活，进度稳定，工期保障性强。（3）适应不同跨度和多种断面形式，不需拆除临时施工支护，节省投资。（4）混凝土仰拱超前施作，便于初期支护及时闭合不承载，改变洞内作业、运输环境。（5）全断面一次施作防水层和灌筑混凝土衬砌，确保混凝土衬砌施工质量。（6）无需增加特殊设备，投入少，操作性强，易推广。通过对施工方法的分析比选，确定中咀号隧道采用三台阶七步开挖法开挖。2施工原理及工艺三台阶七步开挖法为平行流水作业，采用分步平行开挖和施作拱墙初期支护，仰拱超前施作及时闭合，构成稳固的初期支护体系，保护围岩的天然承载力，有效抑制围岩变形，并通过量测监控系统信息反馈，指导施工和及时调
6、整支护参数与混凝土衬砌时间。在断层带、破碎带等自稳性较差地层和富水地层中，采用小导管预注浆固结、止水等辅助施工措施，采用上部弧形导坑法短开挖施作拱部初期支护后，再左右错位开挖及进行边墙初期支护，下台阶立即进行仰拱施作，尽早闭合成环构成支护体系。三台阶七步开挖法施工工艺以机械为主，人工辅助修边。上台阶每循环开挖进尺为 l 榀钢架距离（0.8 m） ，高度约 3.9 m，台阶长度控制在 35 m，核心土距拱顶 1.52.0 m，其两侧距开挖面约 2 m；中台阶开挖高度约 4.5 m，台阶长度控制在 34 m；下台阶开挖高度约 2 m 。上台阶钢拱架由 3 个单元组成，避免连接部位在拱顶，各单元钢架
7、之间采用 16mm 厚的钢板通过 4 套 M20 高强螺栓连接。三台阶七步开挖法工艺流程见图。仰拱喷混凝土开挖仰拱立设钢架仰拱钢筋拱墙防水超前小导管开挖弧形拱部立设拱部钢架锚杆、网片安装开挖左右侧中部台阶立设钢架锚杆、网片安装拱部喷混凝土 中部台阶喷混凝土开挖左右侧下部台阶立设钢架锚杆、网片安装下部台阶喷混凝土拱墙钢筋拱墙衬砌图 1 三台阶七步开挖法工艺流程2.1施工步骤2.1.1 上台阶开挖支护（1）在隧道拱部 130范围打设 42 mm 超前小导管。相关施工参数：壁厚3.5 mm， L=3.5 m，环向间距 40 cm，外插角 510，搭接长度1.0 m。（2）利用挖掘机开挖上台阶，每循环
8、开挖长度控制在 0.81.0 m，即 1 榀钢架的距离，开挖后人工修边，及时喷射 4 cm 厚混凝土，封闭作业面。（3）初喷后打设系统锚杆和挂设钢筋网片。系统锚杆采用 22 mm 药包锚杆，长 4m，间距 l m 1 m，梅花形布置。钢筋网片采用 8 mm 钢筋，网格间距20 cm20 cm。（4）架设 I20b 型钢钢架，上台阶分 3 节安装，环向用钢板螺栓连接，纵向用 22 钢筋连接，环向间距 1.0 m，超前小导管尾端焊接在钢架上。（5）钢架安装完毕后进行锁脚锚杆施工，锁脚锚杆采用 22 mm 钢筋，长度4.0 m，每处设置 2 根。（6）在钢架、锚杆和钢筋网施工后，及时复喷 C25 混
9、凝土，其厚度应达到设计要求，上台阶施工完成形成承载拱。2.1.2 中台阶左侧和下台阶右侧边墙开挖支护（1）上台阶超前中台阶 35 m 后，交错开挖中台阶左侧和下台阶右侧边墙，每次开挖控制在 12 榀，左右两侧的初期支护不同时处于悬空状态。中台阶开挖高度约 4.5 m，应分上下两次开挖，便于人工修边和对上台阶初期支护底部修凿。此期间挖掘机开挖下台阶。当中台阶上部修边和上台阶初期支护底部修凿结束后，继续开挖中台阶下部。（2）中台阶下部修边结束后，及时喷射 4 cm 厚混凝土，封闭作业面。（3）初喷后打设系统锚杆和挂设钢筋网片。系统锚杆采用 22 mm 药包锚杆，长 4 m，间距 l ml m，梅花
10、形布置。钢筋网片采用 8 mm 钢筋，网格间距 20 cm20 cm。（4）及时安装拱架，复喷混凝土。中台阶长度控制在 34 m。中台阶右侧和下台阶左侧边墙开挖支护方法同上，故不在赘述。2.1.3 仰拱开挖支护下台阶开挖达到 25 m 时进行仰拱开挖。仰拱分两次开挖，每次开挖 3 m 后立即进行仰拱初期支护，完成一个仰拱施工长度后，及时浇筑仰拱混凝土，随后搭设仰拱栈桥，继续开挖前方掌子面。2.2 施工注意事项（1）为保证钢架设置稳固，钢架基脚部位地基应坚实，架立钢架时挖槽就位。（2）钢架平面应垂直隧道中线，倾斜度不应大于 2，钢架任何部位偏离铅垂面不能大于 5 cm。（3）为增强钢架整体稳定性
