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1、張茅隧道三臺階七步開挖法施工技術一、概 況我集團公司承建的鄭西客運專線工程所承擔的隧道施工主要工程量為隧道18座28.1km；其中列為鐵道部重點工程的有：張茅隧道8483m、金銀山隧道4004m、交口隧道4012m，下面謹以張茅隧道為例就隧道三臺階七步流水法施工的做法向各位領導做一簡要匯報。重點工程項目第一標段張茅隧道位于河南省陜縣境內，起訖里程DK218+207DK227+090，隧道全長8483m。隧道分別于DK223+200、DK225+560、DK224+747線路前進方向右側設置三個斜井，一號、二號斜井與線路平面夾角45度，三號斜井與線路平面夾角42.57度，一號斜井長246米，二號2、斜井長413米，三號斜井長108米。本管段內的隧道所在區域大多為低山丘陵及黃土臺源地貌，張茅隧道進口端DK218+630DK222+300段屬于低山丘陵地貌，地形較陡，地面高程630860m，相對高差200m以上。 出口端 DK222+300DK227+080段為黃土臺源地貌，黃土沖溝發育，多呈“V”字型，地形切割沖刷嚴重，地面高程640740m，相對高差約100m。二、總 則1、三臺階七步開挖法（以下簡稱“三臺階七步開挖法）是以弧形導坑開挖留核心土為基本模式，分上、中、下三個臺階七個開挖面，各部位的開挖與支護沿隧道縱向錯開，平行推進的隧道施工方法。2、三臺階七步開挖法適用于開挖斷面為10013、80m2，是根據以往大斷面隧道施工及鄭西客運專線張茅隧道施工的經驗確定的。該方法適用、級圍巖，地質主要有黃土、強風化巖層等，如張茅隧道為Q2老黃土（進口為強風化安山巖），不適用條件有圍巖地質為流塑狀態、洞口淺埋偏壓段（但經過反壓處理或施做超前大管棚后可采用）。3、三臺階七步開挖法具有下列技術特點： 施工空間大，方便機械化施工，可以多作業面平行作業。部分軟巖或土質地段可以采用挖掘機直接開挖，工效較高。 在地質條件發生變化時，便于靈活、及時地轉換施工工序，調整施工方法。 三臺階七步開挖法規避了側壁導坑法、中隔壁法及交叉中隔壁法等需要拆除臨時支護及受力轉換造成不安全的因素，及時調整閉合時間，方便機械4、化施工，利于施工工序轉換。適應不同跨度和多種斷面形式，初期支護工序操作便捷。 在臺階法開挖的基礎上，預留核心土，左右錯開開挖，利于開挖工作面穩定。 當圍巖變形較大或突變時, 在保證安全和滿足凈空要求的前提下，可盡快調整閉合時間。三、施工準備1、在采用三臺階七步開挖法施工前，查閱大量設計文件和資料，結合三臺階七步開挖法的特點，按照隧道的規模和工期要求，有針對性地編制實施性施工組織設計和施工作業指導書，并進行詳細的施工技術交底，對作業人員進行崗前培訓和安全教育，從事特殊工種的作業人員持證上崗。2、根據施工進度要求，施工機械、人員分期、分批組織上場。針對大斷面隧道的特點，人員和施工機械配套如下表：根5、據隧道施工情況分析，單作業面施工作業人員配備見表3.2.1，并可根據施工現場情況及時調整。