隧道三臺階開挖施工工法

1、隧道三臺階法開挖施工工法智文忠、程鵬、崔樂超1. 前言大斷面軟巖隧道施工中，傳統(tǒng)的施工方法有雙側壁導坑法、CD法、CRD法等，這些施工方法進度慢、工效低、存在一定的局限性，如：限制了大型施工機械的使用，基本靠人工開挖，工效低、 速度慢，難以滿足客運專線工期要求；拆除臨時支護時，正洞初期支護會因突然卸載而出現(xiàn)大的變 形，存在安全風險；各分部開挖面循環(huán)銜接性差，相互干擾大，施工質(zhì)量得不到充分保證；臨時支 護反復拆除，成本投入大等。而目前國內(nèi)大斷面軟巖隧道施工中，我們往往會面臨以下問題：對工 期緊迫性的要求，需組織快速施工；工程水文地質(zhì)復雜，可變性大，須選擇一種能適應地質(zhì)變化而 迅速過渡的施工方法；

2、能較大限度地發(fā)揮大型施工機械的優(yōu)勢，以求最佳的施工進度；把長期施工 實踐所積累的作業(yè)習慣融合于施工方法中，做到高工效，易掌握，達到快速形成施工能力的目的等 要求。借鑒近幾年大斷面隧道施工的成功經(jīng)驗，規(guī)避傳統(tǒng)施工方法的局限性，以加快隧道施工進度、 保證隧道施工安全、提高施工質(zhì)量為目的，在重慶沿江高速公路隧道施工中，提出了三臺階七步開 挖法施工的工藝流程、施工步驟、控制要點、勞動組織、機具設備等，突出大斷面軟巖隧道開挖施 工的技術特點，總結完善形成本工法。2. 工法特點2.1 施工空間大，方便機械化施工，可以多作業(yè)面平行作業(yè)。部分軟巖或土質(zhì)地段可以采用挖 掘機直接開挖，工效較高；2.2 在地質(zhì)條件

3、發(fā)生變化時，便于靈活、及時地轉換施工工序，調(diào)整施工方法；2.3 適應不同跨度和多種斷面形式，初期支護工序操作便捷；2.4 在臺階法開挖的基礎上，預留核心土，左右側錯開開挖，利于開挖工作面穩(wěn)定；2.5 當圍巖變形較大或突變時 , 在保證安全和滿足凈空要求的前提下，可盡快調(diào)整閉合時間；3. 適用范圍本工法適用于開挖斷面為 I級公路二車道和三車道，具備一定自穩(wěn)條件的W、V級圍巖地段隧 道的施工。不適用于圍巖地質(zhì)為流塑狀態(tài)、洞口潛埋偏壓段（但經(jīng)過反壓處理或施作超前大管棚后 可采用）。4. 施工工藝“三臺階七步開挖法”，是在隧道開挖過程中，是以弧形導坑開挖預留核心土為基本模式，分上、中、下三個臺階七個開

4、挖面，以前后七個不同的位置相互錯開開挖，分部及時支護，形成支護整體， 縮短作業(yè)循環(huán)時間，各部位的開挖與支護沿隧道縱向錯開、平行推進的隧道施工方法。5. 施工工藝流程及操作要點5.1施工工藝流程施作仰拱圖5.1-1施工工藝流程圖5.2三臺階七步開挖發(fā)施工步驟施工步驟見附圖 5.2-1，開挖透視見附圖 5.2-2，施工工序見附圖5.2-3第1步，上部弧形導坑開挖：在拱部超前支護后進行，環(huán)向開挖上部弧形導坑，預留核心土，核心土長度宜為 35m,寬度宜為隧道開挖寬度的1/31/2。開挖循環(huán)進尺應根據(jù)初期支護鋼架間距確定，最大不得超過1.5 m開挖后立即初噴 35cm混凝土。上臺階開挖矢跨比應大于0.3

5、，開挖后應及時進行噴、錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護，架設鋼架，在鋼架拱腳以上30cm高度處，緊貼鋼架兩側邊沿按下傾角30°打設鎖腳錨桿，鎖腳錨桿與鋼架牢固焊接，復噴混凝土至設計厚度。第2、3步，左、右側中臺階開挖：開挖進尺應根據(jù)初期支護鋼架間距確定，最大不得超過1.5m,開挖高度一般為 33.5m，左、右側臺階錯開 23m,開挖后立即初噴 35cm混凝土，及時進行噴、 錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護，接長鋼架，在鋼架墻腳以上30cm高度處，緊貼鋼架兩側邊沿按下傾角30°打設鎖腳錨桿，鎖腳錨桿與鋼架牢固焊接，復噴混凝土至設計厚度。-11116“I1核心土/26-23236匸1i46-351456棧橋77注

