公路隧道三台阶CD法开挖施工工法.docx
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公路隧道三台阶CD法开挖施工工法
公路隧道三台阶CD法开挖施工工法
工法编号：
RJGF（闽）-81-2010
完成单位：
福建省闽西交通工程有限公司
福建成森建设集团有限公司
主要完成人：
罗惠清钟天彬谢义宝吴荣军余运喜
1前言
在软弱围岩隧道施工中，特别是浅埋偏压段，软弱岩体破碎，裂隙发育，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，受隧道拱顶不均衡应力及局部侧压力的影响，围岩整体结构易失稳，易出现坍塌冒顶现象，给施工安全带来极大隐患。
我公司通过宁武高速及双永高速两个实际工程的建设，在隧道施工中，根据现场的地质条件及自身的施工能力，对传统的CD法开挖做出调整，由原来的4块改成6块开挖，拱部和边墙采用液压式自行整体衬砌台车衬砌，成功进行了施工，总结了成功经验，形成了公路隧道三台阶CD法开挖施工工法，并取得了良好的经济效益和社会效益。
2010年04月15日由省高指、宁武公司在宁武高速公路（南平段）A10合同段笔架山隧道召开了（全市高速公路）CD法施工现场观摩会，会上省高指对该施工方法给予了高度评价。
2特点
2.0.1将大断面的隧道开挖分解成小断面，达到减小开挖跨度和降低开挖高度的效果，进行分部开挖，分块分环，化大为小，步步封闭，加快了从开挖到支护完成的施工周期，减少了对周边软弱围岩的扰动，不易形成大面积的坍塌，特点是安全性高，结构受力较好，能提高初支强度、刚度，有效抑制大跨度、软岩隧道开挖的变形。
同时左右侧导坑可平行作业，开挖面相对稳定，作业较为安全。
2.0.2与传统的CD法施工相比，施工安全性更高，工序转换更为频繁，要理清各个工序先后顺序及相连关系，在施工中尽量减少各工序之间的相互影响，并根据施工中实际情况灵活调整，确保施工的质量及安全。
3适用范围
本工法适用于围岩极差、跨度大、浅埋、地表沉降需要控制，特别是土质和类土质、含水量大、承载力极低围岩及易产生大变形的公路隧道，也可适用于其它类似工程隧道。
4工艺原理
4.0.1先开挖隧道的一侧，并施作中隔壁，然后再开挖另一侧的施工方法，即将洞室全断面分为六大块，先行导坑上、中、下台阶，后行导坑上、中、下台阶，隧道中部设置中隔壁。
先行导坑上台阶初期支护封闭后，开挖先行导坑中台阶并初期支护封闭，然后下台阶落底并初支封闭成环，左右导坑纵向拉开距离不小于2D（D为开挖跨度）时，后行导坑可跟进平行施工，再拆除中隔壁临时支护，分部施工防排水系统和仰拱、边墙、拱部二次模筑砼衬砌。
施工中采用多部开挖，减小分部开挖跨度和开挖高度，小分割，短进尺，弱爆破，快支护，勤量测，早封闭的原则，同时分块分环，化大为小，步步封闭，环环相扣，施工安全有保障，如图4.0.1所示。
4.0.2通过监控量测数据，采用新奥法原理和控制爆破技术，及时采用超前支护及喷锚进行初期支护，针对围岩软弱特点，经监控量测数据反馈，合理确定工序间的关系。
4.0.3利用监控量测沉降、位移回归分析及初支锚杆拔力、钢支撑内力、喷射砼及二衬砼应力的量测结果指导施工。
图4.0.1三台阶CD法施工示意图
5施工工艺流程及操作要点
5.1施工工艺流程
施工工艺流程，如图5.1所示。
图5.1施工工艺流程图
5.2操作要点
5.2.1施工准备
1根据设计图纸及洞口地质情况，制定并实施进洞前辅助加固措施。
2配备专业施工队伍和施工人员，投入所需的相关设备，组合所需的各种材料。
5.2.2施作洞口超前管棚
