张茅隧道三台阶七步开挖法施工技术.docx
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张茅隧道三台阶七步开挖法施工技术
张茅隧道三台阶七步开挖法施工技术
一、概况
张茅隧道全长8483m，隧道所在区域为低山丘陵及黄土台源地貌，进口端DK218+630～DK222+300段属于低山丘陵地貌，地形较陡，地面高程630～860m，相对高差200m以上。
出口端DK222+300～DK227+080段为黄土台源地貌，黄土冲沟发育，多呈“V”字型，地形切割冲刷严重，地面高程640～740m，相对高差约100m。
张茅隧道洞身穿过多种不同地质情况的围岩，施工中工序转换多；隧道所在区域除进口端300m、出口端350m合计650米以外，其余地段隧道洞身均位于地下水位线以下，地下水主要为第四系孔隙水和基岩裂隙水。
二、总则
1、郑西客运专线张茅隧道三台阶七步开挖法（以下简称“三台阶七步开挖法”）是以弧形导坑开挖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。
2、三台阶七步开挖法适用于开挖断面为100～180m2，是根据以往大断面隧道施工及郑西客运专线张茅隧道施工的经验确定的。
该方法适用Ⅳ、Ⅴ级围岩，地质主要有黄土、强风化岩层等，如郑西客运专线张茅隧道为Q2老黄土（进口为强风化安山岩），不适用条件有围岩地质为流塑状态、洞口浅埋偏压段（但经过反压处理或施做超前大管棚后可采用）。
3、三台阶七步开挖法具有下列技术特点：
⑴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。
⑵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。
⑶三台阶七步开挖法规避了侧壁导坑法、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。
适应不同跨度和多种断面形式，初期支护工序操作便捷。
⑷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。
⑸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、施工准备
1、张茅隧道在采用三台阶七步开挖法施工前，查阅大量设计文件和资料，结合三台阶七步开挖法的特点，按照张茅隧道的规模和工期要求，有针对性地编制实施性施工组织设计和施工作业指导书，并进行详细的施工技术交底，对作业人员进行岗前培训和安全教育，从事特殊工种的作业人员持证上岗。
2、根据施工进度要求，施工机械、人员分期、分批组织上场。
针对张茅隧道大断面的特点，人员和施工机械配套如下表：
根据张茅隧道施工情况分析，单作业面施工作业人员配备见表3.2.1，并可根据施工现场情况及时调整。
表3.2.1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
6
2
初期支护（35人）
制作钢架
8
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
3
3
技术及测试（6人）
技术员
1
试验员
1
测量班长
1
测量工
3
4
仰拱（10人）
隧底初期支护及仰拱混凝土浇筑
10
合计
75
单作业面施工机具配备参见表3.2.2，可根据施工现场情况及时调整。
表3.2.2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
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
2
4
通风
通风机
SDF-No12.5
台
1
2×110kw
四、施工工艺
1、施工工艺流程
三台阶七步开挖法可分为以下主要步骤：
⑴上部弧形导坑环向开挖，施作拱部初期支护；
⑵中、下台阶左右错开开挖，施作墙部初期支护；
⑶中心预留核心土开挖，隧底开挖，施作隧底初期支护。
每部开挖后均应及时支护，隧底初期支护后应及时施作仰拱，尽早封闭成环。
三台阶七步开挖法的施工工艺流程见图4.1.1。
图4.1.1三台阶七步开挖法施工流程
2、施工作业
⑴根据张茅隧道的水文地质条件，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。
⑵弧形导坑应沿开挖轮廓线环向开挖，预留核心土，以人工开挖为主，机械开挖为辅，开挖后及时支护；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；仰拱紧跟下台阶，及时闭合构成稳固的支护体系。
⑶施工过程通过监控量测，掌握围岩和支护的变形情况，及时指导调整支护参数和预留变形量，保证施工安全；
⑷三台阶七步开挖法施工步骤见图4.2.4-1，开挖透视图见4.2.4-2。
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°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。
⑸三台阶七步开挖法的初期支护由喷射混凝土、锚杆（管）、钢筋网和钢架等组成，各部分联合受力。
初期支护应在开挖后立即施作，以保护围岩的自然承载力，其施工工艺流程见图4.2.5。
图4.2.5初期支护施工工艺流程
