黄土隧道三台阶七步开挖法施工工法

黄土隧道三台阶七步开挖法施工工法1 前言黄土隧道是目前施工中经常碰遇到的一种土质隧道，由于受地质围岩条件的限制，需在最短的时间内对围岩形成闭合成环，以保证施工安全。

根据对穿越第四系上更新统砂质黄土隧道--西坡隧道三台阶七步开挖法施工工法总结，为完善和推广七步台阶开挖法提供了技术支持，为类似隧道工程提供示范工程和积累经验。

2 工法特点2.1施工空间大，可以引入大型施工机械，多作业面平行施工，工效高；部分Ⅴ级软岩地段可以采用反铲挖掘机直接开挖下半断面，减小了对围岩的扰动。

2.2在地质结构复杂多变、软硬围岩相间的隧道施工中，便于灵活、及时地调整施工方法，进度稳定，工期有保障。

2.3能适应大跨度断面，没有拆除临时施工支护工序，节省投资；同时避免了因拆除临时支护可能造成的初期支护突然卸载而危及隧道安全等问题，初期支护断面圆顺，无应力集中点，受力均衡，结构安全性强；2.4混凝土仰拱超前施作，不仅便于初期支护及早闭合成环承载，而且改变了洞内作业和运输环境。

2.5全断面一次施作防水层和灌筑混凝土衬砌，确保了隧道防排水和混凝土衬砌的施工质量，运营病害少。

2.6无需特殊设备，投入少，操作性强，易推广。

3 适用范围断面开挖时掌子面围岩稳定或经过处理后（如超前小导管注浆预支护）无大的掉块、垮塌现象，初期支护刚度足够的黄土隧道。

4工艺原理隧道开挖过程中利用其自身稳定性，将开挖轮廓线分为七个开挖面，以前后七个不同的位置相互错开开挖、支护，混凝土仰拱紧跟下台阶及时施作，最终形成稳固的初期支护整体，缩短作业循环时间，逐步向前推进的作业方法。

5施工工艺流程及操作要点5.1施工工艺流程施工中严格遵循“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则，台阶七步开挖一般包含上部弧形导坑开挖并施作拱部初期支护，再左右错位开挖中、下台阶并及时施作边墙初期支护，后及时施作仰拱混凝土，尽早封闭成环，二衬紧跟。

七步台阶开挖法施工流程图如图5-1。

在断层、破碎、浅埋、偏压带等自然地质条件较差地层，需要采用大管棚、小导管预注浆加固、止水等辅助措施后，再进行三台阶七步开挖。

（1）施工工艺见三台阶七步法施工工艺流程图。

5-1 三台阶七步法施工工艺流程图（2）超前支护施工隧道开挖过程是围岩应力重分布的过程，围岩由开挖前的天然应力平衡状态转变为向洞室松胀位移产生围岩变形，为把隧道开挖的影响限制在最小范围内，防止围岩的松弛，在断层、破碎带、浅埋带等自然性较差地质条件段，施作大管棚、小导管预注浆等超前预支护。

（3）开挖施工作业根据苏家川隧道及西坡隧道施工，经过现场施工各工序的优化调整，总结出黄土隧道如下开挖施工参数，其施工工序如图5-2所示“三台阶七步开挖法施工开挖工序示意图”。

图5-2 三台阶七步开挖法施工开挖工序示意图第①部分，上部弧形导坑开挖：在拱部超前支护后进行，环向开挖上部弧形导坑，预留核心土，人工修整边壁。

上弧导高度和两侧宽度为2.0m 左右，开挖核心土长度为3～5m ，宽度为隧道开挖宽度的1/2。

开挖循环进尺根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过2榀钢架间距，开挖后立即初喷3～5cm 混凝土。

开挖后及时进行架设钢拱架、锚杆、钢筋网系统支护。

根据设计在钢架拱脚以上30cm 高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°～45°打设锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。

第②、③部分，左、右侧中台阶开挖：开挖进尺根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过2榀钢架间距，开挖高度一般为3～3.5m ，左、右侧台阶错开保持2～4榀钢架间距，开挖后立即初喷3～5cm 混凝土，及时进行施工接长钢架、锚124763561杆、钢筋网、喷射混凝土等初支系统支护。

