三台阶七步开挖施工工法

'三台阶七步开挖施工工法中铁十二局集团有限公司第二工程公司：赵华锋一、前言大断面软岩隧道施工中，传统的施工方法有双侧壁导坑法、CD法、CRD法等，这些施工方法进度慢、工效低、存在一定的局限性，如：限制了大型施工机械的使用，基本靠人工开挖，工效低、速度慢，难以满足客运专线工期要求；拆除临时支护时，正洞初期支护会因突然卸载而出现大的变形，存在安全风险；各分部开挖面循环衔接性差，相互干扰大，施工质量得不到充分保证；临时支护反复拆除，成本投入大等。而目前国内大断面软岩隧道施工中，我们往往会面临以下问题：对工期紧迫性的要求，需组织快速施工；工程水文地质复杂，可变性大，须选择一种能适应地质变化而迅速过渡的施工方法；能较大限度地发挥大型施工机械的优势，以求最佳的施工进度；把长期施工实践所积累的作业习惯融合于施工方法中，做到高工效，易掌握，达到快速形成施工能力的目的等要求。借鉴近几年大断面隧道施工的成功经验，规避传统施工方法的局限性，以加快隧道施工进度、保证隧道施工安全、提高施工质量为目的，提出了三台阶七步开挖法施工的工艺流程、施工步骤、控制要点、劳动组织、机具设备等，突出大断面软岩隧道开挖施工的技术特点，总结完善形成本工法。二、工法特点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、适用范围本工法适用于开挖断面为100～180m2，具备一定自稳条件的Ⅳ、Ⅴ级围岩地段隧道的施工。四、施工工艺1、工艺原理“三台阶七步开挖法”，是以弧形导坑开挖预留核心土为基本模式,分上、中、下三个台阶七个开挖面，各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开、平行推进的隧道施工方法。7 上部弧形导坑开挖，施作初期支护开挖上、中、下台阶预留核心土左右错开开挖中台阶，施作初期支护左右错开开挖下台阶，施作初期支护超前支护测量放样施作仰拱施作仰拱填充围岩稳定性评判、修正支护参数分段开挖隧底，施做初期支护断面检查否满足2、工艺流程3、三台阶七步开挖法施工步骤施工步骤见图1，开挖透视见图2，施工工序见图3所示第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，核心土长度宜为3～5m，宽度宜为隧道开挖宽度的1/3～1/2。开挖循环进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.5m，开挖后立即初喷3～5cm混凝土。上台阶开挖矢跨比应大于0.3，开挖后应及时进行喷、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，锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。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1.5m，开挖高度一般为3～3.5m，左、右侧台阶错开2～3m，开挖后立即初喷3～5混凝土，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在钢架墙脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°打设锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。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1.5m，开挖高度一般为3～3.5m，左、右侧台阶错开2～3m，开挖后立即初喷3～5混凝土，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在钢架墙脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°7 打设锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。第6步，上、中、下台阶预留核心土：各台阶分别开挖预留的核心土，开挖进尺与各台阶循环进尺相一致。第7步，隧底开挖：每循环开挖长度宜为2～3m，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，仰拱分段长度宜为4～6m。4、三台阶七步开挖法施工注意事项⑴、采用三台阶七步开挖法施工的隧道，应将超前地质预报纳入施工工序，并根据工程水文地质变化情况，及时调整各部台阶长度或施工方法，采取相应的技术措施，及早封闭成环，保证施工安全。⑵、采用三台阶七步开挖法施工的隧道，应根据工程水文地质条件，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。⑶、三台阶七步开挖法施工应符合下列要求：①以机械开挖为主，必要时辅以弱爆破；②弧形导坑应沿开挖轮廓线环向开挖，预留核心土，开挖后及时支护；③其他分步平行开挖，平行施作初期支护，各分部初期支护衔接紧密，及时封闭成环；④仰拱紧跟下台阶，及时闭合构成稳固的支护体系；⑤施工过程通过监控量测，掌握围岩和支护的变形情况，及时调整支护参数和预留变形量，保证施工安全；⑥完善洞内临时防排水系统，防止地下水浸泡拱墙脚基础。五、机具设备本工法操作简单，单作业面施工机具配备见下表，可根据施工现场情况酌情调整。