精品软弱围岩隧道台阶法五步开挖施工工法.docx
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精品软弱围岩隧道台阶法五步开挖施工工法
软弱围岩隧道台阶法五步开挖施工工法
1、前言
隧道通过软弱围岩地段时，由于围岩的整体强度低，自稳能力差，隧道开挖后自稳时间短，甚至没有自稳时间，隧道开挖后拱顶及局部应力集中过大易出现坍塌冒顶，隧道结构极易失稳，给施工带来极大的困难.我局在恩施凤凰山隧道施工过程中,结合施工能力和现场实际地质条件,依据新奥法原理改进施工方案，采用上下台阶预留核心土分五步进行开挖支护，拱部和边墙分别采用组合模板台车衬砌.该施工工艺具有以下特点：
1、减少了对周边围岩的扰动，且台阶之间可平行穿插作业；2、开挖面稳定，作业较为安全；3、机械利用率高，施工周期短。
通过四川凉山州官地水电站对外交通公路E标段煤炭沟隧道、杭瑞高速鸡口山隧道等软弱围岩隧道的施工，总结了成功的经验，取得了良好的经济效益的社会效益，并形成本工法.
2、工法特点
2。
0。
1将监控量测技术、数据处理和信息反馈技术应用于施工，动态调整施工方法和支护，确保施工安全;
2。
0.2运用上下台阶预留核心土法进行开挖支护，拱部边墙先施做系统锚杆注浆，分部封闭成环，初期支护为网、锚、喷加型钢钢架，二次衬砌为钢筋混凝土结构;
2.0.3采用五步开挖作业简便，无需使用特殊施工机械，容易推广应用；
2.0。
4边墙与拱部采用一套组合模板台车,具有费用低、效率高、混凝土外观质量好的优点。
3、适用范围
3.1．1本工法适用于新奥法指导施工的较大跨度软弱围岩隧道。
3.1．2本工法适用于各种埋深Ⅳ—Ⅴ级围岩公路隧道和类似跨度与其他级别围岩的隧道工程.
4、工艺原理
4．0．1采用上下台阶预留核心土法施工较大跨度的隧道，其机理是将洞室断面分为上部环形拱部、上部核心土、下部弧形拱部、下部核心土以及仰拱，由于上下部有核心土支挡着开挖面，而且能及时施做拱部初期支护，开挖工作面稳定性好，施工安全有保障。
上下台阶预留核心土法施工示意图：
见图4．1。
图4．1
4．0．
2以岩体力学理论为基础,监控量测为依据，采用新奥法原理和控制爆破技术,及时喷锚进行初期支护，针对围岩软弱的特点，经监控量测数据反馈，合理确定工序间的关系。
4．0．3利用监控位移反分析及初支锚杆轴力、围岩应力、二衬接触应力的量测结果指导施工。
5、工艺流程及操作要点
5。
1工艺流程（见图5。
1）
图5。
1
5.2操作要点
5。
2.1施工准备
⑴熟悉设计图纸，制定详细的施工方案
⑵地表布置监测桩点，并进行原始数据测量
⑶分析洞内的地质情况和稳定与否，制定进洞前辅助加固措施
⑷准备施工队伍和设备，培训施工人员,组合所需的材料.
5.2。
2施作超前小导管
⑴在1步开挖前，按照设计文件在拱部120。
范围内布设φ42mm，L=3.5m,a=0.3m超前小导管施做超前支护。
小导管的搭接长度为30~50％、型钢间距为0.6m；
⑵钻孔、插入小导管：
采用φ60mm钻机钻孔，孔径为，延开挖轮廓线向外倾斜α角（外插角控制在5.-10.）。
孔位检查合格后，插入小导管，小导管的后端焊接在钢架上然后进行注浆，注浆采用单浆水灰比为：
W/C=1.0，注浆的初始压力0.5MPa-1.0MPa，终结压力控制在2.0MPa。
注浆料的配合比及压力要通过试验参数调整确定。
5。
2。
3开挖与支护
⑴开挖顺序:
1部先行开挖，随即依次开挖2步→3步→4步→5步。
1、3部采用光面爆破后装载机出土至下台，2、4、5部采用挖掘机开挖，15T自卸汽车运输.上下台阶间距控制在15—30m之间。
开挖分步见图5.2.3-1：
5。
2。
3-1五步开挖示意图
开挖循环进尺与设计型钢间距相同，即每次开挖进尺与型钢钢架的间距相同：
0。
8m。
⑵初期支护为：
C20喷射混凝土厚20cm，Ⅰ18工字钢钢架间距为0.8m，单层HPB235钢筋网以及法向系统注浆锚杆，每两榀钢架之间设φ25纵向连接钢筋,环向间距为0。
6m。
⑶喷射混凝土采用湿喷工艺，可大幅度减低粉尘浓度和回弹率,增大一次喷层厚度,提高生产效率，保证工程质量.
