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1、臺階法施工工藝工法QB/ZTYJGYGF-SD-0102-第五工程 趙繼平1 序言1.1 工藝工法概況臺階法開挖是將隧道設計斷面分成兩次開挖（不包含仰拱），其中上臺階超前一定距離后，上下臺階同時并進施工方法。臺階法開挖法是隧道施工中采取最多開挖方法，關鍵適適用于、級圍巖，同時在地質條件較差級圍巖也可采取臺階法開挖（級圍巖在采取超前支護、臨時仰拱等有效支撐手段且監控量測數據未發生異常情況下慎重使用）。臺階法施工圍巖適應性強，便于挖掘機、裝載機、自卸汽車等大型機械設備聯合施工，施工進度快，穩定性好。臺階法簡單分為長臺階法、短臺階法、三臺階法，長臺階法上臺階長度3550m，下臺階長度20m，整個斷面2、分為上下兩個臺階分別進行開挖、出渣、支護施工（在上臺階可使用多功效平臺進行鉆眼爆破和支護施工），相互干擾小，支護立即，施工進度快，月進尺可達120150m現在較少采取；短臺階法上臺階長度為57m，通常適適用于地質條件較差級圍巖，上臺階洞渣需經過機械轉運至下臺階，開挖及支護作業需人工搭設施工平臺，上下兩個臺階施工相互干擾較大，但利用立即施做仰拱封閉成環，縮短襯砌和掌子面距離，月進尺可通常為90100m。本工法關鍵講述上下短臺階法施工。 以雙線鐵路隧道為例，隧道設計開挖高度10.8m，開挖面積100.5m2，上臺階超前下臺階57m，上臺階進行鉆眼過程中下臺階進行裝碴及運輸作業，爆破后由挖掘機將上部3、洞碴挖運至下臺階，上部安裝鋼架及打設錨桿過程中下部集中裝碴運輸，在裝碴作業完成后施做下部兩側鋼架及錨桿，上下臺階同時進行早期支護噴射砼作業，后部仰拱及襯砌緊跟開挖掌子面施工。1.2工藝原理將隧道設計斷面分成兩部開挖（不包含仰拱），其中下臺階隨上臺階同時施工，同時仰拱、二次襯砌緊跟下臺階，因為下臺階距離掌子面距離較短，為后部仰拱及襯砌緊跟開挖掌子面發明了良好空間作業環境，尤其適合于在圍巖較差時早期支護及二次襯砌立即封閉成環。2 工藝工法特點地質條件較差時采取上下短臺階法施工，采取人工組裝平臺進行開挖、支護作業，設備配置簡單，上下臺階同時鉆孔和起爆，達成隧道同時開挖掘進目標，同時可確保開挖后立即完4、成早期支護，在快速施工同時能夠有效確保施工安全。上下短臺階施工時上下臺階相互干擾較大，施工中要處理好上下臺階施工干擾問題。3 適用范圍本工藝工法適用、級圍巖地段修建鐵路、公路隧道施工（級圍巖在采取超前支護、臨時仰拱等有效支撐手段且監控量測數據未發生異常情況下，可慎重使用臺階法施工）。4 關鍵引用標準4.1 客運專線鐵路隧道工程施工技術指南（TZ214)、客運專線鐵路隧道工程施工質量驗收暫行標準(鐵建設160號)、鐵路隧道施工規范(TB10204)、新建鐵路鐵路工程測量規范(TB 10101)、客運專線無砟軌道鐵路工程測量暫行要求(鐵建設189號)。4.2 設計圖紙、協議文件。5 施工方法 隧道5、在、級圍巖地段采取短臺階法施工，開挖采取光面爆破技術，組裝臨時平臺配合人工YT-28風動鑿巖機鉆眼，早期支護采取格柵鋼架+錨桿+鋼筋網+噴射砼聯合支護體系。隧道開挖分為上臺階、下臺階、仰拱三個部分分部開挖：上臺階長度57m，每循環進尺2.43m（級圍巖循環進尺3m，級圍巖循環進尺2.4m，和格柵鋼架間距相對應）；每循環進尺不超出2榀鋼架間距，下臺階左右兩側錯開間距大于2榀鋼架間距；仰拱每次開挖及支護長度6m，每組仰拱填充砼澆筑長度12m，仰拱距掌子面距離小于50m，襯砌距掌子面距離小于90m。6 工藝步驟及操作關鍵點6.1施工工藝步驟施工工藝步驟見圖1，工藝步驟圖見圖2上、下臺階測量放樣上、下6、臺階鉆眼、爆破通風上臺階扒碴上臺階立架打設錨桿噴射砼封閉施做仰拱監控量測下臺階裝碴下臺階立架打設錨桿施做防排水、二次襯砌 圖1 臺階法施工工藝步驟圖 圖2 臺階法施工工序部署圖6.2 操作關鍵點施工準備 1風、水管、電線敷設、施工便道、施工場地部署，機械設備、人員配置、材料準備、修建防排水設施、修建環境保護、水保設施。