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1、软岩隧道快速施工技术专题交流会,宝兰客专软岩隧道三台阶七步开挖法及机械配套快速施工技术,二零一四年九月兰州,目 录,BLTJ-14标标段全长15.897km，位于甘肃省兰州市近郊，属兰州市管辖。起讫里程DK1012+435.5DK1028+332。标段包括隧道2座、斜井5座、横洞2座、桥梁1座、无砟轨道31.8km。工程总平面及地理位置详见图2-1。 正线隧道：共有2座，均为单洞双线隧道，总长15817.4 m，其中特长隧道1座为古城岭隧道，长度为10364.6m，长隧道1座为兰山隧道，长度为5452.8m。 重点工程为古城岭隧道，控制工期工程为兰山隧道。,大坪沟中桥(99m) (2*40m)
2、T钢构,宝兰客专BLTJ-14标在线路中的平面位置,古城岭隧道,古城岭隧道位于兰州市榆中县定远镇，全长(DK1012+435.4DK1022+800) 10364.6m。隧道洞身主要为第三系泥岩、砂岩、砾岩、砂岩夹泥岩、砾岩夹砂岩、砾岩夹泥岩。地质复杂，隧道、级围岩长度分别为6630m、3368.6m、400m。隧道设置辅助坑道4个斜井及一个横通。,兰山隧道,兰山隧道位于兰州市南侧皋兰山腹地，起止里程DK1022+880+DK1028+332,全长5452.827m，为双线隧道，最大埋深470m，为第四系上更新统风积砂质黄土，洞身主要为冲积砂质黄土及第三系泥岩夹砂岩及砾岩，局部为碎石类土。、级
3、围岩长度分别为3368m、2084m，隧道设置辅助坑道1个横通及一个斜井。,一、工程概况,1、地形地貌 标段地处陇西黄土高原西北部，地面高程1704m1897m，沿线地形起伏较大，位于黄土高原梁峁、沟壑纵横区。 2、地层岩性 标段黄土梁峁区顶部及山坡上为第四系上更新统风积砂质黄土覆盖，沟谷中分布有第四系全新统冲积黄土、洪积圆砾土和上更新统冲、洪积砂质黄土及粗圆砾土，沟心多为第四系碎石类土层，局部第三系底层出露，洞身主要为冲积砂质黄土及第三系泥岩夹砂岩及砾岩，局部为碎石类土。 3、地质构造 标段为陇西系内旋褶带，构造相对简单。晚第三纪以来，区内新构造运动较为活跃，表现为河谷阶地上升显著，现代河流
4、侵蚀、下切明显，河谷两岸阶地发育，构成颇为典型的河谷阶地地貌，新构造运动在区内表现为差异性整体抬升运动，山地断块强烈隆升，盆地相对下沉，形成现今的地貌形态和格局。标段范围内无断裂构造发育。,一、工程概况,4、水文地质 标段线路经过的地区地表水主要为沟谷内季节性流水及灌溉用水，枯水期几乎断流，水量不大。地表水对混凝土存在氯盐、硫酸盐侵蚀性。未见地下水发育。 5、不良地质体及特殊岩土地段 标段不良地质主要为黄土陷穴，主要分布于陡坎处，特殊岩土主要为湿陷性黄土、松软土及膨胀土，湿陷土层2030m，砂（黏）质黄土属松软土，层厚515m。,一、工程概况,注：1、表中带*号者为钢筋混凝土； 2、拱部系统锚
5、杆采用25普通中空锚杆，边墙采用22砂浆锚杆，所以锚杆均需设置垫板。,二、三台阶法施工工艺,标段隧道洞身主要为黄土、第三系泥岩、砾岩、砾岩夹砂岩、砾岩夹泥岩。开挖断面净空138.1-151.6，轨面上净空92。按照设计和施组，隧道开挖方法级岩石地段采用三台阶法；级黄土地段采用三台阶七步法；级围岩采用三台阶并设临时横撑；级新黄土特浅地段采用三台阶法施工，并设临时仰拱。 从截至目前实际施工情况看，三台阶七步开挖法可以适用于新老黄土、第三系泥岩、砾岩、砾岩夹砂岩、砾岩夹泥岩等围岩状况，既具有较好的适应性、又施工简便，可以提高隧道施工进度。通过加强隧道围岩监控量测，出现变形过大时及时采取措施加强支护，
6、安全也是有保障的。以下重点介绍隧道三台阶七步开挖法。,二、三台阶法施工工艺,三台阶七步开挖法是指在隧道开挖过程中分上、中、下台阶和仰拱4部分，以前后左右7个不同的开挖面相互错开同时开挖，然后分部同时支护，最后形成支护整体，缩短作业循环时间，逐步向纵深推进的作业方法。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，中下部开挖也是先开挖两侧保持中部土体不动，其核心是保证掌子面稳定。参见下图：,二、三台阶法施工工艺,三台阶七步开挖法施工立体效果图,二、三台阶法施工工艺,三台阶七步开挖法施工工艺流程,二、三台阶法施工工艺,三台阶七步开挖法施工工艺流程图,二、三台阶法施工工艺,三