A、将满足要求的水泥、砂、碎石、水、外加剂按配合比加入搅拌机,拌好后的混凝土加入喷射机的料斗，根据喷射机的操作规程进行喷射，喷射工艺流程如图5。
2.3—2:
5。
2。
3-2湿喷工艺流程图
B、设备。
500L混凝土搅拌机一台、20m3电动空压机一台、3m3混凝土罐车两台、TK96-1型湿喷机一台。
C、人员。
湿喷机司机1人、喷射手2人、上料3人、运料4人、搅拌3人、电工1人、班长1人，共计15人。
D、材料.细度模数大于2.77的中粗砂、碎石最大粒径10mm、PO.42。
5级普通硅酸盐水泥、SDJY型高效液态速凝剂、饮用水、高效减水剂。
E、注意事项
①混凝土材料和易性好,坍落度控制在8—15cm；
②风压控制在0.1MPa左右，风量10m3/min；
③喷射手要注意喷嘴的方向控制.
⑷施作工序
A、在台阶上部测量划出开挖轮廓线,沿轮廓线搭设超前小导管并注浆；采用正台阶法开挖,1部采用光面爆破配合人工出渣，单循环进尺0。
5-0。
8m;周边初喷混凝土厚5cm
，架立钢架，挂网焊上连接杆。
钢架0.8m/榀；在周边钻锚杆孔，安装系统径向锚杆并注浆；周边复喷混凝土至设计厚度。
B、待1部进尺2-3m时,进行2部开挖.4、5步开挖采用挖掘机配合15T载重汽车出渣。
C、上下台阶之间间隔15-30m.开挖下台阶前确定3步开挖的轮廓线,
3步开挖开挖采取马口交叉施工，两边不得同时开挖，错开最小间距为3m。
开挖采用人力及风镐，周边初喷混凝土厚5cm，架立钢架挂网焊上纵向连接杆，钻孔布设径向系统注浆锚杆，钢架之间的横向连接采用钢板和连接螺栓,并采取焊接作为加强措施。
钢架的底部、背部垫设混凝土垫块,周边复喷混凝土至设计厚度。
D、待3步开挖6—8m时,开挖4步、5步，开挖采用挖掘机配合15T自卸汽车出渣,开挖长度控制在10—12m,灌注隧底仰拱及矮边墙砼，矮边墙预留接茬钢筋，每循环12米。
5.2.4二衬施工
隧道施工工序繁多,施工干扰因素多，如果采取人工立模加横撑进行二次衬砌施工，对前方开挖出渣进料造成不利影响。
从作业循环时间和施工进度考虑，人工立模衬砌速度缓慢。
隧道断面衬砌跨度大，立模加固困难，衬砌外观质量难以保证。
因此衬砌施工方案如下：
砼在洞外自动计量拌合站拌制，砼运输,输送泵泵送入模，边墙、拱部采用模板台车衬砌.如图5。
2。
4所示:
5.2.4模板台车
A、要求。
液压动作，自动行走，拱架配组合钢模，拱架可上下左右动作，内净空可通过ZLC-50装载机.
B、参数选定。
轨距5340mm,钢轨43Kg/m，轨枕槽钢160×160；门架高度7126mm，液压系统：
系统压力16MPa，泵排量20ml/r。
5。
2.5施工监测项目
监控量测项目主要根据隧道工程的地质条件、围岩类别、跨度、埋深、开挖方法和支护类型等综合条件确定，具体项目、测点布置、量测频率和周边允许相对位移值见表5.2.5-1、5.2。
5—2、5。
2.5—3、.