表3.2.1 單作業面施工作業人員配備序號作業項目作業內容人數1開挖（24人）風鎬手4風槍手12挖掘機司機2自卸車司機62初期支護（35人）制作鋼架8安裝鋼架、格柵10噴射手3噴射機司機3噴射機上料6攪拌機司機2攪拌機上料33技術及測試（6人）技術員1試驗員1測量班長1測量工34仰拱（10人）隧底初期支護及仰拱混凝土澆筑10合計75單作業面施工機具配備參見表3.2.2，可根據施工現場情況及時調整。表3.2.2 單作業面施工機具配備序號作業項目機具設備名稱規格型號單位數量備注1開挖電動壓風機20m3/min6、臺5高壓供風雙液注漿機4m3/h臺2注漿風鎬G10臺8開挖修邊風動鑿巖機YT-28臺15系統錨桿、超前支護、局部爆破鉆眼挖掘機CAT320C臺1開挖、裝碴自卸車20t輛6出碴裝載機小松WA470輛2裝碴泥漿泵100m3/h臺2排水2初期支護鋼筋切斷機QJ401臺1加工鋼筋鋼筋折彎機40臺1加工鋼筋電焊機BX300臺5加工鋼架、格柵及其他鋼構件電焊機BX400臺2加工鋼構件臺式鉆床SP-25A臺1加工鋼構件攪拌機JS500臺2拌合混凝土濕噴機TK961臺3噴射混凝土3量測儀器全站儀索佳SET2130R臺1水準儀PENTAXAP-128臺1銦鋼尺個24通風通風機SDF-No12.5臺12110kw7、四、施工工藝1、施工工藝流程三臺階七步開挖法可分為以下主要步驟： 上部弧形導坑環向開挖，施作拱部初期支護； 中、下臺階左右錯開開挖，施作墻部初期支護； 中心預留核心土開挖，隧底開挖，施作隧底初期支護。每部開挖后均應及時支護，隧底初期支護后應及時施作仰拱，盡早封閉成環。三臺階七步開挖法的施工工藝流程見圖4.1.1。上部弧形導坑開挖，施作初期支護開挖上、中、下臺階預留核心土左右錯開開挖中臺階，施作初期支護左右錯開開挖下臺階，施作初期支護超前支護測量放樣施作仰拱施作仰拱填充圍巖穩定性評判、修正支護參數分段開挖隧底，施做初期支護斷面檢查否滿足圖4.1.1 三臺階七步開挖法施工流程2、施工作業 根據隧道8、的水文地質條件，按設計要求做好超前支護，防止圍巖松弛，保證隧道開挖安全。在斷層、破碎帶、淺埋段等自穩性較差或富水地層中，超前支護應按設計要求進行加強。 弧形導坑應沿開挖輪廓線環向開挖，預留核心土，以人工開挖為主，機械開挖為輔，開挖后及時支護；其他分步平行開挖，平行施作初期支護，各分部初期支護銜接緊密，及時封閉成環；仰拱緊跟下臺階，及時閉合構成穩固的支護體系。 施工過程通過監控量測，掌握圍巖和支護的變形情況，及時指導調整支護參數和預留變形量，保證施工安全； 三臺階七步開挖法施工步驟見圖4.2.4-1，開挖透視圖見4.2.4-2。第1步，上部弧形導坑開挖：在拱部超前支護后進行，環向開挖上部弧形導坑9、，預留核心土，核心土長度宜為35m，寬度宜為隧道開挖寬度的1/31/2。開挖循環進尺應根據初期支護鋼架間距確定，最大不得超過1.5m，開挖后立即初噴35cm混凝土。 上臺階開挖矢跨比應大于0.3，開挖后應及時進行噴、錨、網系統支護，架設鋼架，在鋼架拱腳以上30cm高度處，緊貼鋼架兩側邊沿按下傾角30打設鎖腳錨桿，鎖腳錨桿與鋼架牢固焊接，復噴混凝土至設計厚度。