1、1浅谈大断面黄土隧道三台阶七步开挖法卢永飞,张颖摘 要 黄土隧道的工程性质非常复杂，在地下水异常丰富地区的黄土常伴随湿陷性、大变形、高地压等特性，开挖施工经常引起隧道初期支护开裂，围岩塌陷等。针对黄韩侯铁路标段张庄隧道，通过对隧道施工、围岩结构变化及施工工艺的研究，分析总结三台阶七步法开挖技术，对有效控制沉降变形提出了施工技术方法和要点，实现快速施工，对保证隧道结构安全起到重要作用。关键词 隧道、工法、技术、管理前言随着国内铁路客运专线的日益增建以及隧道净空要求的不断提高，大断面隧道工程也越来越多。由于开挖断面大、施工难度大、安全风险突出、工期影响等特点，大断面隧道施工已成为国内外专家瞩目的焦
2、点。隧道工程中一般将断面面积超过 100以上的隧道称为大断面隧道，而近年来实际工程中很多隧道断面达到 120160，有些三、四车道公路隧道甚至达到或超过 200 。隧道断面的增大常造成拱顶不稳定，围岩产生较大的松弛地压，在埋深作用不能发挥时产生很大的松弛压力导致支护受载骤增，尤其对土质不良、跨度大且扁平形状的拱形支护结构支护条件不利。黄韩侯铁路标段张庄隧道位于黄土地区，隧道断面大、地层富水饱和、黄土遇水成泥、沉降变形大、易塌方、工程地质复杂、工期要求紧，通过对三台阶七步开挖在张庄隧道施工中的施工工艺研究，实现了大跨隧道的快速施工，而且降低了施工成本。第一章 工程概况1.1 工程背景张庄隧道位于
3、合阳县甘井镇北张庄村，为双线隧道，起讫里程 DK59+250DK66+432，全长7182m。隧道最小埋深约 5m。除进口端 1177.93m（左线）位于半径 R-1200m 的曲线上，出口端537.49m（左线）位于 R-4500m 的曲线上，其余段落均位于直线上。隧道内为 10,12.5单面下坡。隧道地处黄土台塬区，地形平坦。该隧道进口位于黄土塬面上，交通较为便利，出口位于徐水沟，交通条件一般。工点区地层地表主要以第四系上更新统风积砂质黄土为主，下伏第四系中更新统风积黏质黄土，上二叠系统砂岩夹泥岩。工点处未见断裂构造迹象，地质构造不发育。该隧道正常涌水量为 4716.23m3/d 左右，最
4、大涌水量 9432.47m3/d 左右。隧道地下水对圬工无蚀性。1.2 张庄隧道的工程特性1、地质复杂、均为软弱围岩本隧道围岩类别复杂，地质条件恶劣，均为级、级围岩，其中级围岩 3872 米，级围岩为 3310 米。大部分洞身埋深较浅，洞口穿越浅埋、偏压、富水段，雨季最大涌水量9432.47m3/d 左右。施工难度较大。2、长距离通风，通风要求高本隧道施工通风采用大直径软质通风管，长管路压入式通风，减少通风阻力，单头隧道通风距离长达约 1465m，隧道施工过程中各斜井有两个工作面采用独立通风设备，加强通风速度。加强风管管理，风管架设平、直、顺，接头严密， 减少漏风率。3、长距离排水 本隧道为特
5、长隧道，设计主要为 10、12.5的单面上坡，进口及四个斜井均为反坡排水，在斜井底设置集水坑排水，采用机械抽排。1 号斜井位置 DK60+800，在正线右侧，综合坡度为10.97%，平面交角为 80，斜井长度（m）291.88，2 号斜井位置 DK62200，在正线右侧，综合坡度为 10.81%，平面交角为 80，斜井长度（m）508.21；3 号斜井位置 DK63600，在正线右侧，综合坡度为 10.71%，平面交角为 84.5，斜井长度（m）699.36；4 号斜井位置 DK65000，在正线右侧，综合坡度为 10.5%，平面交角为 35，斜井长度（m）201.23，见表 1.3.1-1。
6、2表 1.3.1-1 辅助坑道（斜井）设置斜井采用单车道+错车道断面的无轨运输方式，斜井内轮廓根据施工设备尺寸，通风管、排水管和高压风水管的布置以及人行道的宽度等因素确定，单车道净空尺寸为 5.0m5.9m（宽高）错车道断面净空尺寸 7.06.0m（宽高） 。第二章 排水措施2.1 顺坡排水 隧道施工时尽早施工仰拱,仰拱标高控制满足侧沟要求,旱季及水量不大时,为将洞内积水排至侧沟，顺坡排水至洞外污水处理池中。水量增大时,靠隧道侧壁铺设 300mm 排水管，利用小避车洞设置积水仓将水抽出。2.2 反坡排水拟采用高扬程大流量分段逐级接力机械抽排方式。洞内路面设横坡，一侧设 0.4m0.3m 的纵向