表5.2.5：
监测项目表
序号
监测项目
测试工具及仪表
备注
1
岩性，结构面产状及支护裂隙
放大镜
必测
2
地表下沉
水准仪
必测
3
拱顶下沉
精密水准仪
必测
4
周边位移
收敛机
必测
5
围岩应力
压力盒、水准仪
必测
6
锚杆轴力
应力计
必测
7
衬砌内应力、表面应力及裂隙量测
压力盒
必测
表5。
2。
5-2：
测点布置表
围岩级别
侧点间距
水平收敛
拱顶下沉
表面位移
Ⅴ
10—20m
5
3
2
Ⅳ
15-30m
5
3
2
表5.2.5-3：
量测频率
位移速度（mm/日）
距工作面距离
量测频率
＞10
0—1B
1-2次/日
5—10
1-2B
1次/日
5-1
2—5B
1次/2日
＜1
＞5B
1次/周
注:
B为隧道开挖宽度
根据位移变化速率判别,当净空变化速率连续三天大于1mm/d时,需加强支护系统；当拱顶下沉速度小于0。
07~0。
15mm/d，或周边位移速率小于0。
1~0。
2mm，则认为围岩基本稳定。
5。
2。
6注意事项
上下台阶预留核心土法施工应坚持“
管超前，短进尺，弱爆破，强支护，勤量测，早封闭"的原则
5。
2。
7、劳动组织
劳动力组织人员配备表见表5
表5.2。
7：
劳动力组织人员配备表
开挖
人数
衬砌
人数
测量（含监测）
8
防水板铺设
6
钻孔（含锚杆安装及爆破）
20
混凝土生产
12
出渣
15
输送泵
6
喷射混凝土（含架立钢架）
15
混凝土运输及振捣
12
排水、通风道路维护
8
立模定位
14
电工
3
钢筋绑扎
10
合计
69
合计
60
6、机具设备
6。
1施工机械设备配备见表6。
1
表6.1：
施工机械设备配备表
序号
机械设备名称
型号
数量
1
轮式装载机
龙工ZLC50
2
2
挖掘机
卡特320
1
3
自卸汽车
15T
5
4
电动空压机
20m3/135kw
2
5
凿岩机
YT28
8
6
潜孔钻
2
7
搅拌站
350L
1
8
输送泵
HBt60a
1
9
混凝土搅拌机
Js750
2
10
混凝土运输车
vr350
1
11
湿式喷射机
TK96-1
1
12
水泥净浆搅拌机
200a型
1
13
模板台车
1
14
抽水机
147×106
3
15
电焊机
Xj—600
5
16
切断机
GJ32
2
17
发电机
250KW
1
18
变压器
500KVA
1
19
轴流式风机
55kw
2
7、质量控制
本工法除执行施工设计图纸等文件的有关技术要求，执行《公路隧道施工及验收规范》《钢筋混凝土工程施工及验收规范》外，还应注意以下质量标准：
7.0．1、超前小导管钻孔要严格控制外插角，注浆应饱满
7。
0．2、钢支撑应严格测量检查,准确定位，连接良好，拱脚不悬空；
7.0．3、锚杆应确保眼深,注浆饱满，抗拔力达到设计要求
7。
0．4、喷射混凝土达到设计厚度,强度合格.
8、安全措施
施工过程中除严格遵守国家和部颁有关隧道施工安全技术规则外,还要注意以下事项:
8.0．1、设专职工程技术人员做好地质描述和超前地质导报，并根据监控量测的结果，调整支护参数，确保施工人员、设备的安全
8。
0．2、隧道采取光面爆破，严格按爆破设计和《爆破规程》操作施工，严格控制药量，做好软岩的防塌，光爆成形工作
8.0．3、洞内严格控制进尺，严格按设计和施工方案进行超前小导管注浆，在上一环初期支护没完成以前，不得进入下一环开挖作业。
8.0．4、结构应及时封闭成环
8.0．5、拱部开挖支护完成，在架设临时竖向支撑后，方可拆除导洞内壁上部的临时支护钢架.
9．环保措施
9.1永久性用地范围内裸露地表用植被覆盖。
工程完工后，拆除一切临时用地范围内的临时设施和临时生活设施,搞好租用地和弃碴场复耕,绿化原有场地，恢复自然原貌。
退场时的场地清理，达到地方政府、群众及相关其他单位的满意,并取得有效的证明文件。
合理布置施工场地，生产、生活设施尽量布置在征地线以内,少占或不占耕地，尽量不破坏原有植被，不随意砍伐树木，并在其周围植草或植树绿化,创建美好环境。
9.2水土保持措施
为了保护环境和洞外水源不受污染，在洞口设污水处理系统,采用隔油沉淀池、气浮设备和二级生化处理设施对施工污水进行处理。
控制施工注浆使用的水泥及其他浆液泄漏，严格按照设计要求控制隧道内排水量，并对进入隧道排水系统中的注浆废液做净化达标处理，避免浆液污染洞外当地居民的生活、生产用水。
靠近生活水源的施工场地用沟壕或堤坝与之隔开,避免水源污染。
施工期间生产场地和生活区修建必要的临时排水渠道，污水经处理后，与永久性排水设施相接，不致引起渠道淤积冲刷。
施工区域、砂石料场在施工期间和完工后，进行绿化、复耕,减少水土流失。
对弃碴场及时设置防护，且挡墙设泄水孔和反滤层，避免雨季冲刷弃碴，污染河流。
9.3大气污染防治
洞内爆破后进行水幕除烟,溶解炮烟中的SO2，NO2、NH3等，避免污染大气。
洞外内燃机械安设消烟罩，减轻对大气的污染。
9。
4粉尘防治
洞内爆破后采用水幕降尘器降尘。
隧道干式除尘机除尘用于喷混凝土和装碴时的除尘.