6、：1、上臺階開挖高度不小于上臺階開挖跨度的0.3倍, 一般為3.0-4.0m。2 、中下臺階開挖高度為隧道總開挖高度（不含仰拱） 減去上臺階開挖高度后平均分配，一般為3.0-3.5m。3、上臺階核心土長度（隧道縱向）3.0-5.0m,高度1.5-2.5m,寬度為上臺階開挖跨度的L/3-L/2。初期支護13576-16-2/6-3/124: r 1-4- 仰拱仰拱填充9附圖5.2-1開挖步驟圖施工步驟：第1步：施作超前支護后，開挖拱部弧形導坑，預留核心土，施作拱部初期支護;第2、3步：開挖左右側中臺階并施作初期支護；第4、5步：開挖左右側下臺階并施作初期支護；第6步：分別開挖上、中、下臺階核心土

7、 ；第7步：開挖隧底并施作仰拱初期支護封閉成環(huán)。附圖5.2-2開挖透視超前支護超前支護b1棧橋35艮23m#3m <3m|?3m|15-25m施工工序縱斷面示意圖施工工序正面示意圖附圖5.2-3施工工序圖第4、5步，左、右側下臺階開挖：開挖進尺應根據(jù)初期支護鋼架間距確定，最大不得超過1.5m,開挖高度一般為 33.5m，左、右側臺階錯開 23m,開挖后立即初噴 35cm混凝土，及時進行噴、 錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護，接長鋼架，在鋼架墻腳以上30cm高度處，緊貼鋼架兩側邊沿按下傾角30°打設鎖腳錨桿，鎖腳錨桿與鋼架牢固焊接，復噴混凝土至設計厚度。第6步，開挖上、中、下臺階預留核心土：分別開

8、挖上、中、下臺階預留的核心土，開挖進尺 與各臺階循環(huán)進尺相一致。第7步，隧底開挖：每循環(huán)開挖長度宜為23m開挖后及時施作仰拱初期支護，完成兩個隧底開挖、支護循環(huán)后，及時施作仰拱，仰拱分段長度宜為46m>5.3三臺階七步開挖法施工要點，應將超前地質(zhì)預報納入施工工序，并根據(jù)工程水文地質(zhì)變化情況，及時調(diào)整各部臺階長度或 施工方法，采取相應的技術措施，及早封閉成環(huán)，保證施工安全。，應根據(jù)工程水文地質(zhì)條件，按設計要求做好超前支護，防止圍巖松弛，保證隧道開挖安全。 在斷層、破碎帶、淺埋段等自穩(wěn)性較差或富水地層中，超前支護應按設計要求進行加強。1. 以機械開挖為主，必要時輔以弱爆破；2. 弧形導坑應沿

9、開挖輪廓線環(huán)向開挖，預留核心土，開挖后及時支護;3. 其他分步平行開挖，平行施作初期支護，各分部初期支護銜接緊密，及時封閉成環(huán)；4. 仰拱緊跟下臺階，及時閉合構成穩(wěn)固的支護體系；5. 施工過程通過監(jiān)控量測，掌握圍巖和支護的變形情況，及時調(diào)整支護參數(shù)和預留變形量，保證施工安全；6. 完善洞內(nèi)臨時防排水系統(tǒng)，防止地下水浸泡拱墻腳基礎。6. 材料與設備6.1材料：本工法使用的材料都是常用的，不作說明。6.2設備：本工法操作簡單，單作業(yè)面施工機具配備見表6-2-1，可根據(jù)施工現(xiàn)場情況酌情調(diào)整。6-2-1單作業(yè)面施工機具配備序號作業(yè)項目機具設備名稱規(guī)格型號單位數(shù)量備注1開挖電動壓風機20mi/min臺5

10、高壓供風雙液注漿機4m?/h臺2注漿風鎬G10臺8開挖修邊風動鑿巖機YT-28臺15系統(tǒng)錨桿、超前支護、局部爆破鉆眼挖掘機CAT320C臺1開挖、裝碴自卸車20t輛6出碴裝載機小松WA470輛2裝碴泥漿泵3100m/h臺2排水2初期支護鋼筋切斷機QJ40 1臺1加工鋼筋鋼筋折彎機40臺1加工鋼筋電焊機BX- 300臺5加工鋼架、格柵及其他鋼構件電焊機BX- 400臺2加工鋼構件臺式鉆床SP-25A臺1加工鋼構件攪拌機JS500臺2拌合混凝土濕噴機TK961臺3噴射混凝土3量測儀器全站儀索佳 SET2130R臺1水準儀PENTAXAP-128臺1銦鋼尺個24通風通風機SDF-NO12.5臺12X

11、 110kw7. 質(zhì)量控制7.1工程質(zhì)量控制標準本工法以公路隧道施工技術規(guī)范，公路隧道施工技術細則，公路工程質(zhì)量檢驗評定標準進行質(zhì)量控制。7.2質(zhì)量保證措施，應盡量縮短臺階長度，核心土長度應控制在35m寬度宜為隧道開挖寬度的 1/31/2。，根據(jù)圍巖地質(zhì)情況，合理確定循環(huán)進尺，每次開挖長度不得超過1.5m；開挖后立即初噴 35cm混凝土，以減少圍巖暴露時間。，控制好超前支護外插角，嚴格按注漿工藝加固地層，保證隧道開挖在超前支護的保護下施工。，其余部位宜采用機械開挖，局部需要爆破時，必須采用弱爆破，不得超挖。施工時應嚴格控 制裝藥量，減少對圍巖的擾動。，嚴禁拱（墻）腳懸空或采用虛碴回填。鋼架應與