11、，应将钢架与纵向连接筋、系统锚杆、定位筋和锁脚锚杆焊接牢固。（4）钢架连接接头要连接牢固，拱脚部位易发生塑性剪切破坏，因此接头除采用螺栓连接外，四周还要焊接，确保其刚度和强度。（5）钢架和初喷层间存在较大间隙时，设置骑马或楔形垫块顶紧围岩，钢架与围岩间距不应大于 5 cm。3 施工重点（1）浅埋和含水量较大地段设置超前小导管，根据开挖情况减小环向设置间距，直到消除拱部开挖掉块现象为止。深埋和地质情况较好地段开挖时无掉块现象可不设。（2）开挖时严格控制欠超挖，机械开挖时应预留 30 cm 由人工开挖，减少对围岩的扰动，并保证岩面圆顺，及时初喷 4 cm 混凝士以封闭暴露围岩，增强岩体整体性，为初
12、期支护后续工作争取安全时间。（3）严格控制钢架加工质量，减少安装拼接时间，保证安装质量。钢架间应连接牢固，必要时可加焊钢筋。（4）设置锁脚锚管是保证初期支护安全的重要措施。试验和量测表明，在拱脚和墙脚位置，初期支护受到较大竖向压力和侧向压力，锁脚锚管可保证工字钢受到侧向力时不向洞内位移，同时起到抑制拱架整体下沉作用，保证初期支护结构在施工过程中受力稳定。根据实际变形情况，每分节处锚管可由设计的 2 根增为 4 根，同时应确保锁脚锚管与钢架的焊接质量。（5）扩大拱墙脚是减少拱顶下沉量的有效措施。扩大拱墙脚增大承压面积，有利于施工过程中竖向压力的传递，也有利于该节点横向受力的稳定。实际施工中，上台
13、阶拱脚宽度由设计的 80 cm 扩大为 100 cm，下台阶墙脚由设计的 50 cm 扩大为 80 cm，另外增设中台阶扩大拱脚，宽度为 80 cm。（6）在拱墙脚下垫设槽钢或混凝土垫块，以增大地基承载力，减小初期支护闭合前的整体下沉量。（7）加密初期支护钢架的纵向连接钢管，提高钢架间整体受力能力，可将设计环向间距由 1.0 m 调为 0.8 m。（8）喷锚时钢架背面应与围岩喷实密贴，不密贴时可采用同级混凝土垫块填塞或采用注浆，保证初期支护钢架背面无空洞，使钢架与围岩形成联合支护体共同受力。（9）仰拱及时施作是确保初期支护安全的根本措施，仰拱及填充混凝土要及时浇筑，与掌子面间的距离不得大于规定
14、的安全距离，一般控制在 35 m 以内，尽早封闭成环，有利于形成完整的初期受力体系。及时跟进二次衬砌施工，有利于尽早形成完整的隧道受力结构，一般控制在距掌子面 70 m 以内，特殊地段单独考虑。（10）适当预留开挖变形量，施工前期预留变形量 15 cm，在施工工艺及措施优化基础上，通过监控量测及时进行调整。（11）合理控制步长，上台阶步长控制在 35 m，中台阶 34 m，上台阶每次开挖 1 榀钢架距离，中、下台阶可根据地质情况一次开挖 12 榀钢架距离，仰拱开挖每次控制在 35 m。4 安全保证措施（1）监控量测。隧道施工中，从第一组衬砌开始，在一个断面内的拱顶和拱脚处设置 7 个观测点，采
15、用收敛计和水平仪观测拱脚水平收敛和拱顶下沉量。随着隧道施工进程，每隔 10 m 为一个观测断面，最前端的观测断面紧跟掌子面。根据观测结果，适当调整预留沉降量，保证了二次衬砌厚度。施工中监控量测应注意的事项如下：一是为获取开挖后围岩早期状态变化数据，观测点应尽量靠近开挖面布置（不大于 2 m） ，开挖后 24 h 内或下次开挖前，读取初次数据。二是周边收敛、拱顶下沉和地表下沉观测点应尽量集中在断面布设，以便量测结果的分析和综合运用。三是量测时, 拉出钢尺( 拉出长度大于量测基线) 在环境气温下停放 20 min 后进行量测。四是采用台阶法开挖时, 下半断面开挖靠近上半量测断面时, 适当增加量测次
16、数。（2）超前支护。为保证开挖工作面稳定，防止开挖时出现坍塌，针对中咀号隧道黏质黄土的特点，施工采取了在拱墙打设超前小导管的超前支护措施。其直径 42 mm，长 3.5 m，环向间距 40 cm，外插角 510。首先将工作面整平，紧贴工作面支设一榀型钢钢架，用锁脚、定位锚杆将其固定，沿断面外轮廓设置一环超前小导管，其尾端与钢架焊为一体。隧道内纵向间距 2.4 m 设置一环小导管，其尾端与钢架焊为一体，每排小导管搭接长度 1.1 m。（3）及时封闭仰拱及施作二次衬砌。根据量测，一次混凝土初期支护完成后，为避免继续变形，应及时封闭仰拱。并施作永久支护二次衬砌。（4）加设锁脚锚杆。拱脚每侧加设 2 根锁脚锚杆。锚杆为 22 mm 钢筋，长 4 m。（5）预防塌方。开挖过程中应遵循短开挖、强支护原则，随时观察土质情况，发现土质疏松、节理发育，应调整循环进尺，加密管棚钢管数量，及时进行一次衬砌，缩短开挖与衬砌间隔时间。如果发生塌方，
