精品大断面黄土隧道三台阶七步开挖法施工技术.doc

大断面黄土隧道三台阶七步开挖法施工技术 刘伟：中铁三局集团有限公司桥隧工程分公司，工程师，河北 邯郸，056003 摘　要：针对西（安）平（凉）铁路中咀１号隧道地质结构，分析对比中隔壁法、交叉中隔壁法、双侧壁导坑法和三台阶七步开挖法的主要技术特点，确定施工方案和采用三台阶七步开挖法进行施工。介绍三台阶七步开挖法施工工艺及原理，论述上台阶开挖支护、中台阶左侧和下台阶右侧边墙开挖支护、仰拱开挖支护和施工注意事项。分析施工重点，提出监控量测、超前支护、及时封闭仰拱、及时封闭二次衬砌永久支护、加设锁脚锚杆、预防塌方等安全保证措施，以及质量保证措施。 关键词：大断面黄土隧道；三台阶七步开挖法；施工工艺；西平铁路 　　西（安）平（凉）铁路正线全长263.1 km，为国家Ⅰ级电气化单线铁路，设计时速120 km，货运量为3000万t/年，单向客运量为160万人/年。西平铁路连接陇海、宝中两条重要的铁路干线，建成后可兼顾部分省际及地方客货运输， 西平铁路第一标段的中咀１号隧道全长1158 m，呈南高北低走势，周边冲沟发育，切割深度50～200 m，小型冲沟较多，大型冲沟进出口各有一个。冲沟两侧坡面较陡，沟内小型浅层高度滑坡、错落发育，多有溜坍、坍塌。隧道地处黄土残塬区，地质结构复杂，地表主要为第四系上更新统及中更新统黏质黄土，具Ⅳ级自重湿陷性，湿陷土层厚度约20~40m。隧道进出口段埋深小于20m的地段均位于湿陷性土层范围内，对工程影响较大。隧道洞身为黏质黄土，棕黄、棕红色，具大孔隙结构，粉土质，夹数层古土壤层，具垂直柱状节理，具 1 施工方案与方法确定 黄土隧道工程地质条件较差，施工断面大，确立施工方案必须遵循以下原则：重地质、管超前、短开挖、强支护、快封闭、早成环，主要开挖方法有中隔壁法（CD法）、交叉中隔壁法（CRD法）、双侧壁导坑法、三台阶七步开挖法等。 CD法、CRD法或双侧壁导坑法的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，但分布较多，施工速度慢，不利于机械化作业，后面的开挖和拆除支护将对前面施工形成的力学平衡体系产生影响，围岩应力状态多次改变，可能出现较大的变形量。其施工面多，作业干扰大，拆除临时支撑时安全性差。 三台阶七步开挖法在隧道开挖过程中分上、中、下台阶和仰拱4部分，前后左右7个不同的开挖面相互错开并同时开挖，同时支护，形成支护整体，缩短作业循环时间，逐步向纵深挖掘。其实质为台阶法的一种，拱部采用环形开挖预留核心土，利用核心土施压掌子面，中部和下部也是先开挖两侧，保持中部土体不动，保证掌子面稳定。三台阶七步开挖法主要技术特点如下。 （1）施工空间大, 大型施工机械可多个作业面平行施工，工效高。部分软岩地段可采用挖掘机直接开挖下半部断面，减少对围岩扰动。 （2）在地质结构复杂多变、软硬围岩相间的隧道施工中，施工方法调整灵活，进度稳定，工期保障性强。 （3）适应不同跨度和多种断面形式，不需拆除临时施工支护，节省投资。 （4）混凝土仰拱超前施作，便于初期支护及时闭合不承载，改变洞内作业、运输环境。 （5）全断面一次施作防水层和灌筑混凝土衬砌，确保混凝土衬砌施工质量。 （6）无需增加特殊设备，投入少，操作性强，易推广。 通过对施工方法的分析比选，确定中咀１号隧道采用三台阶七步开挖法开挖。 2　施工原理及工艺 三台阶七步开挖法为平行流水作业，采用分步平行开挖和施作拱墙初期支护，仰拱超前施作及时闭合，构成稳固的初期支护体系，保护围岩的天然承载力，有效抑制围岩变形，并通过量测监控系统信息反馈，指导施工和及时调整支护参数与混凝土衬砌时间。 在断层带、破碎带等自稳性较差地层和富水地层中，采用小导管预注浆固结、止水等辅助施工措施，采用上部弧形导坑法短开挖施作拱部初期支护后，再左右错位开挖及进行边墙初期支护，下台阶立即进行仰拱施作，尽早闭合成环构成支护体系。 三台阶七步开挖法施工工艺以机械为主，人工辅助修边。上台阶每循环开挖进尺为l榀钢架距离（0.8 m），高度约3.9 m，台阶长度控制在3～5 m，核心土距拱顶1.5～2.0 m，其两侧距开挖面约2 m；中台阶开挖高度约4.5 m，台阶长度控制在3～4 m；下台阶开挖高度约2 m 三台阶七步开挖法工艺流程见图１。 仰拱喷混凝土开挖仰拱 仰拱喷混凝土 开挖仰拱 立设钢架 仰拱钢筋 拱墙防水 超前小导管 开挖弧形拱部 立设拱部钢架 锚杆、网片安装 开挖左右侧中部台阶 立设钢架 锚杆、网片安装 拱部喷混凝土 中部台阶喷混凝土 开挖左右侧下部台阶 立设钢架 锚杆、网片安装 下部台阶喷混凝土 拱墙钢筋 拱墙衬砌 图1 三台阶七步开挖法工艺流程 2.1　施工步骤 2.1.1 上台阶开挖支护 （1）在隧道拱部130°范围打设φ42 mm超前小导管