依设计在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°打设锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。

第④、⑤部分，左、右侧下台阶开挖：开挖进尺根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过2榀钢架间距，开挖高度一般为3～3.5m，左、右侧台阶错开2～4榀钢架间距，与中台阶相距5～10cm，开挖后立即初喷3～5cm混凝土，及时进行施工接长钢架、锚杆、钢筋网、喷射混凝土系统支护。

根据设计在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°打设锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。

第⑥部分，按上、中、下台阶预留核心土，在各台阶开挖后，进行下一台阶开挖时，分别开挖预留的核心土，开挖进尺与各台阶循环进尺相一致。

第⑦部分，隧底开挖：为使初支尽快封闭成环，3～5m开挖一次，开挖完后及时喷射混凝土覆盖，喷射混凝土初凝后绑扎仰拱钢筋、浇注仰拱混凝土，仰拱混凝土浇筑4～6小时后回填填料，推进下一循环施工。

（4）初期支护施工作业初期支护是由锚杆、钢筋网、钢架和喷射混凝土组成的一种联合受力结构。

为保护围岩的天然承载力，初期支护要在开挖后立即施作，其施工流程见图5-3。

图5-3 喷锚支护施工工艺流程图1）超前地质预报通过对勘察设计地质数据的收集，结合工程范围的地表、已开挖的隧道地段的地质情况的记录和调查，利用各种探测方法取得资料来分析与判断、预测开挖面前方一定范围内的地质条件，以指导施工。

2）喷设混凝土围岩开挖完成后，人工清理围岩表面松散部位，埋设控制喷射混凝土厚度的标志钉，先对岩面进行初喷封闭待钢筋网、钢架、锚杆施作完成后复喷至设计厚度。

喷射混凝土作业应两侧同时进行，自下而上从拱脚或墙脚向上堆喷，分段长度0.8～2m，以防止上部喷射回弹料虚掩拱脚（墙脚）而不密实，以致强度不够，造成失稳；喷射时沿水平方向以螺旋形划圈移动，喷头和受喷面垂直，喷嘴口至受喷面距离0.6～1.8m。

喷射混凝土表面应平整，无空鼓、裂缝。

3）施作系统锚杆，挂设钢筋网锚杆宜采用药包式或早强砂浆锚杆，锚杆尽量紧贴钢拱架设置并与其焊接，连同钢架基脚处设置的注浆锁脚锚管，共同控制变形；钢筋网采用直径Φ8mm钢筋加工制作成片，网格尺寸20cm×20cm，搭接长度应为1～2个网格，应采用焊接；钢筋随喷面的起伏铺设，其间隙不大于3cm，钢筋网应与锚杆体连接牢固，且钢筋保护层厚度不得小于4cm。

开始喷射时，应减少喷头至受喷面的距离，并调整喷射角度，喷射中如有脱落土块或混凝土块被钢筋网卡住时，应及时清除后再喷射混凝土。

4）安装钢架钢架是软弱围岩初期支护的重要组成部分，应严格按设计图及规范要求加工制作和架设。

钢架安设前检查掌子面开挖净空，并挖除钢架底脚处虚碴，拱脚应支承在坚固的基础上。

钢架落底接长在单边交错进行，每次单边接长钢架2～4榀。

接长钢架和上部通过垫板用螺栓牢固准确连接。

钢架之间采用Ф22连接钢筋，并应及时完成喷射砼厚度。

当拱顶下沉较大时，拱脚纵向可采用废工字钢连接，加大初期支护整体刚度。

5）仰拱施工在拱边墙初期支护施工完成后，要及时开挖仰拱，安装仰拱钢架，喷射混凝，使初期支护尽早闭合成环，构成稳固的初期支护体系，并及时施作仰拱浇筑混凝土为施工运输创造条件。

