黄土隧道大断面三台阶七步开挖法施工工法

三台阶七步开挖法施工工艺工法

第五工程有限公司 XX

1 前言

1.1工艺工法概况

1995年，XX采用拱部、台阶和仰拱三层七部暗挖—复合衬砌技术开挖面积达265m2的最大的高速公路三车道隧道—XX山底公路隧道开始。1997年XX在修建XX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148.33m～186.51m。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Ⅳ级围岩地段得以成功的运用。该工艺规避了侧壁导坑法、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，方便机械化施工，利于施工工序转换，大大提高了施工效率。 1.2工艺原理

大断面黄土隧道施工按照“新奥法”原理。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

本工艺工法适用于土质围岩的大断面铁路、公路隧道深埋段（Ⅳ级围岩）施工。 4主要引用标准

2

2

1

4.1《高速铁路隧道工程施工技术指南》（铁建设【2010】241号）、《铁路隧道工程施工技术指南》（TZ204）、《铁路隧道工程施工质量验收标准》（TB10417）、《铁路工程测量规范》（TB10101）、《公路隧道施工技术规范》（JTG F60）、《公路工程质量检验评定标准》（JTG F80/1）。 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，掘进分为上、中、下三台阶七步开挖，初期支护采用型钢钢架、喷锚支护。出碴采用挖掘机配合自卸汽车运输，. 二次衬砌采用全液压整体式模板台车施工。

上台阶长3～5m，中台阶长5～8m，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。

2

图1 三台阶七步开挖法施工工艺流程图

施做二衬 开挖仰拱，施做初期支护 开挖下台阶预留核心土 左右错开开挖下台阶，施做初期支护 左右错开开挖中台阶，施做初期支护 监控量测，围岩稳定性评价，修正支护参数 上部弧形导坑开挖，施做初期支护 超前支护（小导管、管棚） 测量放样 开挖上台阶预留核心土 施做仰拱及填充 3

第一步：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。第二步：开挖（3）部第三步：开挖（4）部，初喷砼，安装（4）部钢架，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。 2(1)5(4)(3)(6)7(8)9(12)(10)11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。(13)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。

图2 开挖施工步骤图

第八步：开挖（13）部,初喷砼，安装（13）部钢架，喷砼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

1根据水文地质条件，按设计要求做好超前支护，防止围岩松弛，保证隧道开挖安全。在断层、破碎带、浅埋段等自稳性较差或富水地层中，超前支护应按设计要求进行加强。

2 上台阶弧形开挖，弧形开挖作业高度和宽度为1.5～2.0m，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（φ42，长不小于3.5m）,

4

然后安装钢筋网片，钢支撑相互焊联，喷混凝土。钢支撑脚板必须支撑稳固。

3 开挖上台阶核心土，核心土长度控制在3～5m，宽度宜为隧道开挖宽度的1/3～1/2。

4 中台阶采用单侧或两侧开挖施工，开挖作业宽度1.5～2.0m，中间暂留核心土，开挖每循环1～2榀钢架，开挖后及时初喷混凝土，安装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（φ42，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。中台阶开挖、支护施工，两侧前后错开距离2榀型钢长度。

5 开挖中台阶核心土，核心土长度控制在3～5m，宽度宜为隧道开挖宽度的1/3～1/2。。

6下台阶采用单侧或两侧开挖施工，开挖作业宽度1.5～2.0m，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（φ42，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。

7 开挖下台阶核心土。

8 开挖仰拱，施工初支。每循环开挖3～5m，一次安装4～6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 施工前洞顶现场勘测，施工中开挖后进行 测量 精度 1 洞内外观测 现场观测，地质素描及初期支护状每榀拱架 态观测 每10～30米一个断υ≥5mm（0～1B）2次/d；1收敛剂、反射膜片2 水平收敛量测 面，上下2条基线4≤υ＜5（1～2B）1次/d；0.1mm 配合全站仪 0.5≤υ＜1 （1～2B）1次个点 3 拱顶下沉 水准测量的方法，每10～30米一个断5B）1次/3d；υ＜0.2 （＞水准仪、钢尺等 面，1个点 5B）1次/7d。 /2～3d；0.2≤υ＜0.5 （2～1mm 5

注：B—隧道开挖宽度，υ—变形速速 图3 测点布置示意图 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，总结出某铁路双线隧道单作业面施工作业人员配置如表2（供参考），并可根据施工现场情况及时调整。 表2 单作业面作业劳动组织表（2班）

序号 工作项目 风镐手 1 开挖 矿用电钻手 挖掘机司机 自卸车司机 型钢加工 钢筋网片加工 2 初期支护 钢架安装 喷射混凝土 混凝土搅拌运输罐车司机 混凝土搅拌机司机 3 混凝土生产 装载机司机 机械修理工 4 测量及其他 5 其他 技术员 测工 队长 技术负责人 作业内容 人数 6 2 2 6 6 2 8 15 4 3 2 1 2 4 1 1 6

质检工程师 专职安全员 试验员 电工 修理工 空压机司机 调度 辅助人员 1 1 2 3 2 3 3 5

8 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，某单作业面主要机械配备如表3（供参考）。并可根据施工现场情况及时调整。