2依據設計資料具體分析了解工程地質、當地水文地質情況，制訂合理施工方案和施工方法，制訂施工監控量測方案及沉降觀察計劃。施工步驟、級圍巖隧道采取短臺階法施工工藝，上下臺階采取人工鉆眼，光面爆破技術，裝載機配合大型自卸車裝渣運輸，施做早期支護具體施工步驟以下： 1 上臺階開挖，開挖作7、業高度4.9m，挖掘機裝碴，人工搭設簡易作業平臺，鉆眼、裝藥、起爆，每循環進尺2.43m，安裝格柵鋼架、鋪設鋼筋網，并打設42鎖腳錨管進行固定（長度3.5m），打設L系統錨桿，鋼架底部不密實或懸空時，在鋼架底部安裝砼墊塊。2 利用上臺階挖掘機扒碴及安裝鋼架、鋪設鋼筋網時間同時在下臺階采取裝載機配合自卸汽車出碴，出碴完成后安裝下臺階鋼架、鋪設鋼筋網、打設42鎖腳錨管進行固定（長度3.5m），打設系統錨桿。3 上下臺階同時噴射砼封閉。 4 開挖仰拱，每循環開挖長度6m，施做早期支護，澆筑仰拱砼，每組仰拱砼澆筑長度12m。仰拱施工期間采取自制棧橋保持車輛通行。5 整體液壓模板臺車就位（臺車長度12m8、），灌注拱墻襯砌砼。監控量測監控量測，可掌握圍巖改變規律及支護結構力學狀態和穩定程度，判定支護參數設置是否合理，所以必需加強監控量測，切實做到“勤量測”。關鍵施工監測項目見下表1：表1 監控量測項目表序號量測項目量測方法和儀器測點部署測量頻率測量精度1水平收斂量測收斂計、反射膜片配合全站儀每1030m一個斷面，上下2條基線4個點5mm（01B）2次/d；15（12B）1次/d；0.51 （12B）1次/23d；0.20.5 （25B）1次/3d；0.2 （5B）1次/7d。0.1mm2拱頂下沉水準測量方法，水準儀、鋼尺等每1030m一個斷面，1個點1mm注：B隧道開挖寬度，變形速速7 勞動力組9、織 見表2某單工作面（雙線隧道）勞動力組織表，供參考。表2 單工作面（雙線隧道）勞動組織表（三班）序號工作項目作業內容人數1開挖開挖工35風鎬手2裝載機司機3挖掘機司機3自卸車司機142早期支護格柵加工6鋼筋網片加工2鋼架安裝10噴射混凝土25混凝土攪拌運輸罐車司機53砼生產混凝土攪拌機司機3裝載機司機2機械修理工24襯砌砼工245測量及其它技術員2測工66其它隊長1技術責任人1質檢工程師1專職安全員2試驗員2電工3修理工2空壓機司機3調度3輔助人員58 關鍵機具設備采取短臺階法施工可在圍巖較差情況下充足發揮上下臺階平行作業特點，施工進度快，工期有確保。依據機械工作能力和實際工作量，某單個工作10、面關鍵機械設備配置如表3，供參考。表3 單工作面關鍵機械設備配置如表序號工序名稱機械名稱機械類型單位數量備注1開挖電動空壓機20m3臺520m32風動鑿巖機YT-28臺253裝碴運輸挖掘機CAT320C臺24裝載機WA470臺25自卸汽車15T臺46噴射混凝土濕噴機TK961臺62臺備用7混凝土拌合機JS1000A臺18砼運輸罐車6m3臺49輸送泵HBT60C-1816臺260m3/h10模板臺車臺111供電變壓器S9-630/35KVA臺312S9-630/10KVA臺513通風設施軸流通風機NAF12.5-220臺114測量及量測全站儀1臺1水準儀蘇光臺19 質量控制9.1易出現質量問題爆11、破效果不理想，周圍輪廓不圓順，形成大超欠挖。開挖進尺過大，周圍超挖值大。下臺階開挖高度過高，不利于鉆眼作業，炮眼方向不易和隧道線路方向平行，炮眼間距不能有效控制。 噴射砼厚度不足、鋼架未和隧道走向垂直，早期發生變形。9.2確保方法周圍眼采取25小藥卷竹片連接間隔裝藥，控制周圍眼線性裝藥量不超出0.2kg/m。在下臺階鉆眼時人工搭設2.0m高簡易平臺，控制鉆眼方向及炮眼間距滿足鉆爆設計要求，并在已完成炮眼中插入直木棍，作為其它周圍眼參考，控制鉆眼方向和隧道軸線一致。嚴格控制開挖進尺，對隧道鉆爆設計實施動態化管理，立即調整炮眼深度、裝藥量、炮眼間距等鉆爆參數，達成光面爆破目標。