仰拱超前二衬施作，仰拱距离掌子面宜根据围岩级别控制在20~30m内，具体滞后距离根据洞内围岩变位监控反馈信息确定。

仰拱封闭时间宜控制在4~5天左右。

仰拱开挖采用全幅施工，每循环3～5m，开挖后立即初喷4～6cm喷射混凝土封闭围岩，安装仰拱拱架、复喷混凝土至设计厚度，使初期支护及时闭合成环。

仰拱上面铺设仰拱栈桥保证车辆通行，在初支混凝土初凝后安装仰拱钢筋，施作隧道结构防排水，施作仰拱混凝土及仰拱填充。

（6）二次混凝土衬砌仰拱施作完成后，及时施作二次衬砌，二次衬砌距离仰拱宜根据围岩级别控制在30~70m内，具体滞后距离根据洞内围岩变位监控反馈信息确定。

防水层采用专用台车进行安装，按设计材料和技术参数施作防水层，铺设时要采用无钉孔工艺，并视初期支护的平整情况，将防水板留一定余量，以防止过紧而被混凝土挤破。

混凝土衬砌采用全断面液压钢模衬砌台车、泵送混凝土灌注、混凝土输送车运输。

灌筑时要注意台车两侧对称均匀下料，防止台车偏移。

（7）监控量测严格按设计要求进行拱顶下沉和周边收敛位移量测，通过监控量测的信息反馈，及时调整支护参数，以保证衬砌结构的安全。

拱顶下沉、收敛量测起始读数宜在3～6h内完成，其他量测应在每次开挖后12h内取得起始读数，最迟不得大于24h，且在下一循环前必须完成。

①测点应牢固可靠、易于识别，并注意保护，严防爆破损坏。

②拱顶下沉和地表下沉量测基点应与洞内、外水准基点建立联系。

隧道浅埋地段地表下沉的量测宜与洞内净空变化和拱顶下沉量测在同一横断面内。

①横断面方向应在隧道中线两测每隔2～5m布设地表下沉测点，每个断面设9～11点。

监测范围应在隧道开挖影响范围以内。

②地表下沉量测应在开挖工作面前方，隧道埋深与隧道开挖高度之和处开始，直到二次衬砌结构封闭、下沉基本停止时为止。

③地表下沉量测频率应与拱顶下沉和净空变化的量测频率相同。

隧道二次衬砌沉降缝两侧的不均匀沉降观测、洞口段与洞口过渡段不均匀沉降观测频率应7d进行一次。

洞内沉降缝每侧宜布设四个以上的观测点；洞口布点视过渡段的情况而定。

各项量测项目量测频率应根据位移速度和量测断面距开挖面距离，分别依下面两表来确定。

量测频率（按位移速度）量测频率（按距开挖面距离）注：b为隧道开挖宽度各项量测作业均应持续到变形基本稳定后2～3周结束。

5.2施工要点1）隧道施工前应做好洞顶、洞门及洞口防排水系统。

洞门及洞内排水沟应进行铺砌，砂浆抹面，防止地表水及施工用水下渗，影响结构安全。

土质隧道施工过程中，应进一步重视地表水或地下水对围岩的弱化作用，通过控制沉降避免地表开裂，注意观察地表开裂情况，对开裂地表进行及时封闭，做好排水系统。

2）土质隧道在开挖过程中，尽量减少挖掘机对隧道边沿的开挖，应人工采用风镐对隧道周边进行修整，减少对围岩的扰动，避免侧壁或拱顶掉块现象。

拱脚、墙角应预留30cm人工开挖，严禁超挖。

3）严禁机械作业致使开挖面扩大，或者挖除核心土，核心土应保证其长度和宽度，核心土纵向必须保留5~6m。

4）坚持开挖后立即初喷的原则，尤其土质隧道在开挖后极易出现掉块现象，采用初喷混凝土封闭开挖面的方法，可有效地抑制掉块问题。

5）通过拱脚增加锁脚锚管，钢架拱脚增设支撑槽钢垫板等多种形式来增强拱脚承载力，减少拱顶下沉。

钢拱架安装时必须在同一断面，垂直于水平，钢架间采用连接筋焊接成为整体。

6）锁脚锚管，长度不得小于4m，与水平方向斜向下45°打设，不能随意施作，严禁排成水平向或向上打，施作后及时注浆。

7）隧道每进尺5m，于拱顶中心及拱顶中心两侧水平间距2.5m处，拱顶120°加角线处、开挖最大净空断面处、内轨顶面处、仰拱中心两侧水平间距 4.75m 处及时埋设监控量测点。