1开挖1部前，按照设计文件在拱部154度范围内布设φ108×6mm，L=42m，环向间距a=0.5m超前钢管施作超前支护。
2进洞第一排管棚施工前，施作C25砼明暗洞衬砌套拱（厚0.6m），套拱内埋设3榀钢拱架，钢拱架与管棚导向钢管焊成一个整体。
3施作钻孔：
采用CSJ-30管棚钻机沿开挖轮廓线向外倾斜α角（外插角控制在1°～3°）钻孔，管间用丝扣接头联接，钢管顶进到位后，将其与钢支撑焊接成一体，采用CS麻丝胶泥封堵孔口段止浆。
注浆采用水泥浆，水灰比为：
W/C=0.5，注浆的初始压力0.5-1.0MPa，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施作洞身超前小导管
1在洞口未设管棚地段，开挖1部前，按照设计文件在拱部150范围内布设φ50mm，L=5m，a=0.3m超前小导管施作超前支护。
小导管的搭接长度为2.33m、型钢间距为0.5m。
2钻孔、插入小导管：
采用φ60mm钻机钻孔，孔径为：
沿开挖轮廓线向外倾斜α角（外插角控制在15°）。
孔位检查合格后，插入小导管，小导管的后端焊接在钢拱架上然后进行注浆，注浆采用单浆水灰比为：
W/C=0.5，注浆的压力控制在0.5-1.0MPa，注浆料的配合比及压力要通过试验参数调整确定。
5.2.4开挖与支护
1开挖顺序：
1部先行开挖，随即依次开挖2部、3部。
1部作业空间较小，采用0.2m3挖掘机（具有挖、推双重功能）开挖，2、3步采用0.65m3挖掘机开挖，15t自卸汽车运输。
台阶间距控制在3-5m之间。
开挖循环进尺为1.5倍钢拱架间距，即为0.75m（钢拱架间距为0.5m）。
2初期支护为：
C20喷射混凝土厚24cm，钢拱架间距为0.5m，单层HPB235钢筋网以及法向Φ25中空注浆锚杆，每两榀钢拱架之间设φ25纵向连接钢筋，环向间距为1m。
3临时支护为：
C20喷射混凝土厚24cm，钢拱架间距为0.5m，单层HPB235钢筋网以及Φ22超前药卷锚杆，每两榀钢拱架之间设φ25纵向连接钢筋，环向间距为1m。
4喷射混凝士采用湿喷工艺，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。
1）喷射作业按三台阶分部开挖顺序分段、分片实施，由下而上沿两侧拱脚往拱部中心对称喷射，确保喷射表面平整，无“排骨”现象。
喷射作业以先初喷，初支后复喷方式分层进行。
2）注意事项：
a.混凝土材料和易性好，坍落度控制在8-15cm；
b.风压控制在0.1MPa左右，风量10m3／min；
5施作工序
1）先行导坑上台阶（1部）量测划出开挖轮廓线，拱部沿轮廓线施作超前小导管及侧壁临时超前锚杆支护；采用人工配合0.2m3挖掘机开挖，必要时辅予弱爆破，单循环进尺0.75m；周边及掌子面初喷混凝土厚4cm，在周边钻锚杆孔，安装系统径向中空锚杆并注浆，挂设钢筋网并与径向锚杆焊接牢固，架立钢拱架（包括侧壁临时钢拱架），钢拱架0.5m/榀，并设置锁脚锚杆，周边复喷混凝土至设计厚度，同时浇筑先行导坑上台阶C20临时仰拱砼。
及时封闭成环。
2）待1部进尺3-5m时，进行2部开挖。
2部采用人工配合0.65m3挖掘机开挖，必要时辅予弱爆破，装载机装，15t自卸汽车出渣，单循环进尺1～1.5m；周边及掌子面初喷混凝土厚4cm，在周边钻锚杆孔，安装系统径向中空锚杆并注浆，挂设钢筋网并与径向锚杆焊接牢固，钢支撑落底（包括侧壁临时钢拱架）封闭成环，钢拱架0.5m/榀，必要时设置锁脚锚杆，周边复喷混凝土至设计厚度，确保先行导坑相邻台阶纵向错开距离不大于5m。
同理可进行先行导坑下台阶的开挖。
3）先行导坑上台阶（1部）掘进长度大于2D（D为隧道开挖跨度）时，进行后行导坑开挖。