7

表3 单作业面机械设备配备表

序号 作业 机具设备名称 规格型号 SDF（c）-NO110 24v,10kw 250kw 500kw 单位 数量 台 台 台 台 台 辆 台 台 台 台 台 台 台 台 台 台 台 台 台 个 台 个 个 个 套 1 通风 2 掌子面及二衬施工平台 1 备用 1 施工及生活用电 1 开挖 3 出碴 3 高压供风 10 5 掘进打锚管、锚杆 1 型钢加工 1 钢筋加工 1 钢筋加工 1 钢板切割 6 钢架、网片加工及安装 1 钢板加工 1 锚杆注浆 3 喷浆 1 方向控制 1 标高控制 2 标高控制 1 沉降观测 2 2 量测 1 锚杆拉拔 1 应力测试 备注 1 施工通风 轴流式通风机 2 施工照明 低压变压器 3 施工用电 发电机 变压器 4 开挖 挖掘机 PC-300-6 东风（斯太尔）15t 自卸车 空压机 LWJ-20/7-1 风镐 矿用电钻 工字钢弯曲机 钢筋弯曲机 等离子切割机 交流电焊机 台式钻床 压浆机 混凝土湿喷机 全站仪 水准仪 塔尺 φ50 GW1-200 GW GW BX1-500 24025 TK-500 莱卡402 莱卡N2 5m 莱卡N2 JSS30A BL—150B 钢筋切断调直机 GQ 5 初期支护 6 量测及测精密水准仪 量仪器 因瓦尺 收敛仪 锚杆拉拔仪 应力测试仪

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。

8

9.2.2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。

9.2.3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。

9.2.4掌子面与仰拱之间距离不大于30m，仰拱与衬砌之间距离不大于30m。 10安全措施

10.1主要安全风险分析

黄土隧道开挖要注重塌方、突水（泥、石）、大变形等安全风险的评估，提出相应的风险处理措施，编制施工应急预案。 10.2保证措施

10.2.1施工中应严格控制施工步距，保持掌子面到仰拱距离不超过30m，仰拱到二衬距离不超过30m。

10.2.2坚持每天测量黄土含水量，并根据含水量和量测数据确定初支加固措施。

10.2.3施工时应严格按照设计要求挖大拱脚并安装好锁脚锚管，严格控制钢架下沉。

10.2.4施工时应做好防水和引排水工作，防止钢架脚板被水软化，引起过大下沉。

10.2.5施工中发现不安全因素时，应暂停开挖，加强支护措施。

10.2.6施工中应做好监控量测工作，确立临界值，并根据量测结果指导施工。如发现量测结果超出允许范围时应立即停止开挖，采取加强措施，确保围岩稳定和洞内施工安全。

10.2.7加强洞内电力、通风、排水管线路的管理，防止漏电、漏风伤人。 11环保措施

11.1避免炸药爆炸产生的有害气体和粉尘含量，减少了对空气的污染，节约了炸药等能源的消耗。

11.2通过对大断面黄土隧道采用分部开挖，充分利用人力和小型机具，减少了大型设备数量，从而减少了油料的消耗，达到节能和环保的要求。

9

11.3对于黄土隧道中加强施工用水的管理，防止水土流失。隧道施工中采用防水板和止水带等综合防排水措施，减少了黄土中水的流失，做到环保和节约水资源要求。

11.4优化了大断面黄土隧道的设计支护参数，节约了锚杆和混凝土的数量，从而节约建筑材料，起到了节约能源的目的。

11.5大断面黄土隧道洞口和弃土场等及时修建挡护和排水系统，做到先挡后弃，防止水土流失，对环境造成影响。

11.6加强机械保养维修，降低机械噪声和废气排放。 12 应用实例 12.1工程简介

由XX集团第五工程有限公司承建的XX铁路客运专线XX隧道全长7684m，设计为双线大跨黄土隧道，开挖宽度15.2m，开挖高度13.18m，开挖面积163.08㎡，隧道围岩为黄土地质，含水率5%～30%，属客运专线大断面黄土隧道。隧道深埋段采用弧形导坑三台阶七步法施工，初期支护采用喷锚支护，钢架采用Ⅰ20a型钢，间距为0.8m，含水量超过23%地段采用Ⅰ22a型钢，钢架之间环向设置φ42连接钢管（间距为1.0m，含水量大于23%时间距为0.8m），每分部钢架脚板处采用2根φ42锁脚锚管（长4.0m）固定刚拱架，C25微纤维混凝土喷护，锚杆长2.5m、3.5m，二次衬砌采用模筑混凝土施工，混凝土采用高性能C35混凝土。 12.2施工情况

XX隧道设计DK333+520～DK338+620、DK338+670～DK338+690段共计5120m为Ⅳ级围岩，采用了弧形导坑三台阶七步法施工，2005年8月开工，2008年10月竣工。上部掘进、中部掘进、下部掘进同时进行操作，每循环掘进上部0.8m，中部1.6m，下部1.6m；掘进、安装型钢每循环需4～5小时，出渣需要2～3小时；掘进1小时后出渣；型钢安装完后立即喷混凝土，喷浆每循环喷上部0.8m，中部0.8m，下部单侧1.6m共需要2～3小时，每天施工在合理安排下可完成3个循环。掘进时必须控制掘进预留台阶长度（掘进安全距离），上部核心土长3～5m（大于上台阶高度的1/2）较安全，核心土长度大于4m影响掘进速度，小于2.5m（小于上台阶高度的1/2）不安全；中部和上部相差5～8m（中台阶宽度的1/3～1/2）较安全，同时中部左右两侧相差至少3m。

10

12.3工程结果评价

黄土隧道不同地质段的施工工法进入模块化管理，确保了黄土隧道施工的快速、安全，各项指标均符合设计和规范要求。XX大断面黄土隧道深埋段采用弧形导坑三台阶七步开挖法技术施工获得成功，保证了施工工期和质量，取得了较好的社会经济效益。2009年被股份公司评为优质工程奖。 12.4建设效果及施工图片

图4 XX隧道喷砼准备 图5 XX隧道采用栈桥施工仰拱

图6 XX隧道机械开挖 图7 XX隧道出渣运输

11

图8 XX隧道安装钢架

图9 施工测量及量测

12