7、排水沟必要时增设 300mm 排水管，间距 50m 设一临时集水井，水井的大小和间距根据地下水渗流情况适当调整。掌子面积水采用多台小型移动潜水泵将积水抽至附近水箱式移动水仓(容量46m)内，再由潜污泵抽至下一级泵站水仓，如此接力抽至洞外污水处理厂。各工作泵站由“浮球”式水位控制器自动控制，抽水泵按使用、备用、检修各一台配备。2.3 洞内防排水1、全隧道设置双侧水沟加中心水沟排水，侧沟与中心水沟间采用盲管连通，间距 30m。2、中心管沟采用 400mm 预制钢筋砼管拼接而成，砼管采用企口接头形式，选用的管材符合国家标准混凝土和钢筋混凝土排水管 （TB/T11836-1999）三级管要求；中心管沟
8、纵向间距 30m设方形检查井一处。检查井汇集横向导水管并连通上下游中心排水管，检查井下部设沉淀池。3、初期支护和二次衬砌之间（拱墙背后）设厚度不小于 1.5mm 的防水板，内衬无纺布（密度不小于 350g/） ，防水板要求采用无钉铺设，搭接缝为双焊缝。4、环向施工缝采用中埋式止水带和外贴式止水带防水；纵向施工缝采用中埋式钢边橡胶止水带和外贴式止水带防水；变形缝采用中埋式止水带、外贴式止水带及嵌缝材料组成的复合防水措施，变形缝设置应尽量避开地质条件较差及地下水发育地段。5、隧道防水应充分利用砼衬砌结构自防水能力，砼衬砌抗渗等级不低于 P8。仰拱砼应整体灌筑，一次成形。仰拱与仰拱填充砼应分开施工，
9、仰拱底部虚碴、杂物、积水必须清除干净。6、衬砌背后墙脚纵向设 80HDPE 透水盲管，环向设置 50HDPE 透水盲管，与边墙进水孔、洞内排水沟一起组成完整的排水系统。纵向盲管每 1220m 引入测沟，环向盲管与边墙进水孔连接，边墙进水孔与洞内排水沟连接，环向盲管间距按 612m 考虑。2.4 洞外防排水1、DK65+100+200 浅埋沟上下游各 20m 采用 M10 浆砌片石铺砌，厚度 30cm。2、洞外水不得通过隧道内引排，黄陵端洞口外 2m 设一道横向盲沟，以拦截路面水，尺寸为3040cm（宽深） ，洞外侧沟做成不小于 3反坡排水。辅助坑道名称 1 号斜井 2 号斜井 3 号斜井 4
10、号斜井里程 DK60+800 DK62+200 DK63+600 DK65+000综合坡度（%） 10.97 10.81 10.71 10.5坑道与线路相对位置 80 80 84.5 35运输方式 右 右 右 右斜井长度 291.88 508.21 699.36 201.2333、黄陵端明洞顶回填层应做成不小于 3排水坡。4、两端洞口刷坡线外 10m 各设截水沟一道，以拦截地表水。2.5 污水处理洞内施工排放的污水经污水处理场沉淀过滤和净化合格后排放。滤渣由自卸车运至指定地点堆弃。第 3 章 张庄隧道三台阶七步法施工张庄隧道安排按十个工作面施工包括进口一个、斜井八个，出口一个。级围岩和级围岩段
11、采用三台阶七步开挖法，衬砌采用先墙后拱法施工，各级围岩的施工工法根据隧道监控量测的结果作出相应的调整。V 级围岩、IV 级围岩采用三台阶七步法开挖施工；具体开挖方法可根据现场围岩情况适当调整。3.1 施工工艺三台阶七步法开挖施工工艺流程见图 3.1.1-1。图 3.1.1-1 台阶法开挖施工工艺流程图3.2 施工步骤三台阶七步法开挖步骤见图 3.2.1-1。超前支护施工上台阶开挖上台阶支护中台阶开挖中台阶支护下台阶开挖下台阶支护仰拱开挖浇筑防水层施工衬砌施工1、锚杆准备2、钢筋网准备3、钢架准备4、喷砼准备监控量测数据处理信息反馈4126-3547167245核 心 土-3-仰 拱 栈 桥图
