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2台阶法施工工艺工法
台阶法施工工艺工法
QB/ZTYJGYGF-SD-0102-2011
第五工程继平
1前言
1.1工艺工法概况
台阶法开挖是将隧道设计断面分成两次开挖（不包括仰拱），其中上台阶超前一定距离后，上下台阶同时并进的施工方法。
台阶法开挖法是隧道施工中采用最多的开挖方法，主要适用于Ⅲ、Ⅳ级围岩，同时在地质条件较差的Ⅴ级围岩也可采用台阶法开挖（Ⅴ级围岩在采取超前支护、临时仰拱等有效支撑手段且监控量测数据未发生的异常的情况下慎重使用）。
台阶法施工围岩适应性强，便于挖掘机、装载机、自卸汽车等大型机械设备联合施工，施工进度快，稳定性好。
台阶法简单分为长台阶法、短台阶法、三台阶法，长台阶法上台阶长度35～50m，下台阶长度20m，整个断面分为上下两个台阶分别进行开挖、出渣、支护施工（在上台阶可使用多功能平台进行钻眼爆破和支护施工），相互干扰小，支护及时，施工进度快，月进尺可达120～150m现在较少采用；短台阶法上台阶长度为5～7m，一般适用于地质条件较差的Ⅳ～Ⅴ级围岩，上台阶洞渣需通过机械转运至下台阶，开挖及支护作业需人工搭设施工平台，上下两个台阶施工相互干扰较大，但利用及时施做仰拱封闭成环，缩短衬砌与掌子面距离，月进尺可一般为90～100m。
本工法主要讲述上下短台阶法施工。
以双线铁路隧道为例，隧道设计开挖高度10.8m，开挖面积100.5m2，上台阶超前下台阶5～7m，上台阶进行钻眼过程中下台阶进行装碴及运输作业，爆破后由挖掘机将上部洞碴挖运至下台阶，上部安装钢架及打设锚杆过程中下部集中装碴运输，在装碴作业完成后施做下部两侧钢架及锚杆，上下台阶同时进行初期支护喷射砼作业，后部仰拱及衬砌紧跟开挖掌子面施工。
1.2工艺原理
将隧道设计断面分成两部开挖（不包括仰拱），其中下台阶随上台阶同步施工，同时仰拱、二次衬砌紧跟下台阶，由于下台阶距离掌子面距离较短，为后部仰拱及衬砌紧跟开挖掌子面创造了良好的空间作业环境，尤其适合于在围岩较差时初期支护及二次衬砌及时封闭成环。
2工艺工法特点
地质条件较差时采取上下短台阶法施工，采用人工组装平台进行开挖、支护作业，设备配置简单，上下台阶同时钻孔和起爆，达到隧道同时开挖掘进的目的，同时可保证开挖后及时完成初期支护，在快速施工的同时能够有效保证施工安全。
上下短台阶施工时上下台阶相互干扰较大，施工中要解决好上下台阶施工干扰问题。
3适用围
本工艺工法适用Ⅲ、Ⅳ级围岩地段修建的铁路、公路隧道施工（Ⅴ级围岩在采取超前支护、临时仰拱等有效支撑手段且监控量测数据未发生的异常的情况下，可慎重使用台阶法施工）。
4主要引用标准
4.1《客运专线铁路隧道工程施工技术指南》（TZ214）、《客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准》（铁建设[2005]160号）、《铁路隧道施工规》（TB10204）、《新建铁路铁路工程测量规》（TB10101）、《客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定》（铁建设[2007]189号）。
4.2设计图纸、合同文件。
5施工方法
隧道在Ⅲ、Ⅳ级围岩地段采用短台阶法施工，开挖采用光面爆破技术，组装临时平台配合人工YT-28风动凿岩机钻眼，初期支护采用格栅钢架+锚杆+钢筋网+喷射砼联合支护体系。
隧道开挖分为上台阶、下台阶、仰拱三个部分分部开挖：
上台阶长度5～7m，每循环进尺2.4～3m（Ⅲ级围岩循环进尺3m，Ⅳ级围岩循环进尺2.4m，与格栅钢架间距相对应）；每循环进尺不超过2榀钢架间距，下台阶左右两侧错开间距大于2榀钢架间距；仰拱每次开挖及支护长度6m，每组仰拱填充砼浇筑长度12m，仰拱距掌子面距离不大于50m，衬砌距掌子面距离不大于90m。
6工艺流程及操作要点
6.1施工工艺流程
施工工艺流程见图1，工艺流程图见图2
图1台阶法施工工艺流程图
图2台阶法施工工序布置图
6.2操作要点
6.2.1施工准备
1风、水管、电线敷设、施工便道、施工场地布置，机械设备、人员配置、材料准备、修建防排水设施、修建环保、水保设施。
2根据设计资料详细分析了解工程地质、当地水文地质情况，制定合理的施工方案和施工措施，制定施工监控量测方案及沉降观测计划。