12、鎖腳錨桿（管）焊接牢固。，嚴禁初期支護背后存在空洞。必要時初期支護背后應進行充填注漿，保證初期支護與圍巖密 貼。，根據(jù)量測結果，及時調(diào)整支護參數(shù)，確定二次襯砌施作時間，進行信息化施工管理。，嚴禁積水浸泡拱（墻）腳及在施工現(xiàn)場漫流，防止基底承載力降低。當?shù)貙雍看髸r，上 臺階開挖工作面附近宜開挖橫向水溝，將水引至隧道中部或兩側排水溝排出洞外。必要時應配合井 點降水等措施，降低地下水位至隧道仰拱以下，確保施工順利進行。反坡施工時，應設置集水坑將 水集中抽排。8. 安全措施本工程嚴格執(zhí)行中華人民共和國安全生產(chǎn)法和安全生產(chǎn)條例等相關法律法規(guī)。8.1隧道進洞前應做好洞頂及洞口防排水系統(tǒng)。洞頂及洞口排水

13、溝應鋪砌，用砂漿抹面，防止地表水及施工用水下滲，影響結構安全。8.2三臺階七步開挖法施工應做好工序銜接。工序安排應緊湊，盡量減少圍巖暴露時間，避免因長時間暴露引起圍巖失穩(wěn)。，全斷面初期支護閉合時間宜控制在 15d 左右；，仰拱距上臺階開挖工作面宜控制在3040m鋪設防水板、二次襯砌等后續(xù)工作應及時進行。，襯砌應緊跟仰拱施工，一般為1520m,襯砌距開挖掌子面最大不得超過60m對于巖石爆破隧道，襯砌距開挖掌子面距離須滿足爆破距離要求；8.3 中、下臺階左、右側開挖應錯開,嚴禁對開,左右側錯開距離宜為23m。8.4 施工過程中可采用增加拱（墻）腳鎖腳錨桿（管） 、增設鋼架拱（墻）腳部位縱向連接筋、

14、 擴大拱（墻）腳初期支護基礎及增設拱（墻）腳槽鋼墊板等增強拱（墻）腳承載力等措施控制變形。9. 環(huán)保措施本工法嚴格執(zhí)行國家標準和當?shù)氐挠嘘P環(huán)保政策和有關規(guī)定。9.1 施工現(xiàn)場按照設計統(tǒng)一規(guī)劃、業(yè)主要求和施工環(huán)保的要求進行實施。9.2 污水處理采用多級沉淀池過濾沉淀。處理的工藝流程為：污水收集系統(tǒng)多級沉淀沉 淀凈化處理排入河道。9.3 嚴禁亂倒、亂卸。施工現(xiàn)場設密閉式垃圾站,施工垃圾和生活垃圾按規(guī)定分開收集,做到 每班清掃,每班清運。9.4 施工道路上要適量灑水,減少粉塵污染。9.5 隧道施工應加強洞內(nèi)通風,作業(yè)環(huán)境應符合職業(yè)健康及安全標準。10. 效益分析10.1 經(jīng)濟效益大斷面軟巖隧道施工采

15、用“三臺階七步開挖法” ,在經(jīng)濟效益方面尤為突出,與傳統(tǒng)的大斷面隧道CRD法施工比較，主要有以下幾個方面的優(yōu)點：一是拓展了隧道的施工空間，可以做到大型施工 機具生產(chǎn)效率最大化，避免了CRD法作業(yè)空間小、限制了大型施工機具使用的尷尬局面，進一步提高了單位時間內(nèi)的施工產(chǎn)值,縮短了整個單位工程的施工工期；二是降低了人工用量和勞動強度, 節(jié)約了工費成本,由以往密集型勞力施工轉變?yōu)闄C械化、程序化施工；三是采用“三臺階七步開挖 法”施工沒有臨時支護環(huán)節(jié),節(jié)約了大量的臨時支護成本,減少投資浪費；四是工程質(zhì)量滿足驗標 要求,操作便捷,推廣性強；以重慶沿江高速公路古樹巖 1、2號隧道為例，與傳統(tǒng)的大斷面隧道 CRD法施工相比，采用“三 臺階七步開挖法”，有效地發(fā)揮了大型施工機具的使用效率，施工進度達到了月平均90-100m/月，經(jīng)濟效益顯著。10.2 社會效益古樹巖 1 、 2 號隧道采用三臺階七步開挖法施工技術, 領先重慶沿江高速公路全線其它重難點隧 道工程，第一個順利貫通，受到了設計單位、監(jiān)理單位、其他施工單位的一致好評。突破了大斷面 隧道安全風險高、施工進度慢、施工難度大這一難題，社會效益顯著。10.3 環(huán)保效益 該工