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大断面黄土隧道三台阶七步法施工工艺大断面黄土隧道三台阶七步法施工工艺
摘要：结合西平铁路中咀一号隧道试验段施工。对大断面黄土隧道三台阶七步法开挖技术进行总结，重点阐述了三台阶七步法开挖法的适用条件、施工工艺及具体的施工要点和技术特点。并详细述说了三台阶七步法开挖法的安全保证措施。该方法较好的解决了黄土隧道施工中的诸多技术难题，且能充分利用开挖空间和大型施工机械，干扰少，速度快。
关键词：西平铁路大断面三台阶七步开挖法施工工艺
西安至平凉铁路始自西安市，向西北经礼泉、乾县、永寿、彬县、长武及甘肃宁县、甘肃泾川等县至平凉市，正线全长263.1公里，其中陕西省境内线路长161.3公里，投资约为50多亿元GB 21149-2007-T 烧结瓦，甘肃省境内线路长101.8公里，投资约为20余亿元。
西平铁路为国家Ⅰ级电气化单线铁路，设计时速120公里，运输能力为货运量3000万吨/年，单向客运量160万人/年。
西平铁路自陇海铁路茂陵站引出，至平凉市崆峒区与宝中铁路平凉南站接轨，连接陇海、宝中两条重要的铁路干线，设26座车站。建成后的西平铁路运量大且货源集中，兼顾部分省际交流及地方客货运输的铁路。建设工期4年。
位于第一标段的中咀一号隧道全长1162米，整体南高北低，周边冲沟发育，切割深度50～200m，小型冲沟较多，大型冲沟在进出口各有一个。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。可见地质条件发杂多变，施工难度大，安全形势严峻都对进度产生严重影响。对按时交工造成压力。
黄土隧道工程地质较差，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CD法、CRD法、双侧壁导坑法、三台阶七步法等。
CD法是在软弱围岩大跨度隧道中分布开挖、钢架支撑、仰拱先行施工方法的一种，采用自上而下分2～3步开挖隧道的一侧，完成初期支护和中隔壁。待喷射混凝土达到设计强度等级的70﹪后，进行另一侧的开挖及支护形成带有中隔壁支护的左右洞室；最后拆除支护，施作仰拱、仰拱填充及拱墙衬砌。
CRD法是在软弱围岩大跨度隧道中，采用自上而下分1～2步开挖隧道的第一侧上、中部，完成初期支护，施作中隔壁和横隔板；待喷射混凝土达到设计强度等级的70﹪后，进行第二侧的上中部开挖及支护，施作中隔壁和横隔板；最后依次开挖第一侧、第二侧的底部，完成初期支护和中隔壁、临时仰拱，形成带有中隔壁和1～2层水平支撑的网络状支护系统；最后拆除支护，施作仰拱、仰拱填充及拱墙衬砌。
双侧壁导坑法事先开挖隧道两侧的导坑，并进行初期支护，再分部开挖剩余部分的方法。
三台阶七步开挖时指在隧道开挖过程中分上中下和仰拱4部分，以前后左右7个不同的开挖面相互错开同时开挖，然后分布同时支护，最后形成支护整体，缩短作业循环时间，逐步向纵深推进的作业方法。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，中下部开挖也是先开挖两侧保持中部土体不动，其核心是保证掌子面稳定。
与三台阶七步开挖法相比，采用CD法、CRD法或双侧壁导坑法开挖，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。但是这3种开挖法分布较多，施工速度慢，不利于机械化作业；后步开挖和拆除支护会对前面已经形成的力学平衡体系产生影响，围岩应力状态多次改变，有可能引起较大的变形量；而且施工面多，作业干扰大；拆除临时支撑时，安全性差。
经过以上比选，中咀一号隧道采用三台阶七步开挖法开挖。
（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；部分软岩地段可以采用挖掘机直接开挖下半断面，减小了对围岩扰动。
（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，工期保障性强。
（3）、能适应不同跨度和多种断面形式，没有需拆除的临时施工支护，节省投资。
（5）、混凝土仰拱超前施作，便于初期支护及早闭合成不承载，且改变了洞内作业、运输环境。
（6）、全断面一次施作防水层和灌筑混凝土衬砌，确保了混凝土衬砌施工质量,运营病害少。
短台阶七步平行流水作业法是采用2～3层短台阶，分步平行开挖，分步平行施作拱墙初期支护，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，有效抑制围岩变位。经量测监控信息化反馈指导施工，及时调整支护参数和混凝土衬砌施工时间。
在断层带、破碎带等自稳性较差地层和富水地层中，则采用小导管预注浆固结、止水等辅助施工措施后，上部弧形导坑法短开挖施作拱部初期支护，再左右错位开挖及施做边墙初期支护；仰拱紧跟下台阶并及时施作尽早闭合成环构成支护体系受力。