第2、3步，左、右側中臺階開挖：開挖進尺應根據初期支護鋼架間距確定，最大不得超過1.5m，開挖高度一般為33.5m，左、右側臺階錯開23m，開挖后立即初噴35混凝土，及時進行噴、錨、網系統支護，接長鋼架，在鋼架墻腳以上30cm高度處，緊貼鋼10、架兩側邊沿按下傾角30打設鎖腳錨桿，鎖腳錨桿與鋼架牢固焊接，復噴混凝土至設計厚度。第4、5步，左、右側下臺階開挖：開挖進尺應根據初期支護鋼架間距確定，最大不得超過1.5m，開挖高度一般為33.5m，左、右側臺階錯開23m，開挖后立即初噴35混凝土，及時進行噴、錨、網系統支護，接長鋼架，在鋼架墻腳以上30cm高度處，緊貼鋼架兩側邊沿按下傾角30打設鎖腳錨桿，鎖腳錨桿與鋼架牢固焊接，復噴混凝土至設計厚度。第6步，上、中、下臺階預留核心土：各臺階分別開挖預留的核心土，開挖進尺與各臺階循環進尺相一致。第7步，隧底開挖：每循環開挖長度宜為23m，開挖后及時施作仰拱初期支護，完成兩個隧底開挖、支護循環后，11、及時施作仰拱，仰拱分段長度宜為46m。 三臺階七步開挖法的初期支護由噴射混凝土、錨桿（管）、鋼筋網和鋼架等組成，各部分聯合受力。初期支護應在開挖后立即施作，以保護圍巖的自然承載力，其施工工藝流程見圖4.2.5。清理巖面初噴混凝土封閉巖面施作系統錨桿，掛鋼筋網安裝鋼架復噴混凝土至設計厚度圍巖量測數據分析、反饋 開挖 圖4.2.5初期支護施工工藝流程3、仰拱施工 隧底開挖采用全幅分段施工，上面鋪設仰拱棧橋，每循環開挖長度宜控制在23m。當仰拱施工滯后下部臺階開挖面3040m時，采用短距離跳槽進行隧底開挖。 隧底開挖后，及時清除虛碴、雜物、泥漿、積水，立即初噴35cm厚混凝土封閉巖面，按照設計要求安12、裝仰拱鋼架，復噴射混凝土至設計厚度，使初期支護及時閉合成環。 仰拱超前拱墻襯砌，每循環澆筑長度宜為46m，仰拱采用浮放模板支架成型。仰拱混凝土分段全幅澆筑，一次成型，不留縱向施工縫，仰拱施工縫和變形縫設置止水帶。仰拱表面平順，不積水。 仰拱填充混凝土在仰拱混凝土終凝后澆筑，澆筑前清除仰拱表面的雜物和積水，連續澆筑，一次成型，不留縱向施工縫。填充混凝土強度達到5MPa后允許行人通行，達到設計強度的100后允許車輛通行。仰拱填充表面坡度符合設計要求，平順、排水通暢、不積水。 圖4.2.4-1開挖步驟圖超前支護11襯砌6-1316-2仰拱25棧橋46-37施工步驟：第1步：施作超前支護后，開挖拱部弧13、形導坑，預留核心土，施作拱部初期支護；第2、3步：開挖左右側中臺階并施作初期支護；第4、5步：開挖左右側下臺階并施作初期支護；第6步：分別開挖上、中、下臺階核心土；第7步：開挖隧底并施作仰拱初期支護封閉成環。 圖4.2.4-2開挖透視圖 4、監控量測 張茅隧道監控量測工作緊跟開挖、支護作業進行布點和監測，量測數據運用工程類比法及時分析反饋，必要時根據分析結果及時調整支護參數，以保證施工安全。 量測項目可分為必測項目和選測項目，必測項目見表4.4.2，選測項目可結合工程實際情況，按照鐵路隧道監控量測技術規程的規定選取。表4.4.2 監控量測必測項目 序號監測項目測量方法和儀表測量精度備注1洞內、14、外觀察現場觀察，地質羅盤儀2初期支護拱（墻）腳凈空變化采用非接觸無尺量測法，全站儀0.1mm3初期支護拱頂下沉采用非接觸無尺量測法，全站儀0.1mm4地表沉降水準測量的方法，水準儀1mm淺埋隧道（H02b）、洞口段、下穿高速公路（建筑物）段必測注：H0隧道埋深；b隧道最大開挖寬度。 