通过调整供风的风速控制粉尘，根据经验，当洞内风速达到1。
5～3。
0m/s时，作业地点中空气粉尘的含量会降低至最低。
对施工现场和运输便道等易产生粉尘的地段定时进行洒水降尘，勤洗施工机械车辆，使产生的粉尘危害减至最小程度。
对隧道施工人员发放口罩、防毒面具等，并定期进行体检。
对易松散和易飞扬的建筑材料用彩条布、蓬布等严密覆盖,并放于居住区的下风处。
9.5噪音污染防治
加强施工机械设备的维护保养，减少噪声和污染。
洞外易产生噪声的工程（如碎石加工场）晚上停工。
施工现场严格按照GB12523-90《建筑施工场界噪声限值》中的有关规定和要求进行。
对于产生噪声较大的项目施工，合理安排施工组织计划，避免夜间施工扰民,尽量减少噪声对当地居民的影响。
9.6生产生活垃圾的处理
隧道弃碴及弃碴场地清理物，如表土、草皮、树木、树墩、树根、灌木和垃圾等运到指定地点弃置,不乱弃乱倒。
在弃碴场顶外缘设环形截水沟，弃碴场顶向外做坡度不小于2％的排水坡。
对有害物质（如染料、油料、废旧材料和生产、生活垃圾等）经处理后运至当地环保部门所指定的地点进行掩埋,防止泄露、腐蚀造成对生态资源的破坏.
10、资源节约
10.0．1采用上下台阶预留核心土的施工方法，能较好地保证围岩的稳定性及隧道施工的安全性，减少临时支护.
10。
0．2与原设计施工方案相比，机械利用率高达90%，减少能源的浪费。
11、效益分析
11。
0．1在Ⅳ-
级围岩条件下,采用台阶法五步开挖的施工方法。
能较好地保证围岩的稳定性及隧道施工的安全性.且台阶之间可平行穿插作业，互不干扰；开挖具有足够的作业空间和较快的施工速度，隧道掌子面每天掘进达3m.
11.0．2衬砌施工中由于采用模板台车,既保证了混凝土
的外观质量,解决了各工序的干扰问题，又加快了衬砌速度。
与原设计方案相比,机械利用率高达90％，在短短的两个月内仅人工费一项就为项目节约资金10万元，经济效益显著。
12、工程实例
12.0．1恩施凤凰山隧道位于恩施市城区.为单线双车道分离式隧道，隧道净宽10。
9m，净高7m。
隧道西洞口段为双跨连拱段，向东边逐渐过渡为小净距段、加强段、两条分离式隧道，南隧长278m，北隧长280。
734m,隧道总长558.734m。
整体围岩情况为红砂岩，局部区域为铁砂岩。
按岩质分类,隧道西洞口为Ⅲ级围岩，东洞口为Ⅴ级围岩，洞内围岩自西向东逐渐由Ⅲ级围岩变化到Ⅴ级围岩。
12。
0．2雅砻江官地水电站对外交通公路E标段煤炭沟隧道长1317米，处于古滑坡地带，围岩级别为Ⅴ级，存在低瓦斯，区域内煤炭沟古滑坡在天然状态下处于不稳定状态，隧道内轮廓宽9。
0m，高5。
3m。
12。
0．3杭瑞高速公路鸡口山隧道位于湖北省通山县，左洞长2969m，右洞长2984。
2m。
最大埋深约319m.隧道区段有3条断裂（F15-1、F15、F16）与洞身相交,均为早期的EW向断裂,以张扭性为特征，破碎带宽15~30m，倾向350～15°，倾角72～82°，后期有硅质热液充填,并在断裂旁侧形成劈理带，造成岩体极为破碎。
隧道不良地质主要为断裂及岩溶,IV级及V级围岩。
上述工程隧道施工地段均处于断层挤压带内.隧道围岩为Ⅳ、Ⅴ级围岩，地质特征表现为:
围岩呈褶皱挤压状态，岩体强风化、破碎,结构面光滑,岩层软硬交错裂隙很发育,加之地下水相对富集，很容易造成围岩失稳甚至出现小坍塌现象。
中铁七局武汉公司在软弱围岩隧道施工中采用台阶法五步开挖施工工法，坚持“管超前，短进尺，弱爆破，强支护，勤量测，快封闭”的施工原则，使围岩的下沉和收敛得到良好的控制，取得了成功的经验.
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