3、仰拱施工
⑴隧底开挖采用全幅分段施工，上面铺设仰拱栈桥，每循环开挖长度宜控制在2～3m。
当仰拱施工滞后下部台阶开挖面30～40m时，采用短距离跳槽进行隧底开挖。
⑵隧底开挖后，及时清除虚碴、杂物、泥浆、积水，立即初喷3～5cm厚混凝
土封闭岩面，按照设计要求安装仰拱钢架，复喷射混凝土至设计厚度，使初期支护及时闭合成环。
⑶仰拱超前拱墙衬砌，每循环浇筑长度宜为4～6m，仰拱采用浮放模板支架成型。
仰拱混凝土分段全幅浇筑，一次成型，不留纵向施工缝，仰拱施工缝和变形缝设置止水带。
仰拱表面平顺，不积水。
⑷仰拱填充混凝土在仰拱混凝土终凝后浇筑，浇筑前清除仰拱表面的杂物和积水，连续浇筑，一次成型，不留纵向施工缝。
填充混凝土强度达到5MPa后允许行人通行，达到设计强度的100％后允许车辆通行。
仰拱填充表面坡度符合设计要求，平顺、排水通畅、不积水。
图4.2.4-1 开挖步骤图
超前支护
1
1
衬砌
6-1
3
1
6-2
仰拱
2
5
栈桥
4
6-3
7
施工步骤：
第1步：
施作超前支护后，开挖拱部弧形导坑，预留核心土，施作拱部初期支护；
第2、3步：
开挖左右侧中台阶并施作初期支护；
第4、5步：
开挖左右侧下台阶并施作初期支护；
第6步：
分别开挖上、中、下台阶核心土；
第7步：
开挖隧底并施作仰拱初期支护封闭成环。
图4.2.4-2 开挖透视图
4、监控量测
⑴张茅隧道监控量测工作紧跟开挖、支护作业进行布点和监测，量测数据运用工程类比法及时分析反馈，必要时根据分析结果及时调整支护参数，以保证施工安全。
⑵量测项目可分为必测项目和选测项目，必测项目见表4.4.2，选测项目可结合工程实际情况，按照《铁路隧道监控量测技术规程》的规定选取。
表4.4.2监控量测必测项目
序号
监测项目
测量方法和仪表
测量精度
备注
1
洞内、外观察
现场观察，地质罗盘仪
2
初期支护拱（墙）脚净空变化
采用非接触无尺量测法，全站仪
0.1mm
3
初期支护拱顶下沉
采用非接触无尺量测法，全站仪
0.1mm
4
地表沉降
水准测量的方法，水准仪
1mm
浅埋隧道（H0≤2b）、洞口段、下穿高速公路（建筑物）段必测
注：
H0—隧道埋深；b—隧道最大开挖宽度。
⑶净空变化量测测点布置和初读数的读取应符合下列规定。
测点、测线布置详见图4.4.3。
图4.4.3净空变化测点布置
1上部弧形导坑开挖并施作拱部初期支护后，布设拱顶下沉测点A和第一条净空量测基线B—B’，在3～6h内取得初读数；
2中台阶开挖并施作上部边墙初期支护后，布设第二条净空量测基线C—C’，在3～6h内取得初读数；
3下台阶开挖并施作下部边墙初期支护后，布设第三条净空量测基线D—D’，在3～6h内取得初读数；
4其它量测项目在开挖后12h内取得初读数，最迟不得超过24h，且在下一循环开挖前完成；
5拱（墙）脚净空变化、拱顶、地表观测点布设在同一断面，便于分析、比较。
⑷各测点取得初读数据后，应按照位移速度和量测断面距开挖面距离选择量测频率（见表4.4.4）。
当出现异常情况时，应加大量测频率。
表4.4.4量测频率
位移速度
距开挖面距离
位移速度（mm/d）
量测频率
量测断面距开挖面距离（m）
量测频率
≥5
2次/d
（0～1）B
2次/d
1～5
1次/d
（1～2）B
1次/d
0.5～1
1次/2～3d
（2～5）B
1次/2～3d
0.2～0.5
1次/3d
＞5B
1次/7d
＜0.2
1次/7d
注：
1、B—隧道开挖跨度。
2、当按照“位移速度”和“量测断面距开挖面距离”选择量测频率出现较大差异时，宜取量测频率较高的实施。
五、施工控制要点
⑴隧道进洞前，及时做好洞顶及洞口防排水系统。
洞顶及洞口排水沟采用铺砌，用砂浆抹面，防止地表水及施工用水下渗，影响结构安全。
⑵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。
3二次衬砌距仰拱保持2倍以上衬砌循环作业长度，但不得大于30m。
⑶在满足作业空间和台阶稳定的前提下，尽量缩短台阶长度，核心土长度应控制在3～5m，宽度为隧道开挖宽度的1/3～1/2。
⑷三台阶七步开挖法施工应严格控制开挖长度，根据张茅隧道围岩地质情况，合理确定循环进尺，每次开挖长度不得超过1.0m；开挖后立即初喷3～5cm混凝土，以减少围岩暴露时间。
⑸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。
⑹隧道周边部位预留30cm人工开挖，其余部位采用机械开挖，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。
⑺钢架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，并加垫槽钢，严禁拱（墙）脚悬空或采用虚土回填。
钢架应与锁脚锚杆焊接牢固。
⑻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。
⑼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，在上台阶开挖工作面附近开挖横向水沟，将水引至隧道两侧排水沟排出洞外。
反坡施工时，设置集水坑将水集中抽排。
⑽确保隧道施工的洞内通风，保证作业环境符合职业健康及安全标准。
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