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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一恩格 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NAT M机械开挖，三车道和停车带（四车道）开挖面积为148.33186.5血。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W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 m2,弧形导坑三台阶七步开挖法是
2、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
3、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（W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
4、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I 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
5、长58m，下台阶长8 10m；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。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开挖（1）部，初喷砼， 安装（1）部钢架， 打设锁脚锚杆，挂钢筋网 打锚杆，喷砼。第三步：开挖（4）部，初喷砼，安装（4）部钢
6、架，挂钢筋网，打锚杆，喷砼。第四步：开挖（6）部，初喷砼，安装（6）部钢架，挂钢筋网，打锚杆，喷砼。第五步：开挖（8）部，初喷砼，安装（8）部钢架，挂钢筋网，打锚杆，喷砼。14弧形导坑三台阶法施工工序横断面示意图第六步：开挖（10）部，初喷砼，安装（10）部钢架，挂钢筋网，打锚杆，喷砼。第七步：开挖（12）部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、11、14道工序包括挂网、锚杆、钢架、喷砼等所有的初期支护。第八步：开挖（13）部，初喷砼，安装（13）部钢架，喷砼图 2 开挖
7、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0.8m, 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.
8、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
9、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
10、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 个占1八、u5mm （01B） 2 次/d； 1 Wu5 （12B） 1 次/d； 0.5Wu1（12B） 1 次/23d；0.2Wu0.5 （2 5B） 1 次/3d；u 5B） 1 次/7d。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1mm注：B隧道开挖宽度，u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
11、，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1开挖风镐手6矿用电钻手2挖掘机司机2自卸车司机62初期支护型钢加工6钢筋网片加工2钢架安装8喷射混凝土15混凝土搅拌运输罐车司机43混凝土生产混凝土搅拌机司机3装载机司机2机械修理工14测量及其他技术员2测工45其他队长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3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。根据机械工作能力和实际工作量，单个工作面主要
12、机械配备如表 3。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I=t数量备注1施工通风轴流式通风机SDF (c) -N0110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3施工用电发电机250kw台1备用变压器500kw台1施工及生活用电4开挖挖掘机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10矿用电钻50台5掘进打锚管、锚杆5初期支护工字钢弯曲机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、
13、网片加工及安装台式钻床24025台1钢板加工压浆机台1锚杆注浆混凝土湿喷机TK-500台3喷浆6量测及测 量仪器全站仪莱卡402台1方向控制水准仪莱卡N2台1标咼控制塔尺5m个2标咼控制精密水准仪莱卡N2台1沉降观测因瓦尺个2收敛仪JSS30A个2量测锚杆拉拔仪BL150B个1锚杆拉拔应力测试仪套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
14、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。9.2.2 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，不应有假焊漏焊现象。9.2.7掌