后行导坑开挖方法和顺序同先行导坑。
4）施工中先行导坑掌子面与后行导坑掌子面在纵向错开距离不小于2D（D为隧道开挖跨度）。
5）先行导坑、后行导坑初支全部封闭成环，待初期支护收敛后，拆除中隔壁钢架支撑，浇筑仰拱、二衬砼及填充层。
6）根据监控量测数据分析，当围岩基本稳定时（监控量测数据满足下列要求时可认为已基本稳定：
a已产生的各项位移已达预计总位移量的80%，b周边位移速率小于0.1～0.2mm/d，c或拱顶下沉速度小于0.07～0.15mm/d），逐段拆除中隔壁临时支护，浇筑仰拱二衬砼及填充层。
5.2.5超前地质预报与施工监测项目
1超前地质预报
在隧道施工中，将超前地质预报作为工序纳入施工管理，对地质超前预报进行分级管理。
超前地质预报的内容包括不良地质及灾害地质预报、水文地质预报和围岩级别及其稳定性预报。
地质预报应分级进行，采用物探和钻探，长距离、中长距离和短距离相结合，多种手段综合分析，相互印证。
2预报内容
1）推断掌子面前方约40m范围内可能出现的地层、构造、岩性情况；
2）推断掌子面实见的各种不良地质体向掌子面前方延伸的情况；
3）对掌子面涌水量的观测，结合岩性、构造特征，推断工作面前方一定范围内可能的地下水涌出情况；
4）在上述推断的基础上，预测工作面前方一定范围内的隧道围岩级别，提出准确的超前支护建议，并对施工支护提出初步建议。
3监控量测
监控量测项目主要根据隧道工程的地质条件、围岩级别、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列位移值，如表5.2.5-1、表5.2.5-2和表5.7.5-3所示。
表5.2.5-1监测项目
序号
监测项目
测试工具及仪表
备注
1
地质和支护状况
地质罗盘及规尺
必测
2
地表下沉
水平仪及水平尺
必测
3
拱顶下沉
精密水准仪
必测
4
周边移位
收敛机
必测
5
锚杆抗拔力
应力计
选测
6
钢拱架支撑内力
支柱压力
选测
表5.2.5-2测点布置图
围岩级别
测点间距（m）
水平收敛
拱顶下沉
表面移位
Ⅴ
5
6
3
2
表5.2.5-3量测频率
位移速度
距工作面距离
量测频率
>10
0～1B
1～2次/d
5～10
1～2B
1次/d
5～1
2～5B
1次/2d
<1
>5B
1次/周
根据位移变化速率判别，当净空变化速率连续三天>1mm/d时，需加强支护系统；当拱顶下沉速度<0.07-0.15mm/d，或周边位移速率<0.1-0.2mm，则认为围岩基本稳定。
5.2.6注意事项
1应坚持“管超前、短进尺、弱爆破、强支护、勤量测、早封闭”的原则。
2应采取分部开挖、小分块、早成环、环套环形成全断面初期支护封闭结构的施工方法。
3先行导坑上、中、下台阶与后行导坑上、中、下台阶可以平行交叉作业，确保纵向错开距离满足设计及规范要求。
5.3劳动力组织
劳动力组织人员配备，如表5.3所示。
表5.3劳动力组织情况表
序号
开挖及初支各班组
人数
1
测量（含监测）
8
2
开挖班（含超前及锚杆钻孔）
24
3
支护班（初喷、安装小导管、锚杆、修边、挂网、架立钢拱架、复喷）
28
4
出渣
12
5
电工
2
6
排水、通风道路维护
4
7
合计
78
6材料与设备
表6材料与设备配备
序号
机械设备名称
型号
数量
1
装载机
LG856
2
2
挖掘机
斗山MX311
1
3
挖掘机
小松PC56
1
4
自卸汽车
15t
2
5
空压机
艾维特.SG
2
6
气腿式凿岩机
YT28
8
7
混凝土搅拌机
Js750
2
8
混凝土运输车
Vr350
2
9
湿式喷射机
GSP-D2