12、3.2.1-1 三台阶七步法开挖步骤图第 l 步，上部弧形导坑开挖；第 2、3 步。左、右侧中台阶开挖；第 4、5 步左、右侧下台阶开挖；第 6 步，上、中、下台阶预留核心土；第 7 步，隧底开挖。 三台阶七步施工工序见图 3.2.1-2。 隧道中线1 357 图 3.2.1-2 三台阶七步法施工工序图本图适用于、围岩的开挖，施工顺序为 1 3 IV 5 VI 7 VIIIIX X(为 1开挖后的初期支护；I V为 3 开挖后的初期支护；V I为 5 开挖后的初期支护；V III为 7 开挖完后的初期支护；I X为浇筑底板混凝土；X 为隧道整体衬砌)3.3 超前支护5超前支护是软弱围岩隧道施工
13、成败的关键，洞口段采用 30 米洞口长管棚作为超前支护，其它地段采用超前小导管作为超前支护加固围岩。严格控制开挖进尺，每循环均控制在一榀钢架间距左右，保证超前支护的有效性。3.4 上台阶开挖及支护开挖前，用全站仪或断面仪放出上台阶开挖断面轮廓线。上台阶采用人工配合机械开挖，先用 CAT320 挖掘机挖出主断面轮廓，并沿开挖轮廓线内侧预留 50cm 厚围岩，由人工采用小型机具挖凿，一般采用的辅助小型机具为风镐、风铲等。上台阶开挖高度约5.16m，以确保挖掘机能进入掌子面进行施工。上台阶中部靠近掌子面预留核心土高度约3m，上口宽约 5m，三面按施工需要放坡。防止掌子面围岩受挤压失稳或自失稳引起塌方
14、，危及拱顶围岩的稳定。同时方便支护施工时不需再搭设其它平台。上台阶开挖完成后及时进行初期支护。上台阶按“初喷锚杆钢筋网钢架复喷”的支护形式实施初期支护。钢架规格为 I18 型钢钢架,间距为 50cm。每榀钢架每侧各采用 4 根 42 无缝钢管锁脚，且锁脚钢管要与钢架焊接成整体，以起到抑制初期支护下沉的作用；系统锚杆均为 3.5m 长，其中拱部为 15 根 25 的中空注浆锚杆，边墙为 10 根 22 砂浆锚杆，锚杆间距为 1.0m1.0m（环纵） 。钢筋网规格为 2020cm。初喷 4cm 厚 C25 混凝土，复喷混凝土厚度至 23cm（有效厚度，钢架内及钢架保护层） 。3.5 中台阶开挖及支
15、护中台阶开挖滞后上台阶 35m。中台阶开挖高度约 33.5m，每次开挖长度进尺与上台阶进尺长度相同，中台阶长度任何时候不得大于 15m。中台阶开挖时，必须左右两侧交错进行，两侧错开距离不得小于 5 米，以满足喷射混凝土的早期强度及钢架的落脚稳定共同受力，以能够承受一定的上部压力，不致开裂或坍塌。每次开挖长度不大于 3 榀钢架间距。尤其在洞口段及围岩较差地段，应严格按照上台阶开挖进尺进行开挖及支护；中台阶开挖完成后及时进行初期支护。3.6 下台阶开挖及支护下台阶开挖滞后上台阶 35m。下台阶开挖高度约 33.5m，每次开挖长度进尺与中上台阶进尺长度相同，下台阶长度任何时候不得大于一个仰拱衬砌循环
16、的长度。下台阶开挖时，必须左右两侧交错进行，两侧错开距离不得小于 5 米，以满足喷射混凝土的早期强度及钢架的落脚稳定共同受力，以能够承受一定的上部压力，不致开裂或坍塌。每次开挖长度不大于 3 榀钢架间距。尤其在洞口段及围岩较差地段，应严格按照中上台阶开挖进尺进行开挖及支护；下台阶开挖完成后及时进行初期支护。初期支护形式与中台阶相同。3.6 仰拱开挖及支护仰拱开挖在下台阶开挖及初期支护完成后及时跟进，仰拱每次开挖长度进尺与上台阶进尺长度相同，且保持距下台阶长度不超过 3m。仰拱开挖完成后应及时完成仰拱初期支护，以尽快封闭成环。仰拱衬砌及填充长度结合拱墙衬砌长度（每两道施工缝的距离）进行施6工。3
17、.7 仰拱衬砌及填充仰拱衬砌距离掌子面距离不超过 30 米。仰拱衬砌及填充混凝土应分开浇筑，填充混凝土待仰拱混凝土初凝后再行浇筑。浇筑仰拱混凝土前，需先检查接地钢筋的设置情况，设置正确后再行浇筑仰拱混凝土。3.8 防水层及衬砌钢筋施工仰拱衬砌及填充完成后，立即对初期支护断面进行检测，并结合监控量测情况确定二衬施工时机。围岩变形稳定后，即可开始施工防水层。防水层由各种排水管及土工布、防水板组成，施工过程中应严格控制施工质量及注意成品保护。衬砌钢筋安装时，采用拱架型衬砌钢筋骨架定位，保证衬砌钢筋的间距、表面平顺度及保护层厚度。3.9 拱墙衬砌拱墙衬砌在仰拱衬砌及填充完成后及时施作，拱墙衬砌距离仰拱
