大断面黄土隧道三台阶七步开挖法施工技术

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1、大断面黄土隧道三台阶七步开挖法施工技术刘伟：中铁三局集团有限公司桥隧工程分公司，工程师，河北邯郸，056003摘　要：针对西（安）平（凉）铁路中咀１号隧道地质结构，分析对比中隔壁法、交叉中隔壁法、双侧壁导坑法和三台阶七步开挖法的主要技术特点，确定施工方案和采用三台阶七步开挖法进行施工。介绍三台阶七步开挖法施工工艺及原理，论述上台阶开挖支护、中台阶左侧和下台阶右侧边墙开挖支护、仰拱开挖支护和施工注意事项。分析施工重点，提出监控量测、超前支护、及时封闭仰拱、及时封闭二次衬砌永久支护、加设锁脚锚杆、预防塌方等安全保证措施，以及质量保证措施。关键词：大断面黄土隧道；三台阶七步开挖法；施工工

2、艺；西平铁路　　西（安）平（凉）铁路正线全长263.1km，为国家Ⅰ级电气化单线铁路，设计时速120km，货运量为3000万t/年，单向客运量为160万人/年。西平铁路连接陇海、宝中两条重要的铁路干线，建成后可兼顾部分省际及地方客货运输，建设工期4年。西平铁路第一标段的中咀１号隧道全长1158m，呈南高北低走势，周边冲沟发育，切割深度50～200m，小型冲沟较多，大型冲沟进出口各有一个。冲沟两侧坡面较陡，沟内小型浅层高度滑坡、错落发育，多有溜坍、坍塌。隧道地处黄土残塬区，地质结构复杂，地表主要为第四系上更新统及中更新统黏质黄土，具Ⅳ级自重湿陷性，湿陷土层厚度约20~40m。隧道进出

3、口段埋深小于20m的地段均位于湿陷性土层范围内，对工程影响较大。隧道洞身为黏质黄土，棕黄、棕红色，具大孔隙结构，粉土质，夹数层古土壤层，具垂直柱状节理，具有自重湿陷性。1施工方案与方法确定黄土隧道工程地质条件较差，施工断面大，确立施工方案必须遵循以下原则：重地质、管超前、短开挖、强支护、快封闭、早成环，主要开挖方法有中隔壁法（CD法）、交叉中隔壁法（CRD法）、双侧壁导坑法、三台阶七步开挖法等。CD法、CRD法或双侧壁导坑法的各部开挖及支护自上而下，步步成环，及时封闭，各分部封闭成环时间短，但分布较多，施工速度慢，不利于机械化作业，后面的开挖和拆除支护将对前面施工形成的力学平衡体系

4、产生影响，围岩应力状态多次改变，可能出现较大的变形量。其施工面多，作业干扰大，拆除临时支撑时安全性差。三台阶七步开挖法在隧道开挖过程中分上、中、下台阶和仰拱4部分，前后左右7个不同的开挖面相互错开并同时开挖，同时支护，形成支护整体，缩短作业循环时间，逐步向纵深挖掘。其实质为台阶法的一种，拱部采用环形开挖预留核心土，利用核心土施压掌子面，中部和下部也是先开挖两侧，保持中部土体不动，保证掌子面稳定。三台阶七步开挖法主要技术特点如下。（1）施工空间大,大型施工机械可多个作业面平行施工，工效高。部分软岩地段可采用挖掘机直接开挖下半部断面，减少对围岩扰动。（2）在地质结构复杂多变、软硬围岩相

5、间的隧道施工中，施工方法调整灵活，进度稳定，工期保障性强。（3）适应不同跨度和多种断面形式，不需拆除临时施工支护，节省投资。（4）混凝土仰拱超前施作，便于初期支护及时闭合不承载，改变洞内作业、运输环境。（5）全断面一次施作防水层和灌筑混凝土衬砌，确保混凝土衬砌施工质量。（6）无需增加特殊设备，投入少，操作性强，易推广。通过对施工方法的分析比选，确定中咀１号隧道采用三台阶七步开挖法开挖。2　施工原理及工艺三台阶七步开挖法为平行流水作业，采用分步平行开挖和施作拱墙初期支护，仰拱超前施作及时闭合，构成稳固的初期支护体系，保护围岩的天然承载力，有效抑制围岩变形，并通过量测监控系统信息反馈，

6、指导施工和及时调整支护参数与混凝土衬砌时间。在断层带、破碎带等自稳性较差地层和富水地层中，采用小导管预注浆固结、止水等辅助施工措施，采用上部弧形导坑法短开挖施作拱部初期支护后，再左右错位开挖及进行边墙初期支护，下台阶立即进行仰拱施作，尽早闭合成环构成支护体系。三台阶七步开挖法施工工艺以机械为主，人工辅助修边。上台阶每循环开挖进尺为l榀钢架距离（0.8m），高度约3.9m，台阶长度控制在3～5m，核心土距拱顶1.5～2.0m，其两侧距开挖面约2m；中台阶开挖高度约4.5m，台阶长度控制在3～4m；下台阶开挖高度约2m。上台阶钢拱架由3个单元组成，避免连接部位在拱顶，各单元钢架之间采用

7、16mm厚的钢板通过4套M20高强螺栓连接。三台阶七步开挖法工艺流程见图１。仰拱喷混凝土开挖仰拱立设钢架仰拱钢筋拱墙防水超前小导管开挖弧形拱部立设拱部钢架锚杆、网片安装开挖左右侧中部台阶立设钢架锚杆、网片安装拱部喷混凝土中部台阶喷混凝土开挖左右侧下部台阶立设钢架锚杆、网片安装下部台阶喷混凝土拱墙钢筋拱墙衬砌图1三台阶七步开挖法工艺流程2.1　施工步骤2.1.1上台阶开挖支护（1）在隧道拱部130°范围打设φ42mm超前小导管。相关施工参数：壁厚3.5mm，L=3.5m