7、台阶七步开挖法施工步骤,拱部超前小导管预注浆支护,第1步，上部弧形导坑开挖：在拱部超前支护后进行，环向开挖上部弧形导坑，预留核心土，核心土长度2-3米，核心土距拱顶2.0m，核心土两侧距开挖面约2m。开挖循环进尺不超过2榀拱架间距。上台阶开挖高度3.5-4.0m，开挖后及时进行喷、锚、网系统支护，架设钢架，在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30打设锁脚锚杆，拱脚锚杆和钢架牢固焊接，复喷砼至设计厚度。,第2、3步，左右侧中台阶开挖：开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过2榀拱架间距，开挖高度一般为33.5m，左右侧台阶错开23m，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架
8、，在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30打设锁脚锚杆，拱脚锚杆和钢架牢固焊接，复喷砼至设计厚度。,第4、5步，左右侧下台阶开挖：开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过2榀拱架间距，开挖高度一般为33.5m，左右侧台阶错开23m，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30打设锁脚锚杆，拱脚锚杆和钢架牢固焊接，复喷砼至设计厚度。,第6步，分别开挖上中下台阶预留核心土。,第7步，隧底开挖：每循环开挖进尺长度不超过3m。开挖后及时施作仰拱初期支护，完成两个隧底开挖、支护循环后，及时施作仰拱，仰拱分段长度6m。,二、三台
9、阶法施工工艺,二、三台阶法施工工艺,上台阶立拱架，中下台阶出碴（挖机位于中台阶）,挖机拢碴，装载机出碴,掌子面喷浆，同时仰拱初支立拱,二、三台阶法施工工艺,仰供施工采用18m仰供栈桥（两端各搭接3m，可施做2组（每组6m）仰供混凝土），人工配合挖机开挖，20m自卸汽车出碴。 仰供施工按照“开挖支护一次3m，衬砌一次6m；下组仰供开挖支护与上组仰供填充养生同步，栈桥移动一次6m”组织施工。具体施做工艺如下： 在18m仰供栈桥保护下，仰供一次开挖长度不大于3m，立即施做仰供支护封闭成环；再开挖3m仰供，立即施做仰供支护封闭成环。形成6m仰供初支后，进行仰供钢筋绑扎、立模板，仰供及填充混凝土浇筑和养
10、生。在填充混凝土养生的同时（在不移动仰供栈桥情况下）可以进行下一次组仰供的开挖支护施工（分2次施做，每次3m，共6m），待上一组填充混凝土强度达到行车条件即可将栈桥移至该组仰供端头。进入下一循环。,二、三台阶法施工工艺,仰供开挖施工中,仰供施工采用18m仰供栈桥（两端各搭接3m，可施做2组（每组6m）仰供混凝土），人工配合挖机开挖，20m自卸汽车出碴。 仰供施工按照“开挖支护一次3m，衬砌一次6m；下组仰供开挖支护与上组仰供填充养生同步，栈桥移动一次6m”组织施工。,二、三台阶法施工工艺,1、三台阶七步开挖法施工必须做好工序衔接。工序安排应紧凑，尽量减少围岩暴露时间，避免因长时间暴露引起围岩失
11、稳。 2、严格控制各个台阶的循环进尺，上台阶每循环开挖支护进尺级不得大于1榀钢架间距，级不得大于2榀钢架间距；、级围岩边墙每循环开挖支护进尺不得大于2榀钢架。三台阶法施工中、上台阶长度应控制在10米以内。同一台阶两侧开挖必须错开至少23米，杜绝同一台阶的同一断面上出现同时开挖。 3、开挖坚持以机械开挖为主、人工配合风镐开挖为辅，坚持“宁欠不超”原则，施工中应预留30cm人工开挖，减少对围岩的扰动，并保证岩面圆顺，杜绝使用大型机械设备一次开挖到位。挖机开挖应由专人指挥，防止挖机碰触钢架，造成拱架变形甚至发生事故。,二、三台阶法施工工艺,4、浅埋段和含水量较大地段设置超前小导管，根据开挖情况可减小
