铁路大断面隧道三台阶七步开挖法施工技术

1、铁路大断面隧道铁路大断面隧道三台阶七步开挖法施工技术三台阶七步开挖法施工技术 中铁十二局集团有限公司二OO八年三月 一、前言一、前言 随着国内铁路客运专线的日益增建，隧道开随着国内铁路客运专线的日益增建，隧道开挖断面也相应增大，大断面软岩隧道因其施工难挖断面也相应增大，大断面软岩隧道因其施工难度大、进度慢、安全风险突出等特点，日益成为度大、进度慢、安全风险突出等特点，日益成为国内外专家瞩目的焦点，如何科学、安全、快速国内外专家瞩目的焦点，如何科学、安全、快速施工成为目前亟待解决的问题，而施工方法的选施工成为目前亟待解决的问题，而施工方法的选择成为安全、快速施工的关键。经过长期的研究、择成为安全

2、、快速施工的关键。经过长期的研究、实践和总结，本文结合郑西客专张茅隧道施工经实践和总结，本文结合郑西客专张茅隧道施工经验，就验，就“三台阶七步开挖法三台阶七步开挖法”在大断面隧道中如在大断面隧道中如何做到快速、安全施工做一探讨。何做到快速、安全施工做一探讨。二、三台阶七步开挖法的定义、二、三台阶七步开挖法的定义、适用范围和技术特点适用范围和技术特点 铁路大断面隧道三台阶七步开挖法是以弧形导坑铁路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、下三个台阶七开挖留核心土为基本模式，分上、中、下三个台阶七个开挖面，各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开、平个开挖面，各部位的开挖与支

3、护沿隧道纵向错开、平行推进的隧道施工方法。行推进的隧道施工方法。11246-17超前支护衬砌仰拱栈桥1356-26-31 1、定义、定义3 3、技术特点、技术特点 施工空间施工空间大，方便机械化大，方便机械化施工，可以多作施工，可以多作业面平行作业。业面平行作业。部分软岩或土质部分软岩或土质地段可以采用挖地段可以采用挖掘机直接开挖，掘机直接开挖，工效较高。工效较高。2 2、适用范围、适用范围 适用于开挖断面为适用于开挖断面为100100180m180m2 2，具备一定自，具备一定自稳条件的稳条件的、级围岩地段隧道的施工。级围岩地段隧道的施工。 在地质条件发生变化时，便于灵活、及在地质条件发生变

4、化时，便于灵活、及时地转换施工工序，调整施工方法。时地转换施工工序，调整施工方法。 适应不同跨度和多种断面形式，初期支适应不同跨度和多种断面形式，初期支护工序操作便捷。护工序操作便捷。 在台阶法开挖的基础上，预留核心土，在台阶法开挖的基础上，预留核心土，左右错开开挖，利于开挖工作面稳定。左右错开开挖，利于开挖工作面稳定。 当围岩变形较大或突变时当围岩变形较大或突变时, , 在保证安全和在保证安全和满足净空要求的前提下，可尽快调整闭合时间。满足净空要求的前提下，可尽快调整闭合时间。三、实例分析三、实例分析n 张茅隧道概况张茅隧道概况 张茅隧道位于张茅隧道位于河南省陕县境内，河南省陕县境内，全长全

5、长8483m8483m，起讫，起讫里程里程DK218+607DK218+607DK227+090DK227+090，为郑，为郑西全线最长的隧道西全线最长的隧道, ,是全线控制性工程。是全线控制性工程。隧道最大开挖断面隧道最大开挖断面面积面积163.87m163.87m2 2。出口段黄土、粗出口段黄土、粗圆砾土；圆砾土；进口基岩为安山岩进口基岩为安山岩夹砂泥页岩和灰岩夹砂泥页岩和灰岩DK223+370DK223+370附近发育附近发育一断层，破碎带宽度一断层，破碎带宽度50m50m。n 张茅隧道的工程地质特征张茅隧道的工程地质特征 张茅隧道属于低山丘陵及黄土台塬地貌。进口段为安山岩夹砂泥页岩和灰

6、岩,含有丰富的基岩裂隙水，构造节理发育；出口段为Q2黏质黄土和粗圆砾土,位于地下水位线以下,隧道最大涌水量18990m3/d，垂直节理发育。岩土物理指标表岩 性状态天然密度天然含水量天然孔隙比孔隙率饱和度液限塑限塑性指数液性指数干密度g/cm3%g/cm3黏质黄土硬塑2.02.30.6740.2953722150.161.68粗圆砾土中密2.1/断层角砾/2.2/安山岩夹砂泥页岩W42.1/安山岩夹砂泥页岩W32.3/安山岩夹砂泥页岩W22.70.5/2/灰 岩W22.6/岩土力学指标表岩 性状态基本承载力凝聚力内摩擦角桩周极限摩阻力fj压缩模量0.1-0.4压缩模量0.4-0.6摩擦系数临时

7、边坡率永久边坡率kPakPakPaMPaMPa黏质黄土硬塑2506021/14210.31:0.751:1粗圆砾土中密400/40/50/0.41:0.751:1断层角砾/400/40/0.41:0.751:1安山岩夹砂泥页岩W42502035/15/0.351:11:1.25安山岩夹砂泥页岩W3500/50/60/0.51:0.751:1安山岩夹砂泥页岩W2800/65/0.61:0.31:0.5灰 岩W21000/65/0.61:0.31:0.5进口段安山岩出口段Q2黏质黄土张茅隧道开挖断面面积表围岩类型围岩级别单位断面面积黄 土级m2157.22 级m2163.87 岩 石级m2128.

