1、大断面黄土隧道三台阶七步法施工工艺摘要：结合西平铁路中咀一号隧道实验段施工。对大断面黄土隧道三台阶七步法开挖技术进行总结，重点阐述了三台阶七步法开挖法合用条件、施工工艺及详细施工要点和技术特点。并详细述说了三台阶七步法开挖法安全保证办法。该办法较好解决了黄土隧道施工中诸多技术难题，且能充分运用开挖空间和大型施工机械，干扰少，速度快。核心词：西平铁路 大断面 三台阶七步开挖法 施工工艺 1.工程概况 西安至平凉铁路始自西安市，向西北经礼泉、乾县、永寿、彬县、长武及甘肃宁县、甘肃泾川等县至平凉市，正线全长263.1公里，其中陕西省境内线路长161.3公里，投资约为50多亿元，甘肃省境内线路长101
2、.8公里，投资约为20余亿元。西平铁路为国家级电气化单线铁路，设计时速120公里，运送能力为货运量3000万吨/年，单向客运量160万人/年。西平铁路自陇海铁路茂陵站引出，至平凉市崆峒区与宝中铁路平凉南站接轨，连接陇海、宝中两条重要铁路干线，设26座车站。建成后西平铁路运量大且货源集中，兼顾某些省际交流及地方客货运送铁路。建设工期4年。 位于第一标段中咀一号隧道全长1162米，整体南高北低，周边冲沟发育，切割深度50200m，小型冲沟较多，大型冲沟在进出口各有一种。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。可见地质条件发杂多变，施工难度大，安全形势严峻都对进度产生严重影响
3、。对准时交工导致压力。2.施工方案拟定黄土隧道工程地质较差，施工断面大，确立施工方案必要遵循如下原则：重地质、管超前、短开挖、强支护、快封闭、早成环。重要开挖办法有CD法、CRD法、双侧壁导坑法、三台阶七步法等。CD法是在软弱围岩大跨度隧道中分布开挖、钢架支撑、仰拱先行施工办法一种，采用自上而下分23步开挖隧道一侧，完毕初期支护和中隔壁。待喷射混凝土达到设计强度级别70后，进行另一侧开挖及支护形成带有中隔壁支护左右洞室；最后拆除支护，施作仰拱、仰拱填充及拱墙衬砌。CRD法是在软弱围岩大跨度隧道中，采用自上而下分12步开挖隧道第一侧上、中部，完毕初期支护，施作中隔壁和横隔板；待喷射混凝土达到设计
4、强度级别70后，进行第二侧上中部开挖及支护，施作中隔壁和横隔板；最后依次开挖第一侧、第二侧底部，完毕初期支护和中隔壁、暂时仰拱，形成带有中隔壁和12层水平支撑网络状支护系统；最后拆除支护，施作仰拱、仰拱填充及拱墙衬砌。双侧壁导坑法事先开挖隧道两侧导坑，并进行初期支护，再分部开挖剩余某些办法。三台阶七步开挖时指在隧道开挖过程中分上中下和仰拱4某些，此先后左右7个不同开挖面互相错开同步开挖，然后分布同步支护，最后形成支护整体，缩短作业循环时间，逐渐向纵深推动作业办法。其实质为台阶法一种，拱部采用环形开挖预留核心土，运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
5、定。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种开挖法分布较多，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力学平衡体系产生影响，围岩应力状态多次变化，有也许引起较大变形量；并且施工面多，作业干扰大；拆除暂时支撑时，安全性差。通过以上比选，中咀一号隧道采用三台阶七步开挖法开挖。3施工技术特点（1）、施工空间大，可以引入大型施工机械多作业面平行施工，工效高；某些软岩地段可以采用挖掘机直接开挖下半断面，减小了对围岩扰动。（2）、在地质构造复杂多变、软硬围岩相间隧道施工中，便于灵活及时