18、衬砌距离一般不应小于每模拱墙衬砌长度的 23 倍。拱墙衬砌采用液压式移动模板台车施工。3.10 监控量测为能科学施工，确保施工及结构安全，必须做好现场监控量测工作。施工阶段隧道监控量测主要是对隧道开挖后围岩变化情况及支护结构的工作状态进行量测，及时提供围岩稳定程度和支护结构可靠性的安全信息，预见事故和险情，作为调整和修改支护设计的依据，并在复合式衬砌中，依据测量结果确定二次衬砌施作的时间，以达到监控隧道围岩和支护结构的变位与应力不超过设计及验标标准。本标段隧道量测项目分必检项目和选测项目两大类。其中拱部下沉量测、隧道净空水平收敛量测、洞内、外观察为必检项目，地表下沉、围岩内部位移观察为选测项目
19、。3.10.1 监控量测项目及量测工具和方法，见表 3.10.1-1表 3.10.1-1 监控量测项目及量测工具和方法量测项目 量测工具 测度精度 备注净空水平收敛 各种类型收敛计 0.1mm 一般进行水平收敛量测拱顶下沉 水平仪、水准尺、钢尺 1mm 必测项目洞内、外观察 现场观察、地质罗盘地表下沉 水平仪、水准尺 1mm浅埋隧道必测（H 02b）H0为隧道埋深，b 为隧道开挖宽度选测项目围岩内部位移 多点位移计 0.1mm洞内、外观察分开挖工作面观察和已施工地段观察两部分。1、开挖工作面观察应在每次开挖后进行。观察中发现周围条件恶化时，应立即采取相应处理措施；观察后应及时绘制开挖工作面地质
20、素描图、填写开挖工作面地质状态记录表和施工阶段围岩级别判定。7对已施工地段的观察每天至少应进行一次，主要观察喷射砼、锚杆和钢架等的工作状态。2、洞外观察重点应在洞口段和洞身埋置深度较浅地段，其观察内容包括地表开裂、地表沉陷、边坡及仰坡稳定状态、地表水渗透情况等。净空变化、拱顶下沉量测应在每次开挖后 12 小时内取得初读数，最迟不得大于 24 小时，且在下一循环开挖前必须完成。测点应牢固可靠，严防爆破损坏；拱顶下沉和地表下沉量测应与洞内、外水准基点建立联系，并尽量设在同一断面。3.1.10.2 监控量测频率量测频率应根据位移速度和量测断面距开挖面距离确定，见表 3.10.2-1表 3.10.2-
21、1 监控量测频率对照表位移速度（mm/d） 量测断面距开挖面距离（m） 量测频率5 (01)b 12 次/天1 (12)b 1 次/天0.51 (12)b 1 次/2 天0.20.5 (25)b 1 次/2 天0.2 5b 1 次/周各量测作业均应持续到变形基本稳定后 23 周结束。对于膨胀性和挤压性围岩，位移长期没有减缓趋势时，应适当延长量测时间。第四章 施工工艺研究及要求4.1 张庄隧道三台阶七步开挖法特点大断面隧道三台阶七步开挖法是以弧形导坑开挖留核心土为基本模式，分上、中、下3 个台阶 7 个开挖面，适用于开挖断面为 100180 。具备一定自稳条件的、V 级围岩地段隧道的施工。三台阶
22、七步开挖法具有下列特点：(1)施工空间大，方便机械化施工。工效较高，必要时辅以弱爆破，各分部平行作业，平行施做初期支护，各部分初期支护应衔接紧密，及时封闭成环；(2)在地质条件发生变化时，便于灵活、及时地转换施工工序，调整施工方法；(3)适应不同跨度和多种断面形式，初期支护工序操作便捷；(4)上、中、下台阶预留核心土开挖进尺与各台阶进尺相一致，左右错开开挖，利于开挖工作面稳定；(5)可尽快调整闭合时间。4.2 施工注意事项1、施工中应将超前地质预报作为一个工序安排，采用先进的量测、探测技术取得围岩状态参数，实行信息化监控和动态化管理，通过对数据的分析和处理，及时调整各步台阶长度或施工方法，采取