12、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无掉块现象可不设。 5、必须高度重视初支的施工质量，应该意识到“初支质量是作业人员安全的保证”。,二、三台阶法施工工艺,6、锁脚锚管是保证初期支护安全的重要措施，保证了工字钢在受到侧向力时不发生向洞内的位移变形，同时可以起到抑制拱架整体下沉的作用，从而保证初支结构在施工过程中受力稳定。根据实际变形情况，我们在每分节处增设2-4根锚管，即由原设计的2根增为4-6根，同时保证锁脚锚管与钢架的焊接质量。为保证锁脚锚管和拱架间的有效连接，兰山出口还采取了设置锁脚穿孔钢板的形式。,二、三台阶法施工工艺,7 、为增强钢架的整体稳定性，应将
13、钢架与纵向连接筋、结构锚杆、定位系筋和锁脚锚杆焊接牢固。纵向连接筋是将各榀拱架连接为一体形成整体受力结构的保证。要重视拱架纵向连接筋的焊接质量，保证焊接长度。必要时加密纵向连接筋。 8、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，既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。在施工中，我们采取在拱墙脚下垫设混凝土垫块，以增大地基承载力，减小初期支护闭合前的整体下沉量。,二、三台阶法施工工艺,9、仰拱紧跟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大于规定的安全距离，一般距离控制在30m以内，尽早封闭成环，以利于形成完整的初期受
14、力体系。及时跟进二衬的施工，以利于尽早形成完整的隧道受力结构，一般距离控制在距掌子面70m以内，特殊地段单独考虑。,仰供紧跟,二、三台阶法施工工艺,与三台阶七步开挖法相比，采用CD法、CRD法或双侧壁导坑法开挖，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。但是这3种开挖法分部较多，施工速度慢，不利于机械化作业；后步开挖和拆除支护会对前面已经形成的力学平衡体系产生影响，围岩应力状态多次改变，有可能引起较大的变形量；而且施工面多，作业干扰大；拆除临时支撑时，安全性差。 三台阶临时横撑法及三台阶临时仰供法可理解为三台阶七步开挖法的变种。它们为控制拱脚收敛，取消了核心土，增设了临
15、时横撑或临时仰供。其施工工艺相对三台阶七步开挖法增加了临时横撑或临时仰供的装、拆，其施工控制要点及原则与三台阶七步开挖法基本相同。由于临时横撑或临时仰供的存在，不利于挖机、铣挖机等机械的机械化作业，因为施工高效率明显不如三台阶七步开挖法。,二、三台阶法施工工艺,三台阶七步开挖法具有下列特点： （1）施工空间大，方便机械化施工，可以多作业面平行作业。部分软岩或土质地段可以采用挖掘机直接开挖，工效较高。 （2）在地质条件发生变化时，便于灵活、及时地转换施工工序，调整施工方法。 （3）适应不同跨度和多种断面形式，初期支护工序操作便捷。 （4）在台阶法开挖的基础上，预留核心土，左右错开开挖，利于开挖工
16、作面稳定。 （5）当围岩变形较大或突变时，在保证安全和满足净空要求的前提下，可尽快调整闭合时间。 三台阶七步开挖法规避了侧壁导坑法、中隔壁法及交叉中隔壁法等需要拆除临时支护及受力转换造成不安全的因素，及时调整闭合时间，方便机械施工，利于施工工序转换。,二、三台阶法施工工艺,1、三台阶七步开挖法原则： 采用三台阶七步开挖法施工应尽量缩短台阶长度，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。 2、三台阶七步开挖法的适用条件： 三台阶七步开挖法适用于开挖断面为100180 平方米，具备一定自稳条件的、V级围岩地段隧道的施工。主要表现包括：黄土、强风化岩层（强风化泥岩、强风化泥质粉砂岩等）。不适用于围岩地质为流塑状态、洞口浅埋偏压段（但经过反压处理或施做超前大管棚后可采用）。,三、工序时间、人员设备配备和施工进度,各个工序时间、人员和设备配备详见： 兰山隧道出口级围岩开挖初支施工时间统计（含设备、人员）； 兰山隧道出口级围岩仰拱填充施工时间统计