6.2.2施工步骤
Ⅲ、Ⅳ级围岩隧道采用短台阶法施工工艺，上下台阶采用人工钻眼，光面爆破技术，装载机配合大型自卸车装渣运输，施做初期支护具体施工步骤如下：
1上台阶开挖，开挖作业高度4.9m，挖掘机装碴，人工搭设简易作业平台，钻眼、装药、起爆，每循环进尺2.4～3m，安装格栅钢架、铺设钢筋网，并打设φ42锁脚锚管进行固定（长度3.5m），打设L系统锚杆，钢架底部不密实或悬空时，在钢架底部安装砼垫块。
2利用上台阶挖掘机扒碴及安装钢架、铺设钢筋网时间同步在下台阶采用装载机配合自卸汽车出碴，出碴完毕后安装下台阶钢架、铺设钢筋网、打设φ42锁脚锚管进行固定（长度3.5m），打设系统锚杆。
3上下台阶同时喷射砼封闭。
4开挖仰拱，每循环开挖长度6m，施做初期支护，浇筑仰拱砼，每组仰拱砼浇筑长度12m。
仰拱施工期间采用自制栈桥保持车辆通行。
5整体液压模板台车就位（台车长度12m），灌注拱墙衬砌砼。
6.2.3监控量测
监控量测，可掌握围岩变化规律及支护结构的力学状态和稳定程度，判断支护参数设置是否合理，因此必须加强监控量测，切实做到“勤量测”。
主要施工监测项目见下表1：
表1监控量测项目表
序号
量测项目
量测方法和仪器
测点布置
测量频率
测量
精度
1
水平收敛量测
收敛计、反射膜片配合全站仪
每10～30m一个断面，上下2条基线4个点
υ≥5mm（0～1B）2次/d；1≤υ＜5（1～2B）1次/d；0.5≤υ＜1（1～2B）1次/2～3d；0.2≤υ＜0.5（2～5B）1次/3d；υ＜0.2（＞5B）1次/7d。
0.1mm
2
拱顶下沉
水准测量的方法，水准仪、钢尺等
每10～30m一个断面，1个点
1mm
注：
B—隧道开挖宽度，υ—变形速速
7劳动力组织
见表2某单工作面（双线隧道）劳动力组织表，供参考。
表2单工作面（双线隧道）劳动组织表（三班）
序号
工作项目
作业容
人数
1
开挖
开挖工
35
风镐手
2
装载机司机
3
挖掘机司机
3
自卸车司机
14
2
初期支护
格栅加工
6
钢筋网片加工
2
钢架安装
10
喷射混凝土
25
混凝土搅拌运输罐车司机
5
3
砼生产
混凝土搅拌机司机
3
装载机司机
2
机械修理工
2
4
衬砌
砼工
24
5
测量及其他
技术员
2
测工
6
6
其他
队长
1
技术负责人
1
质检工程师
1
专职安全员
2
试验员
2
电工
3
修理工
2
空压机司机
3
调度
3
辅助人员
5
8主要机具设备
采用短台阶法施工可在围岩较差的情况下充分发挥上下台阶平行作业的特点，施工进度快，工期有保证。
根据机械工作能力和实际工作量，某单个工作面主要机械设备配备如表3，供参考。
表3单工作面主要机械设备配备如表
序号
工序名称
机械名称
机械类型
单位
数量
备注
1
开挖
电动空压机
20m3
台
5
20m3
2
风动凿岩机
YT-28
台
25
3
装碴运输
挖掘机
CAT320C
台
2
4
装载机
WA470
台
2
5
自卸汽车
15T
台
4
6
喷射混凝土
湿喷机
TK961
台
6
2台备用
7
混凝土
拌合机
JS1000A
台
1
8
砼运输罐车
6m3
台
4
9
输送泵
HBT60C-1816
台
2
60m3/h
10
模板台车
台
1
11
供电
变压器
S9-630/35KVA
台
3
12
S9-630/10KVA
台
5
13
通风设施
轴流通风机
NAF12.5-220
台
1
14
测量及量测
全站仪
1″
台
1
水准仪
光
台
1
9质量控制
9.1易出现的质量问题
9.1.1爆破效果不理想，周边轮廓不圆顺，形成大的超欠挖。
9.1.2开挖进尺过大，周边超挖值大。
9.1.3下台阶开挖高度过高，不利于钻眼作业，炮眼方向不易与隧道线路方向平行，炮眼间距不能有效控制。
9.1.4喷射砼厚度不足、钢架未与隧道走向垂直，初期发生变形。
9.2保证措施
9.2.1周边眼采用Φ25小药卷竹片连接间隔装药，控制周边眼线性装药量不超过0.2kg/m。
9.2.2在下台阶钻眼时人工搭设2.0m高简易平台，控制钻眼方向及炮眼间距满足钻爆设计要求，并在已完成的炮眼中插入直木棍，作为其它周边眼的参照，控制钻眼方向与隧道轴线一致。
9.2.3严格控制开挖进尺，对隧道钻爆设计实行动态化管理，及时调整炮眼深度、装药量、炮眼间距等钻爆参数，达到光面爆破的目的。