8、04 级m2144.05 级m2151.25 级m2154.75 n “三台阶七步开挖法三台阶七步开挖法”施工工艺流施工工艺流程程上部弧形导坑开挖，施作初期支护开挖上、中、下台阶预留核心土左右错位开挖中台阶，施作初期支护左右错位开挖下台阶，施作初期支护超前支护测量放样施作仰拱施作仰拱填充 围岩稳定性评判、 修正支护参数分段开挖隧底，施做初期支护断面检查否满足111234576-16-26-33m5m23m 23m23m 23m4m6m166623457核心土7542116-234m6m3040m23m23m23m23m3m5m仰拱填充仰拱初期支护6-36-11525m栈桥h1h2h3H注： 1

9、、上台阶开挖高度不小于上台阶开挖跨度的0.3倍， 一般为3.04.0m。 2、中、下台阶开挖高度为隧道总开挖高度(不含仰拱) 减去上台阶开挖高度后平均分配，一般为3.03.5m。 3、上台阶核心土长度(隧道纵向)3.05.0m,高度1.5 2.5m,宽度为上台阶开挖跨度的1/31/2。n “三台阶七步开挖法三台阶七步开挖法”开挖步骤图开挖步骤图n “三台阶七步开挖法三台阶七步开挖法”施工工序图施工工序图施 工 工 序 纵 断 面 示 意 图施 工 工 序 正 面 示 意 图3 5m1.0m超 前 支 护472176-11超 前 支 护初 期 支 护16-26-3241352 3m2 3m2 3

10、m2 3m4-6m15-25m35栈 桥n “三台阶七步开挖法三台阶七步开挖法”施工照片施工照片岩石段施工黄土段施工第第1 1步，开挖上部弧形导坑：在步，开挖上部弧形导坑：在拱部超前支护后进行，环向开挖拱部超前支护后进行，环向开挖上部弧形导坑，预留核心土，核上部弧形导坑，预留核心土，核心土长度宜为心土长度宜为3 35m5m，宽度宜为，宽度宜为隧道开挖宽度的隧道开挖宽度的1/31/31/21/2。开挖。开挖循环进尺应根据初期支护钢架间循环进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过距确定，最大不得超过1.5m1.5m，开，开挖后立即初喷挖后立即初喷3 35cm5cm混凝土封闭。混凝土封闭。 上台

11、阶开挖矢跨比应大于上台阶开挖矢跨比应大于0.30.3，开挖后应及时进行喷、锚、网系开挖后应及时进行喷、锚、网系统支护。统支护。（图）（图）施工步骤施工步骤 第第2 2、3 3步，开挖左、右侧中步，开挖左、右侧中台阶：开挖高度一般为台阶：开挖高度一般为3 33.5m3.5m，左、右侧台阶错开，左、右侧台阶错开2 23m3m，开挖后立即初喷，开挖后立即初喷3 35cm5cm混凝土封闭，及时进行喷、混凝土封闭，及时进行喷、锚、网系统支护。锚、网系统支护。（图）（图） 第第4 4、5 5步，开挖左、右侧下步，开挖左、右侧下台阶：开挖高度一般为台阶：开挖高度一般为3 33.5m3.5m，左、右侧台阶错开

12、，左、右侧台阶错开2 23m3m，开挖后立即初喷，开挖后立即初喷3 35cm5cm混凝土封闭，及时进行喷、混凝土封闭，及时进行喷、锚、网系统支护。锚、网系统支护。（图）（图） 第第6 6步，开挖核心土：分别开挖上、中、下台阶预留核心土，步，开挖核心土：分别开挖上、中、下台阶预留核心土，开挖进尺与各台阶循环进尺相一致。开挖进尺与各台阶循环进尺相一致。（图）（图）n第第7 7步，隧底开挖：每步，隧底开挖：每循环开挖长度宜为循环开挖长度宜为2 23m3m，开挖后及时施作，开挖后及时施作仰拱初期支护，完成仰拱初期支护，完成两个隧底开挖、支护两个隧底开挖、支护循环后，及时施作仰循环后，及时施作仰拱，仰拱

13、分段长度宜拱，仰拱分段长度宜为为4 46m6m。（图）（图）n监控量测监控量测 监控量测必测项目表序号监测项目测量方法和仪表测量精度备 注1洞内、外观察现场观察，地质罗盘仪2初期支护拱（墙）脚净空变化采用非接触无尺量测法，全站仪0.1mm3初期支护拱顶下沉采用非接触无尺量测法，全站仪0.1mm4地表沉降水准测量的方法，水准仪1mm浅埋隧道（H02b）、洞口段、下穿高速公路（建筑物）段必测注：H0隧道埋深；b隧道最大开挖宽度。A隧道中心线BBCCDD拱 顶 观 测 点量 测 基 线净空变化测点布置图量测频率表位移速度距开挖面距离位移速度（mm/d）量测频率量测断面距开挖面距离（m）量测频率52次