6、地调节施工办法，进度稳定，工期保障性强。（3）、能适应不同跨度和各种断面形式，没有需拆除暂时施工支护，节约投资。（4）、爆破施工可以提成各种作业面进行，将集中爆破化为分散爆破，既减少了对围岩扰动，又充分运用了时间空间，还增长了爆破临空面，减少了炸药消耗。（5）、混凝土仰拱超前施作，便于初期支护及早闭合成不承载，且变化了洞内作业、运送环境。（6）、全断面一次施作防水层和灌筑混凝土衬砌，保证了混凝土衬砌施工质量,运营病害少。（7）、无需增长特殊设备，投入少，操作性强，易推广。4.施工工艺原理短台阶七步平行流水作业法是采用23 层短台阶，分步平行开挖，分步平行施作拱墙初期支护，仰拱超前施作及时闭合构
7、成稳固初期支护体系，保护围岩天然承载力，有效抑制围岩变位。经量测监控信息化反馈指引施工，及时调节支护参数和混凝土衬砌施工时间。在断层带、破碎带等自稳性较差地层和富水地层中，则采用小导管预注浆固结、止水等辅助施工办法后，上部弧形导坑法短开挖施作拱部初期支护，再左右错位开挖及施做边墙初期支护；仰拱紧跟下台阶并及时施作尽早闭合成环构成支护体系受力。5.施工工艺三台阶七步开挖法以机械为主，人工辅助修边。见图1。上台阶每循环开挖进尺为l榀钢架距离(0.8 m)，开挖高度约3.9 m，台阶长度控制在35 m，核心土距拱顶1.52.0 m，核心土两侧距开挖面约2m 。中台阶开挖高度约4.5m ，台阶长度控制
8、在34 m；下台阶开挖高度约2m 。上台阶钢拱架由3个单元构成，避免连接部位在拱顶，各单元钢架之间采用16钢板通过4套M20高强螺栓连接。5.1详细施工环节如下：上台阶开挖支护（1）在拱部1200范畴打设42超前小导管，有关施工参数：壁厚3.5 mm，L=3.5 m，环向间距=40cm，外插角50100，搭接长度1.5 m。（2）采用三台阶七步开挖法，运用挖掘机开挖上台阶，每循环开挖长度控制在0.81.0 m，即1榀钢架距离，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药包锚杆，长度为2.5 m，间距为l m x 1 m梅花形布
9、置。钢筋网片采用由8钢筋，网格间距为20 cm20 cm。（4）架设I20a型钢钢架，上台阶分3节安装，环向为钢板螺栓连接，纵向采用蝉2钢管连接，环向间距为1.0 m，超前小导管尾端焊接在钢架上。（5）钢架安装完毕后及时施做锁脚锚管，锁脚锚管采用42钢管，长度为4.0 m，每处设立2根。（6）在钢架、锚杆和钢筋网施做完毕后及时复喷C25混凝土至设计厚度，完毕上台阶施工，形成承载拱。中台阶左侧和下台阶右侧边墙开挖支护（1）待上台阶超前中台阶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，使左右两侧暴露初期支护不同步处在悬空状态。由于中台阶开挖高度约4.5 m，应分上下两次开
10、挖，便于人工修边和对上台阶初期支护底部修凿。其间挖机开挖下台阶。待中台阶上部修边和对上台阶初期支护底部修凿结束后继续开挖中台阶下部。（2）待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砂浆锚杆，长度为3.5m，间距为l mxl m梅花形布置。钢筋网片同上台阶。（4）及时安装拱架，复喷混凝土。中台阶长度控制在34 m左右。中台阶右侧和下台阶左侧边墙开挖支护。办法同上。开挖中部预留核心土。仰拱开挖支护。待下台阶开挖长度达到25 m时进行仰拱开挖。仰拱分两次开挖，每次开挖长度为3m，紧跟施做仰拱初期支护，循环上步，及时浇筑6m长仰
11、拱混凝土，随后搭设仰拱栈桥，继续前方掌子面开挖。5.2施工注意事项：（1）、为保证钢架置于稳固地基上，施工中应在钢架基脚部位预留足够坚实地基，架立钢架时挖槽就位。（2）、钢架平面应垂直于隧道中线，其倾斜度不不不大于2钢架任何部位偏离铅垂面不应不不大于5cm。（3）、为增强钢架整体稳定性，应将钢架与纵向连接筋、构造锚杆、定位系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、故该部位接头除栓接外，还应四周帮焊，保证接头刚度和强度。（5）、当钢架和初喷层间存在较大间隙时要设骑马或楔形垫块顶紧围岩；钢架与围岩间距不应不不大于5cm。开挖上部弧形导坑，并施作初期支护左右