单作业面施工机具配备序号作业项目机具设备名称规格型号单位数量备注1开挖电动压风机20m3/min台5高压供风双液注浆机4m3/h台2注浆风镐G10台8开挖修边7 风动凿岩机YT-28台15系统锚杆、超前支护、局部爆破钻眼挖掘机CAT320C台1开挖、装碴自卸车20t辆6出碴装载机小松WA470辆2装碴泥浆泵100m3/h台2排水2初期支护钢筋切断机QJ40—1台1加工钢筋钢筋折弯机40台1加工钢筋电焊机BX—300台5加工钢架、格栅及其他钢构件电焊机BX—400台2加工钢构件台式钻床SP-25A台1加工钢构件搅拌机JS500台2拌合混凝土湿喷机TK961台3喷射混凝土3量测仪器全站仪索佳SET2130R台1水准仪PENTAXAP-128台1铟钢尺个24通风通风机SDF-No12.5台12×110kw六、劳动组织施工人员应经培训合格后上岗，特殊工种应持证上岗，人员分配和调整应按不同工种配齐、配足，单作业面施工一般需要75人左右，并保持相对稳定。单作业面施工作业人员配备序号作业项目作业内容人数1开挖（24人）风镐手4风枪手12挖掘机司机2自卸车司机62初期支护（35人）制作钢架87 安装钢架、格栅10喷射手3喷射机司机3喷射机上料6搅拌机司机2搅拌机上料33技术及测试（6人）技术员1试验员1测量班长1测量工34仰拱（10人）隧底初期支护及仰拱混凝土浇筑10合计75七、三台阶七步开挖法施工安全、质量控制措施1、隧道进洞前应做好洞顶及洞口防排水系统。洞顶及洞口排水沟应铺砌，用砂浆抹面，防止地表水及施工用水下渗，影响结构安全。2、三台阶七步开挖法施工应做好工序衔接。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稳。①初期支护应及时封闭成环，全断面初期支护闭合时间宜控制在15d左右；②仰拱应超前施作，仰拱距上台阶开挖工作面宜控制在30～40m。铺设防水板、二次衬砌等后续工作应及时进行。③对于土质隧道，衬砌应紧跟仰拱施工，一般为15～20m，衬砌距开挖掌子面最大不得超过60m；对于岩石爆破隧道，衬砌距开挖掌子面距离须满足爆破距离要求；3、在满足作业空间和台阶稳定的前提下，应尽量缩短台阶长度，核心土长度应控制在3～5m，宽度宜为隧道开挖宽度的1/3～1/2。4、三台阶七步开挖法施工应严格控制开挖长度，根据围岩地质情况，合理确定循环进尺，每次开挖长度不得超过1.5m；开挖后立即初喷3～5cm混凝土，以减少围岩暴露时间。5、严格按设计要求施作超前支护，控制好超前支护外插角，严格按注浆工艺加固地层，保证隧道开挖在超前支护的保护下施工。7 6、隧道周边部位应预留30cm人工开挖，其余部位宜采用机械开挖，局部需要爆破时，必须采用弱爆破，不得超挖。施工时应严格控制装药量，减少对围岩的扰动。7、中、下台阶左、右侧开挖应错开，严禁对开，左右侧错开距离宜为2～3m。8、钢架应严格按设计及规范要求加工制作和架设。钢架应架设在坚实基面上，严禁拱（墙）脚悬空或采用虚碴回填。钢架应与锁脚锚杆（管）焊接牢固。9、隧道超挖部位必须回填密实，严禁初期支护背后存在空洞。必要时初期支护背后应进行充填注浆，保证初期支护与围岩密贴。10、施工过程中可采用增加拱（墙）脚锁脚锚杆（管）、增设钢架拱（墙）脚部位纵向连接筋、扩大拱（墙）脚初期支护基础及增设拱（墙）脚槽钢垫板等增强拱（墙）脚承载力等措施控制变形。11、应加强监控量测工作，根据量测结果，及时调整支护参数，确定二次衬砌施作时间，进行信息化施工管理。12、应完善洞内临时防排水系统，严禁积水浸泡拱（墙）脚及在施工现场漫流，防止基底承载力降低。当地层含水量大时，上台阶开挖工作面附近宜开挖横向水沟，将水引至隧道中部或两侧排水沟排出洞外。必要时应配合井点降水等措施，降低地下水位至隧道仰拱以下，确保施工顺利进行。反坡施工时，应设置集水坑将水集中抽排。13、隧道施工应加强洞内通风，作业环境应符合职业健康及安全标准。八、工程实例1、郑州至西安客运专线ZXZQ08标张茅隧道长度为8489m，隧道最大涌水量18990m3/d，开挖断面164m2，地质为Q2老黄土，为全线控制性工程，采用“三台阶七步开挖法”施工进度提升至70~75m/月，远远高于CD、CRD法30~35m/月的施工进度；初期支护全环封闭在15d左右，仰拱紧跟开挖面，成环封闭快，确保了隧道施工安全；较CD、CRD法平均每延米节约7000多元的施工成本；无需投入特殊设备，施工工艺满足质量要求，提前合同工期50天安全顺利贯通，经济和社会效益显著。2、京珠高速公路靠椅山隧道，隧道分左右线，设计为单洞三车道，采用R=7.4m单心圆曲墙式衬砌。最大开挖跨度为16.7m，最大开挖高度为10.1m。最大开挖断面165.45m2,地质为中下泥盆统桂光群砂岩及泥质粉砂岩夹薄层页岩，因受摺曲及构造挤压影响，岩层节理裂隙发育，岩层破碎，岩石风化成亚砂土、亚粘土，原岩结构完全破坏。在软岩地段施工中，采用三台阶七步开挖法，缩短工期50天，保证了整座隧道按期完成。3、深圳盐坝高速公路大梅沙隧道，为分离式双洞单向三车道隧道，为三心圆内轮廓形式；最大开挖跨度为15.15m,高度为11.3m。双洞洞身基本平行，中心距离平均40m。盐田端左右线洞口段均有80mⅠ7 类围岩地段，为全风化花岗岩，裂隙发育，不稳定，遇水崩解软化，容易坍塌，经过比选最终采用三台阶七步开挖法施工，安全顺利地通过该段。4、昆石高速公路小团山隧道，为双向六车道隧道，设计为净跨14.8m、净高8.9m的半圆拱曲墙断面，最大开挖宽度16.88m，最大开挖高度13.46m，最大开挖面积达192m2,隧道地处构造侵蚀低山地形地貌区，主要岩石为灰白、灰色灰岩，白云质灰岩及灰褐、黄褐色玄武岩，岩石破碎，节理裂隙极为发育。在软岩地段施工采用三台阶七步开挖法，提前完成了施工任务。7'