2
10
注浆机
G2JB
2
11
抽水机
4
12
电焊机
630A型、400A型
2
13
切断机
GJ32
2
14
发电机
350KW
1
15
变压器
500KVA
2
16
轴流式风机
55KW
3
7质量控制
7.1质量控制标准
施工时，三台阶CD法开挖质量控制及验收标准严格按以下规范及要求执行：
1）中华人民共和国行业标准《公路工程质量检验评定标准》（JTGF80/1-2004）
2）中华人民共和国行业标准《公路隧道施工技术规范》（JTG042-94）
7.2质量保证措施
7.2.1采用三台阶CD法开挖，开挖步骤多，工序比较复杂，必须合理安排工序，才能保证施工规范、有序进行，确保工程质量。
7.2.2三台阶CD法施工，上、中、下台阶长度控制在3～5m较适宜，根据监测位移变化速率判别，当净空变化速率>0.5mm/d时，台阶长度控制在3m内；当拱顶下沉速度<0.5mm/d，或周边位移速率<0.4mm时，台阶长度控制在5m内。
7.2.3先行导坑掌子面与后行导坑掌子面纵向错开距离应大于2D（D为隧道开挖跨度），尽量减少后行导坑的掘进对先行导坑初支的扰动。
7.2.4上部初支喷射砼强度达到70%后才开进行中、下台阶的开挖，中、下台阶的左右侧马口钢支撑落底应错开，同时下台阶初支仰拱应跳槽施工。
7.2.5每一分部的开挖高度控制在3.2m左右，现场可根据设备、地质等情况适当调整，地质很差时左右侧上部开挖施应考虑预留核心土切环开挖。
7.2.6由于工序多，施工用水和隧道渗水容易在边墙处汇集，浸泡拱脚基础，使其变软，从而造成初期支护和围岩的整体下沉，因此施工中的施工用水和隧道渗水必须设法有效排放。
7.2.7临时中隔壁的作用在于分隔隧道、形成中心支柱，从而“减小”开挖断面，减小隧道断面效应，同时传递荷载，因此在施工中爆破必须注意药量控制，不能对中隔墙造成很大破坏，注意加强中隔墙的支护质量，确保其支撑强度，同时注重临时仰拱的施工，可以大大提高支护强度，从而保证使用本工艺施工成功。
7.2.8超欠挖控制。
对测量控制点应保护，特别是洞内布点，应经常复合。
采用弱爆破，断面开挖测量时应检验上一循环爆破效果，有欠挖的及时挖除，超挖严重的分析原因，改进爆破方法。
超前钢管钻孔要严格控制外插角，钢管连接、长度以及注浆压力达到设计和规范要求。
7.2.9钢支撑定位准确，连接牢固，无翘曲、垂直，拱脚垫槽钢。
7.2.10锚杆垂直岩面施作，其间距、孔深、长度、直径和抗拔力应符合设计要求。
7.2.11钢筋网紧贴围岩，钢筋直径和网格间距符合设计要求。
7.2.12喷射混凝土应密实饱满，不得留有孔洞，厚度和轻度合格。
8安全措施
各工序操作必须严格遵守安全操作规程，另采取以下安全措施：
8.0.1隧道掌子面50m以内设置专用逃生管。
8.0.2在监控量测和超前地质预报信息的指导下，进行隧道的开挖。
8.0.3尽量少用炸药，采用弱爆破，土质围岩段采用人工配合机械开挖。
8.0.4坚持“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”的方针。
8.0.5加强通风、照明、防尘、降温等工作，保护施工人员的身心健康。
8.0.6备齐应急物质，建立抢险专业队伍。
9环保措施
9.0.1施工场地
在施工场地平面布置过程中，将环保工作纳入统一规划，少占耕地。
施工便道尽量避开村庄，驻地及生产设施的建设充分考虑与自然景观的和谐统一。
施工生产用水排放沟统一布置，设置多级沉淀池，妥善处理，不排入农田、耕地、河道等处，避免排水回溢、冲刷、污染自然水源。
工地厕所设置三级化粪池净化，施工完毕后覆盖埋置；生活垃圾及时清理，弃至指定地点，并作好绿化。