14、/d（01）B2次/d151次/d（12）B1次/d0.511次/23d（25）B1次/23d0.20.51次/3d5B1次/7d0.21次/7d注：1、B隧道开挖跨度。 2、当按照“位移速度”和“量测断面距开挖面距离”选择量测频率出现较大差异时，宜取量测频率较高的实施。下台阶开挖仰拱开挖线曲常正U ( m m )t ( d )a图中台阶开挖下台阶开挖仰拱开挖线曲常反U ( m m )t ( d )b图中台阶开挖施作初期支护施作初期支护仰拱闭合注 ： ua为 拱 顶 最 大 允 许 位 移 值绘制位移时间变化曲线图 若U-t曲线如图（a）所示趋于平缓，通过数据处理或回归分析，可推算最终位移值，

15、掌握位移变化规律。 若U-t曲线如图（b）所示，变形有加快发展趋势，表明围岩和支护处于不稳定状态，应停止前方开挖，加强支护。或通过工程类比确定。位移控制基准表类 别距开挖面1B（U1B）距开挖面2B（U2B）距开挖面较远允许值65%U090%U0100%U0位移管理等级表管理等级距开挖面1B距开挖面2BUU1B/3UU2B/3U1B/3U2U1B/3U2B/3U2U2B/3U2U1B/3U2U2B/3变形管理表管理等级工程对策正常施工采取工程对策。包括加强超前支护等，缩短台阶开挖长度，调整初期支护强度、刚度等，同时加强监控量测停止开挖。加强初期支护，加强监控量测注：B隧道开挖宽度；U0极限相对

16、位移值，可根据隧道的开挖宽度、埋深，按照不同的围岩等级，参照铁路隧道监控量测技术规程注：U实测位移值；位移控制及管理单口劳力组织表单口劳力组织表序号序号作业项目作业项目作业内容作业内容人数人数序号序号作业项目作业项目作业内容作业内容人数人数1 1开挖开挖 (24(24人人) )风镐手风镐手风枪手风枪手挖掘机司机挖掘机司机自卸车司机自卸车司机4 412122 26 63 3技术及测试技术及测试6 6人人) )技术员技术员试验员试验员测量班长测量班长测量工测量工1 11 11 13 32 2初期支护初期支护(35(35人人) )制作钢架制作钢架安装钢架安装钢架喷射手喷射手喷射机司机喷射机司机喷射机

17、上料喷射机上料搅拌机司机搅拌机司机搅拌机上料搅拌机上料8 810103 33 36 62 23 34 4仰仰 拱拱(10(10人人) )仰拱施工仰拱施工1010序号序号作业项目作业项目机具设备名称机具设备名称规格型号规格型号单位单位数量数量备备 注注1 1开开 挖挖电动压风机电动压风机双液注浆机双液注浆机风风 镐镐挖掘机挖掘机自卸车自卸车风动凿岩机风动凿岩机装载机装载机泥浆泵泥浆泵20m20m3 3/min/min4m4m3 3/h/hG10G10CAT320CCAT320C20T20TYT-28YT-28小松小松WA470WA470100m100m3 3/h/h台台台台台台台台辆辆台台辆辆台

18、台5 52 28 81 16 615152 22 2高压供风高压供风注注 浆浆开开 挖挖装装 碴碴出出 碴碴超前支护、初支、局部爆破超前支护、初支、局部爆破装碴装碴排水排水2 2初期支护初期支护电焊机电焊机搅拌站搅拌站湿喷机湿喷机BX-400BX-400JS500+PL800JS500+PL800TK961TK961台台台台台台5 52 23 33 3量测及测量量测及测量仪器仪器全站仪全站仪水准仪水准仪收敛仪收敛仪索佳索佳数显数显台台台台个个1 11 12 24 4通通 风风通风机通风机SDF-N012.5SDF-N012.5台台1 12 2110kw110kw单口作业机具设备表单口作业机具设

19、备表单口施工部分机具设备n施工要点施工要点 隧道进洞前应做好洞顶及洞口防排水系统。洞顶及洞口排水沟应铺砌，用砂浆抹面，防止地表水及施工用水下渗，影响结构安全。 三台阶七步开挖法施工应做好工序衔接。工序安排应紧凑，尽量减少围岩暴露时间，避免因长时间暴露引起围岩失稳。四、施工控制要点四、施工控制要点 仰拱距上台阶距离应控制在3040m。 二次衬砌距上台阶距离应控制在60m以内。 全断面初期支护闭合时间宜控制在15d左右；仰拱及时跟进闭合成环 在满足作业空间和台阶稳定的前提下，应尽量缩短台阶长度，核心土长度应控制在35m，宽度宜为隧道开挖宽度的1/31/2。 三台阶七步开挖法施工应严格控制开挖长度，根据围岩地质情况，合理确定循环进尺，每次开挖长度