9.2.4控制钢架安装质量，钢架间距误差要求在±10cm，锚杆间距误差在±15cm，锚杆锚入围岩长度不小于设计长度的95%，钢筋网片搭接长度误差在±5cm，将钢架安装垂直度控制在±2°以；沿隧道环向预埋短钢筋，控制喷射砼厚度不小于设计值
9.2.5材料采购前对分供方进行评定，选择合格的分供方厂家购料。
所购材料必须附有说明书、合格证、技术检验证等质量证件，并满足工程要求。
9.2.6进入工地的主要材料严格按规定和设计要求把关，所有厂制材料须有出厂合格证和必要的检验、试验单。
对进场料、设备按技术质量标准、样品进行严格检验，并事先确定重点检验料。
9.2.8严格按配合比施工，控制好水灰比，控制和使用各种添加剂。
10安全措施
10.1主要安全风险分析
短台阶法施工隧道开挖要注重围岩塌方、掉块等安全风险的评估，提出相应的风险处理措施，编制施工应急预案。
10.2保证措施
10.2.1进洞人员必须戴安全帽，特殊工种应持证上岗。
10.2.2坚持安全交底制度和安全学习制度，提高全员安全意识。
10.2.3施工中应严格控制施工步距，保持掌子面到仰拱距离不超过50m，衬砌距离掌子面不超过70m。
10.2.4坚持进行监控量测，及时对量测数据进行整理、分析，实行监控量测日报制度，每天将监控量测报表发送至现场施工主要管理人员，便于现场及时采取相应加强措施。
10.2.5施工中发现不安全因素时，应暂停开挖，加强支护措施。
10.2.6加强洞电力、通风、排水管线路的管理，防止漏电、漏风伤人。
10.2.7编制隧道防坍塌应急预案，并组织管理人员与作业班组进行应急演练。
10.2.8做好洞外文明施工，保证良好的施工环境。
11环保措施
11.1开始施工前，必须进行环境因素识别，确定重要环境因素，制定相应的管理方案；
11.2临时工程及场地布置应采取措施保护自然环境；
11.3隧道弃碴场坡面按设计进行复垦或绿化，碴顶整平满足设计要求，坡脚进行防护，防止水土流失；
11.4施工场地布置时，在水源保护地区不得取土、弃土、破坏植被等，不得设置搅拌站、洗车台、充电房等，并不得堆放任何含有害物质的材料或废弃物；
11.5施工废水、生活污水和生活垃圾不得随意排弃，并在生活区、生产区及洞门口设置污水处理池，生活污水或生产及洞废水经过污水处理池处理后排放到指定地点。
12应用实例
12.1工程简介
由中铁一局集团第五工程承建的东岭隧道位于省蓝田县灞源乡境，是铁路段的重点控制工程。
隧道为电气化Ⅰ级双线铁路，右侧设与正洞平行的导坑（即平导）辅助正洞施工，正洞起迄里程为DK95+278～DK107+546，全长12268m；平导起迄里程为DyK95+253～DyK107+523，全长12270m。
围岩主要为石英岩、片麻岩，节理发育～较发育。
隧道设计开挖开挖宽度10.8m，开挖面积100.5m2。
采用台阶法施工,Ⅳ级围岩地段支护参数：
拱墙均设置格栅钢架，间距1榀/1.2m，喷射C25混凝土拱墙18cm厚，拱墙设置φ8钢筋网片，网片规格25cm×25cm，锚杆长度L=3.0m，间距1.2×1.0m（环×纵），梅花型布置，二次衬砌厚度为40cm厚C30混凝土。
图3Ⅲ级围岩衬砌断面图
12.2施工情况
东岭隧道设计（含变更设计）共有1192m为Ⅳ级围岩，采用短台阶法施工，单口月平均进度105m。
采用台阶法施工，上下台阶独立作业，施工干扰小，开挖进尺2.4m，每循环开挖3.5小时（含人工搭设钻眼平台0.5小时），上台阶挖掘机扒碴1.5小时（下台阶装碴1小时），上台阶安装格栅钢架、锚杆、钢筋网5小时（下台阶装碴3小时，下台阶安装格栅钢架、锚杆、钢筋网2小时），喷射砼（上下台阶平行作业）5小时，每循环需要16小时，每天可完成1.5个循环。
下部开挖时应注意左右两侧错开2榀钢架间距。
12.3工程结果评价
东岭隧道全长12268m，平道超前正洞施工开创多个正洞工作面，在2001年实现正洞成洞3017m，平导成洞3279m，创国特长铁路隧道年度施工进度新纪录，工程竣工后被评为铁道部火车头优质工程一等奖及国家优质工程银奖。
图4上台阶多功能台架就位图5开挖成型台阶
图6上下台阶法施工及栈桥布置图7三台阶法施工及栈桥布置
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