控制鋼架安裝質量，鋼12、架間距誤差要求在10cm內，錨桿間距誤差在15cm內，錨桿錨入圍巖長度大于設計長度95%，鋼筋網片搭接長度誤差在5cm內，將鋼架安裝垂直度控制在2以內；沿隧道環向預埋短鋼筋，控制噴射砼厚度大于設計值材料采購前對分供方進行評定，選擇合格分供方廠家購料。所購材料必需附有說明書、合格證、技術檢驗證等質量證件，并滿足工程要求。進入工地關鍵材料嚴格按要求和設計要求把關，全部廠制材料須有出廠合格證和必需檢驗、試驗單。對進場料、設備按技術質量標準、樣品進行嚴格檢驗，并事先確定關鍵檢驗料。嚴格按配合比施工，控制好水灰比，控制和使用多種添加劑。10 安全方法10.1關鍵安全風險分析短臺階法施工隧道開挖要重視圍巖13、塌方、掉塊等安全風險評定，提出對應風險處理方法，編制施工應急預案。10.2確保方法進洞人員必需戴安全帽，特殊工種應持證上崗。堅持安全交底制度和安全學習制度，提升全員安全意識。施工中應嚴格控制施工步距，保持掌子面到仰拱距離不超出50m，襯砌距離掌子面不超出70m。堅持進行監控量測，立即對量測數據進行整理、分析，實施監控量測日報制度，天天將監控量測報表發送至現場施工關鍵管理人員，便于現場立即采取對應加強方法。施工中發覺不安全原因時，應暫停開挖，加強支護方法。加強洞內電力、通風、排水管線路管理，預防漏電、漏風傷人。編制隧道防坍塌應急預案，并組織管理人員和作業班組進行應急演練。做好洞內外文明施工，確保14、良好施工環境。11 環境保護方法11.1開始施工前，必需進行環境原因識別，確定關鍵環境原因，制訂對應管理方案；11.2臨時工程及場地部署應采取方法保護自然環境；11.3隧道棄碴場坡面按設計進行復墾或綠化，碴頂整平滿足設計要求，坡腳進行防護，預防水土流失；11.4施工場地部署時，在水源保護地域內不得取土、棄土、破壞植被等，不得設置攪拌站、洗車臺、充電房等，并不得堆放任何含有害物質材料或廢棄物；11.5施工廢水、生活污水和生活垃圾不得隨意排棄，并在生活區、生產區及洞門口設置污水處理池，生活污水或生產及洞內廢水經過污水處理池處理后排放到指定地點。12 應用實例12.1工程介紹由中鐵一局集團第五工程承15、建東秦嶺隧道在陜西省藍田縣灞源鄉境內，是西安南京鐵路西安合肥段關鍵控制工程。隧道為電氣化級雙線鐵路，右側設和正洞平行導坑(即平導)輔助正洞施工，正洞起迄里程為DK95+278DK107+546，全長12268m；平導起迄里程為DyK95+253DyK107+523，全長12270m。圍巖關鍵為石英巖、片麻巖，節剪發育較發育。隧道設計開挖開挖寬度10.8m，開挖面積100.5m2 。采取臺階法施工,級圍巖地段支護參數：拱墻均設置格柵鋼架，間距1榀 / 1.2m，噴射C25混凝土拱墻18cm厚，拱墻設置8鋼筋網片，網片規格25cm25cm，錨桿長度L=3.0m，間距1.21.0m(環縱)，梅花型部16、署，二次襯砌厚度為40cm厚C30混凝土。圖3 級圍巖襯砌斷面圖12.2施工情況 東秦嶺隧道設計（含變更設計）共有1192m為級圍巖，采取短臺階法施工，單口月平均進度105m。 采取臺階法施工，上下臺階獨立作業，施工干擾小，開挖進尺2.4m，每循環開挖3.5小時（含人工搭設鉆眼平臺0.5小時），上臺階挖掘機扒碴1.5小時（下臺階裝碴1小時），上臺階安裝格柵鋼架、錨桿、鋼筋網5小時（下臺階裝碴3小時，下臺階安裝格柵鋼架、錨桿、鋼筋網2小時），噴射砼（上下臺階平行作業）5小時，每循環需要16小時，天天可完成1.5個循環。下部開挖時應注意左右兩側錯開2榀鋼架間距。12.3工程結果評價東秦嶺隧道全長12268m，平道超前正洞施工開創多個正洞工作面，在實現正洞成洞3017m，平導成洞3279m，創中國專長鐵路隧道年度施工進度新紀錄，工程完工后被評為鐵道部火車頭優質工程一等獎及國家優質工程銀獎。圖4 上臺階多功效臺架就位 圖5 開挖成型臺階圖6 上下臺階法施工及棧橋部署 圖7 三臺階法施工及棧橋部署