12、错位开挖中台阶并施作初期支护左右错位开挖下台阶并施作初期支护施作混凝土仰拱使初期支护闭合成环监控量测反馈，施作防水层和二次衬砌短台阶七步平行流水作业施工流程图6.施工要点（1）、浅埋段和含水量较大地段设立超前小导管，依照开挖状况可减小环向设立间距直到消除拱部开挖掉块现象为止。深埋和地质状况较好地段开挖无掉块现象可不设。（2）、开挖时严格控制超欠挖，机械开挖时预留30 cm由人工开挖，减少对围岩扰动，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，且易保证安装质量，其线形圆顺能避免应力集中，此外
13、，保证钢架间连接牢固，必要时可加焊钢筋。（4）、锁脚锚管是保证初期支护安全重要办法，通过实验和量测表白，在拱脚和墙脚位置初期支护受到较大竖直压力和侧向压力，此处锁脚锚管保证了工字钢在受到侧向力时不发生向洞内位移变形，同步可以起到抑制拱架整体下沉作用，从而保证初支构造在施工过程中受力稳定。依照实际变形状况，除认真施做锁脚锚管保证质量外，在每分节处可增设2根锚管，即由原设计2根增为4根，同步保证锁脚锚管与钢架焊接质量。（5）、扩大拱墙脚是减少拱顶下沉量有效办法，扩大拱墙脚增大承压面积，既有助于施工过程中竖向压力传递，也有助于该节点横向受力稳定。实际施工中上台阶拱脚宽度由设计80 em扩大为100
14、cm，下台阶墙脚由设计50 cm扩大为80 cm，此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整体下沉量。（7）、加密初期支护钢架纵向连接钢管，提高钢架间整体受力能力，普通可将设计环向间距从1.0 m调节为0.8m。（8）、喷锚时应注意钢架背后与围岩应喷实密贴，若不密贴可采用同级混凝土垫块填塞密实或采用注浆，以保证初期支护钢架背后无空洞，以利于钢架和围岩形成联合支护体共同受力。（9）、仰拱紧跟是保证初期支护安全主线办法，仰拱及填充混凝土要及时浇筑，与掌子面间距离不得不不大于规定安全距离，普通距离控制在30 m以内，尽早封
15、闭成环，以利于形成完整初期受力体系。及时跟进二衬施工，以利于尽早形成完整隧道受力构造，普通距离控制在距掌子面60 m以内，特殊地段单独考虑。（10）、恰当预留开挖变形量，施工前期可采用15 cm预留量，依照工艺及办法优化，通过监控量测及时进行调节。（11）、合理控制步长，上台阶步长控制在35m，中台阶步长控制在34 m，上台阶每次开挖1榀钢架距离，中下台阶依照地质状况可一次开挖12榀钢架间距，仰拱开挖每次控制在35 m。7.安全保证办法7.1监控量测 在隧道施工过程中,从第一组衬砌开始,一种断面内在拱顶和2个拱脚处埋设3个观测点,用收敛计和水平仪分别观测拱脚水平收敛值和拱顶下沉值。随着隧道施工
16、迈进,每隔10m作一种观测断面,最前端一种断面紧跟掌子面。前冗每天观测1次,后来1个月内3d观测1次。之后每月观测1次。通过观测发玑在拱部一次衬砌施工完毕至边墙开挖前,拱顶下沉68cm，拱脚收敛1-2cm。在边墙开挖后拱部发生第二次下沉,下沉量为6-8cm,收敛量基本不变。依照观测成果及时反馈至施工中去,将原有预留沉降量15cm变为17cm。有效地保证了二次衬砌厚度。监控量测注意事项：（1）、为获得开挖后围岩初期状态变化数据，各项测点应尽量接近开挖面布置(不不不大于2m) ，在爆破后24h 内或下次爆破前，读取初次读数。（2）、周边收敛、拱顶下沉及地表下沉各项测点应尽量集中断面布设，以便量测成