9.0.2弃土场环保
1）弃土必须分层压实，严禁倾倒，完工后进行平整，加以防护及绿化。
2）通往弃土场施工便道，设置纵向排水沟，保证排水通畅，不污染农田。
3）根据设计与当地环保部门签定协议按要求，对弃土采取稳妥的防护措施，做好弃土堆坡面防护，为复耕或绿化提供优良条件。
4）弃土场均设置拦碴墙，施工完后及时复耕或绿化。
9.0.3施工扬尘
为防弃土装运工程渣土的车辆遗洒碴土，所有运输车辆全部采用有盖自卸汽车。
所有出施工场地的车辆必须经过清洗，并设专人监管采取有效措施，保证不污染道路和环境。
配备专用洒水车对段内施工便道定时洒水，将灰尘降到最低程度；并经常进行清扫，避免造成道路污染。
10效益分析
10.0.1社会效益
三台阶CD法开挖隧道，减小了对围岩的扰动，工序施工周期短，同时平行作业使工序紧凑，施工环境安全可靠，在确保安全的前提下工效相对较高，。
10.0.2经济效益
与传统的CD法相比，三台阶CD法开挖断面更小，小步快进，安全可靠，节省了大型机械使用，减少能源的浪费，经济效益相对显著。
11应用实例
本工法成功应用于宁武高速A10标及双永高速A6标等工程，工程质量满足规范和合同要求，现以宁武高速A10标和双永高速A6标为实例。
11.0.1宁武高速A10标工程实例
1工程概况
宁武高速（南平段）A10标笔架山隧道由福建省闽西交通工程有限公司承建，于2009年10月开工，现仍在建，采用本工法施工。
笔架山隧道位于南平市政和县，起讫桩号ZK150+309～ZK152+955（左洞）、YK150+305～YK152+935（右洞），全长2638m，进出口采用削竹式洞门；隧道限界10.75×5m,采用三心圆拱衬砌。
隧址区洞口为坡残积粘土和强风化凝灰熔岩,断裂及裂隙发育，围岩级别以IV～V级为主。
洞身围岩为弱风化—微风化凝灰熔岩，属较硬岩—坚硬岩为主，级别以II、III级围岩为主。
该隧道V级围岩796m（折合单洞），在隧道软弱围岩段施工中，特别是浅埋偏压段，软弱岩体破碎，裂隙发育，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，受隧道拱顶不均衡应力及局部侧压力的影响，围岩整体结构易失稳，易出现坍塌冒顶现象，给施工安全带来极大隐患。
2施工情况
采用本工法开挖，掘进顺利，软弱地段围岩开挖过程中未出现坍塌，断面超欠挖控制有力。
尽量组织导坑平行施工作业，在同等软弱围岩情况下，施工进展相对较快。
3工程评价
采用本工法施工，在极软弱围岩条件下，有效确保围岩的稳定及隧道施工安全。
导坑之间平行穿插作业，提高施工进度，具有较好的进度效益和经济效益。
11.0.2双永高速A6标工程实例
1工程概况
双永高速A6标苏坂隧道由福建省闽西交通工程有限公司承建，于2009年10月开工，现仍在建，采用本工法施工。
苏板隧道位于龙岩新罗区苏坂乡，ZK139+309～ZK140+109，长800m；右线起讫桩号为YK139+280～YK140+123，长843m。
隧道限界10.75×5m,采用三心圆拱衬砌。
隧址区洞口为坡残积粘土和强风化岩,断裂及裂隙发育，围岩级别以III～V级为主。
该隧道V级围岩1282（折合单洞），为双车道隧道软弱围岩，部分为极软弱、破碎围岩。
2施工情况
采用本工法开挖，有效控制了极软弱地段围岩开挖过程中的稳定，同时，有效组织导坑平行施工作业，施工进展满足合同计划要求。
3工程评价
采用本工法，隧道极软弱围岩段施工安全，进度快。
具有较好的进度效益和经济效益。
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