23、相应的技术措施，及早封闭成环，保证施工安全；2、应根据工程水文地质条件，按设计要求做好超前支护，防止围岩松弛，保证隧道开挖安全。在断层、破碎带、浅埋段等自稳性较差或富水地层中，超前支护应按设计要求进行加强。3、上台阶开挖前，先进行超前支护施工，保证施工质量，保障施工安全。4、上、中、下台阶开挖施工时，严格控制循环进尺，采用短进尺、弱爆破、多循环的施工方法。85、支护施工紧跟开挖，拱部及边墙在开挖后及时进行支护。6、上、中、下台阶开挖支护完成后，根据监测情况，围岩趋于稳定后，适时安排衬砌施工，确保安全。7、下台阶开挖时，边墙开挖分侧进行，单侧超前不少于 10m，开挖后及时完成边墙支护结构，使全断
24、面支护结构及早成环。8、上台阶支护结构钢架两侧拱脚增设锁脚锚管，在钢架上布设锚杆并与钢架焊接，防止在下台阶开挖时下沉。9、施工中加强监测，可适当增加监测点及监测频率，及时反馈监测信息指导施工，做到动态控制。10、完善洞内洞外施工防排水系统，防止洞内水漫流。第五章 结论结合超大断面黄土隧道的围岩地质条件及富水黄土的工程特性，通过对三台阶七步开挖在张庄隧道施工中的运用和对施工工艺的研究，提出了黄土隧道施工的新方法，并掌握了施工中的力学行为特点，实现了大断面黄土隧道快速施工，降低了施工成本，在保障工期和安全施工上具备显著的效益。参考文献：TZ204-2008.铁路隧道工程技术指南张英才，胡国伟，辛振
25、省大断面黄土隧道开挖工法对比分析与选择J铁道工程学报，2010(3)：8792夏润禾，许前顺.软弱围岩地质大断面铁路隧道大拱脚台阶法施工工法J铁道标准设计，2010(s1)：108113龚成术浅谈大断面黄土隧道三台阶七步开挖法J铁道建筑技术，2009(6)：7l 一74，Large section loess tunnel three step and seven step excavation methodChina Railway twenty-two Bureau of Harbin Railway Construction Group Limited company Lu Yongfe
26、iLoess tunnel engineering properties are very complex, rich in groundwater anomaly area of loess collapsibility, often accompanied by large deformation, high pressure and other characteristics, often caused by excavation of tunnel surrounding rock collapse, crack. According to Huang Hanhou railway s
27、ection Zhangzhuang tunnel, through the tunnel, surrounding rock structure change and construction technology research, analysis and summary of three step and seven step excavation technology to effectively control the settlement deformation, puts forward the construction technical methods and key points, realize rapid construction, to ensure the safety of tunnel 9structure plays an important role in.Key words tunnel, method, technology, management.