17、果协调分析、综合运用。（3）、量测时，应先把钢尺拉出( 拉出长度销长于量测基线) 停放20min，以使钢尺温度与环境气温相差不大时，可持续量测) 。（4）、采用台阶法开挖时，当下半断面开挖接近上半量测断面，量测频率应恰当增长。7.2超前支护为保证开挖工作面稳定，防止开挖时浮现坍塌，中咀隧道在施工中针对不同土质地层，采用了两种超前预支护办法。（1）、在粘质黄土地层中(东口隧道54 m,平套隧道16m) ,拱墙设超前小导管预支护，小导管直径42 mm。长4 m,环向间距40 cm,外插角510。进洞时一方面将工作面修整平整,紧贴工作面支设一榀型钢钢架。用锁脚、定位锚杆将其固定，沿断面外轮廓作一环超
18、前小导管，小导管尾端与钢架焊为一体，进洞后纵向间距2 m一环小导管，工艺同上,每排小导管搭接长度1.95m。（2）、在砂粘土地层中,拱墙设R32N自进式注浆锚杆进行超前支护,锚杆长410m,环向间距40 cm,外插角510,搭接长度1.95 m,每排锚杆尾端同样与钢架焊为一体。注浆采用双液注浆，注浆前应先在工作面喷C20混凝土约68 cm作为止浆墙,双液浆配合比为:水泥浆水缓凝剂= 1120102;水玻璃波美度30 Be;缓凝剂掺量2%；浆液初凝时间2 min；注浆终压110MPa,见图3。7.3及时封闭仰拱据量测，在一次混凝土初期支护完毕后，隧道拱顶下沉约1216cm。为避免继续变形，应及时
19、封闭仰拱混凝土。仰拱与马口之间距离保持20cm为宜，不能偏大。仰拱采用半幅施工法，保证上下导坑作业进行。当半幅施工30cm左右，再换至此外半幅。7.4 及时封闭二次衬砌永久支护 一次衬砌封顶时，受工作面限制，也许导致封顶混凝土不密实。而两侧拱腰处向内挤压力很大。如果不及时施作二次衬砌永久支护，容易在拱顶导致裂缝。针对以上状况咱们在施工中每个洞口配备了1台边顶拱式混凝土衬砌钢模台车，二次衬砌施工与上下洞口同步作业。7.5加设锁脚锚杆 在拱脚处每侧加设2根锁脚锚杆，锚杆为40钢管，长2m，垂直于拱脚外侧面打入土中1.5m。剩余0.5m与一次衬砌混凝土浇筑在一起。7.6防止塌方 在开挖过程中，应遵循
20、短开挖、强支护原则，随时观测土质状况，发现土质疏松、节理发育时，加设调节循环进尺，同步加密管棚钢管数量，及时跟进一次衬砌，缩短开挖与衬砌之间时间间隔。如发生塌方，必要用同强度级别混凝土填塞密实。8 质量保证办法（1）、严格控制管棚角度（2）、严格喷射砼工艺，按配合比拌制砼料，特别要严格控制外加剂掺量。新旧砼面要清洗至露出砼本色，没有泥土或杂物。分层喷射，以保证喷射砼质量。（3）、保证立拱质量。注意螺栓松紧限度和连接筋焊接质量。（4）、保证钢筋网与围岩紧密相贴，钢筋网必要连接牢固，否则喷射砼时会振动钢筋网，从而减少喷射砼质量。（5）、保证核心土大小和长度（6）、清除拱脚积水与淤泥，通过打拱脚锚杆
21、或扩大拱脚认真加固拱脚，加强纵向联结等，使初期支护与围岩形成完整体系。（7）、尽量单侧落底或双侧交错落底，避免上半断面两侧拱脚同步悬空；控制落底长度，视围岩状况采用1-3m，不不不大于6m。（8）、减少上、下台阶施工互相干扰，并及时封闭成环。（9）、找出每道工序合理施工时间，各工序严格按标定期间进行控制，从而缩短循环作业时间，减少开挖面土体暴露时间。（10）、及时监控量测围岩，观测拱顶，拱脚收剑状况，据此调节初期支护参数。9 结论通过研究大断面黄土隧道工程特点，结合理论计算，在中咀一号隧道采用“三台阶七步开挖法”进行实验段施工，通过大量实验及量测数据获得，及时总结重复论证，成功地解决了黄土隧道施工中诸多技术难题，在保证安全状况下施工变得有序可控，实现了大断面黄土隧道迅速掘进施工目的，工期进度得到了保证。施工过程中，针对黄土隧道详细特点，进一步采用了大量新施工工艺和技术保证办法，使其成为解决黄土地质隧道较好办法，对其她地质复杂大断面软岩隧道施工也具备参照价值。
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