凈空變化量測測點布置和初讀數的讀取應符合下列規定。測點、測線布置詳見圖4.4.3。圖4.4.3 凈空變化測點布置1 上部弧形導坑開挖并施作拱部初期支護后，布設拱頂下沉測點A和第一條凈空量測基線BB，在36h內取得初讀數；2 中臺階開挖并施作上部邊墻初期支護后，布設第二條凈空量測基線CC，在36h內取得初讀數；3 下15、臺階開挖并施作下部邊墻初期支護后，布設第三條凈空量測基線DD，在36h內取得初讀數；4 其它量測項目在開挖后12h內取得初讀數，最遲不得超過24h，且在下一循環開挖前完成；5 拱（墻）腳凈空變化、拱頂、地表觀測點布設在同一斷面，便于分析、比較。 各測點取得初讀數據后，應按照位移速度和量測斷面距開挖面距離選擇量測頻率（見表4.4.4）。當出現異常情況時，應加大量測頻率。表4.4.4 量測頻率位移速度距開挖面距離位移速度（mm/d）量測頻率量測斷面距開挖面距離（m）量測頻率52次/d（01）B2次/d151次/d（12）B1次/d0.511次/23d（25）B1次/23d0.20.51次/3d5B16、1次/7d0.21次/7d注：1、B隧道開挖跨度。 2、當按照“位移速度”和“量測斷面距開挖面距離”選擇量測頻率出現較大差異時，宜取量測頻率較高的實施。五、施工控制要點 隧道進洞前，及時做好洞頂及洞口防排水系統。洞頂及洞口排水溝采用鋪砌，用砂漿抹面，防止地表水及施工用水下滲，影響結構安全。 三臺階七步開挖法施工應做好工序銜接。工序安排應緊湊，盡量減少圍巖暴露時間，避免因長時間暴露引起圍巖失穩。1 初期支護及時封閉成環，全斷面初期支護閉合時間宜控制在15d左右；2 仰拱超前施作，仰拱距上臺階開挖工作面宜控制在3040m。鋪設防水板、二次襯砌等后續工作應及時進行。3 二次襯砌距仰拱保持2倍以上襯砌17、循環作業長度，但不得大于30m。 在滿足作業空間和臺階穩定的前提下，盡量縮短臺階長度，核心土長度應控制在35m，寬度為隧道開挖寬度的1/31/2。 三臺階七步開挖法施工應嚴格控制開挖長度，根據張茅隧道圍巖地質情況，合理確定循環進尺，每次開挖長度不得超過1.0m；開挖后立即初噴35cm混凝土，以減少圍巖暴露時間。 嚴格按設計要求施作超前支護，控制好超前支護外插角，嚴格按注漿工藝加固地層，保證隧道開挖在超前支護的保護下施工。 隧道周邊部位預留30cm人工開挖，其余部位采用機械開挖，中、下臺階左、右側開挖應錯開，嚴禁對開，左右側錯開距離宜為 23m。 鋼架嚴格按設計及規范要求加工制作和架設。鋼架應架設在堅實基面上，并加墊槽鋼，嚴禁拱（墻）腳懸空或采用虛土回填。鋼架應與鎖腳錨桿焊接牢固。 隧道超挖部位必須回填密實，嚴禁初期支護背后存在空洞。必要時初期支護背后應進行充填注漿，保證初期支護與圍巖密貼。 完善洞內臨時防排水系統，嚴禁積水浸泡拱（墻）腳及在施工現場漫流，防止基底承載力降低。當地層含水量大時，在上臺階開挖工作面附近開挖橫向水溝，將水引至隧道兩側排水溝排出洞外。反坡施工時，設置集水坑將水集中抽排。 確保隧道施工的洞內通風，保證作業環境符合職業健康及安全標準。