三台阶七步开挖法以机械为主，人工辅助修边。见图1。
上台阶每循环开挖进尺为l榀钢架距离(0.8m)，开挖高度约3.9m，台阶长度控制在3～5m，核心土距拱顶1.5～2.0m，核心土两侧距开挖面约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δ16的钢板通过4套M20高强螺栓连接。
5.1．具体施工步骤如下：
（2）采用三台阶七步开挖法，利用挖掘机开挖上台阶，每循环开挖长度控制在0.8～1.0m，即1榀钢架的距离，开挖后人工修边，及时喷射4cm厚混凝土，封闭作业面。
（3）初喷后打设系统锚杆和挂设钢筋网片。系统锚杆采用Φ22药包锚杆，长度为2.5m，间距为lmx1m梅花形布置。钢筋网片采用由Φ8钢筋，网格间距为20cm×20cm。
（4）架设I20a型钢钢架，上台阶分3节安装，环向为钢板螺栓连接，纵向采用蝉2钢管连接，环向间距为1.0m，超前小导管尾端焊接在钢架上。
（5）钢架安装完毕后立即施做锁脚锚管，锁脚锚管采用Φ42钢管，长度为4.0m，每处设置2根。
（6）在钢架、锚杆和钢筋网施做完成后及时复喷C25混凝土至设计厚度，完成上台阶的施工，形成承载拱。
中台阶左侧和下台阶右侧边墙开挖支护
（1）待上台阶超前中台阶3—5m后，交错开挖中台阶左侧和下台阶右侧边墙，每次开挖控制在1～2榀，使左右两侧暴露的初期支护不同时处于悬空状态。由于中台阶开挖高度约4.5m，应分上下两次开挖，便于人工修边和对上台阶初期支护底部修凿。其间挖机开挖下台阶。待中台阶上部修边和对上台阶初期支护底部修凿结束后继续开挖中台阶下部。
（2）待中台阶下部修边结束后及时喷射4cm厚混凝土，封闭作业面。
（3）初喷后打设系统锚杆和挂设钢筋网片。系统锚杆采用Φ22砂浆锚杆，长度为3.5m，间距为lmxlm梅花形布置。钢筋网片同上台阶。
（4）及时安装拱架，复喷混凝土。中台阶长度控制在3～4m左右。
中台阶右侧和下台阶左侧边墙开挖支护。方法同上。
待下台阶开挖长度达到25m时进行仰拱开挖。仰拱分两次开挖，每次开挖长度为3m，紧跟施做仰拱初期支护，循环上步，及时浇筑6m长仰拱混凝土，随后搭设仰拱栈桥，继续前方掌子面开挖。
（1）、为保证钢架置于稳固的地基上，施工中应在钢架基脚部位预留足够的坚实地基，架立钢架时挖槽就位。
（2）、钢架平面应垂直于隧道中线，其倾斜度不大于2°钢架的任何部位偏离铅垂面不应大于5cm。
（3）、为增强钢架的整体稳定性，应将钢架与纵向连接筋、结构锚杆、定位系筋和锁脚锚杆焊接牢固。
（4）、钢架连接接头要连接牢固。拱脚部位易发生塑性剪切破坏、故该部
位接头除栓接外，还应四面帮焊，确保接头的刚度和强度。
（5）、当钢架和初喷层间存在较大间隙时要设骑马或楔形垫块顶紧围岩；钢架与围岩的间距不应大于5cm。
短台阶七步平行流水作业施工流程图
（1）、浅埋段和含水量较大地段设置超前小导管，根据开挖情况可减小环向设置间距直到消除拱部开挖掉块现象为止。深埋和地质情况较好地段开挖无掉块现象可不设。
（2）、开挖时严格控制超欠挖，机械开挖时预留30cm由人工开挖，减少对围岩的扰动，并保证岩面圆顺，及时初喷4cm混凝士以封闭暴露围岩，增强岩体的整体性，为初期支护的后续工作争取安全时间。
（3）、严格控制钢架的加工质量，减少安装拼接的时间，且易保证安装质量，其线形圆顺能避免应力集中，此外，确保钢架间连接牢固，必要时可加焊钢筋。
（4）、锁脚锚管是保证初期支护安全的重要措施，通过试验和量测表明，在拱脚和墙脚位置初期支护受到较大竖直压力和侧向压力，此处的锁脚锚管保证了工字钢在受到侧向力时不发生向洞内的位移变形，同时可以起到抑制拱架整体下沉的作用，从而保证初支结构在施工过程中受力稳定。根据实际变形情况，除认真施做锁脚锚管保证质量外，在每分节处可增设2根锚管，即由原设计的2根增为4根，同时保证锁脚锚管与钢架的焊接质量。
（5）、扩大拱墙脚是减少拱顶下沉量的有效措施，扩大拱墙脚增大承压面积，既有利于施工过程中竖向压力的传递，也有利于该节点横向受力的稳定。实际施工中上台阶拱脚宽度由设计的80em扩大为100cm，下台阶墙脚由设计的50cm扩大为80cm，另外增设中台阶扩大拱脚，宽度为80cm。
（6）、在拱墙脚下垫设槽钢或混凝土垫块，以增大地基承载力，减小初期支护闭合前的整体下沉量。
（7）、加密初期支护钢架的纵向连接钢管，提高钢架间的整体受力能力，一般可将设计的环向间距从1.0m调整为0.8m。
（8）、喷锚时应注意钢架背后与围岩应喷实密贴，若不密贴可采用同级混凝土垫块填塞密实或采用注浆，以保证初期支护钢架背后无空洞，以利于钢架和围岩形成联合支护体共同受力。
（9）、仰拱紧跟是确保初期支护安全的根本措施，仰拱及填充混凝土要及时浇筑，与掌子面间的距离不得大于规定的安全距离，一般距离控制在30m以内，尽早封闭成环，以利于形成完整的初期受力体系。及时跟进二衬的施工，以利于尽早形成完整的隧道受力结构，一般距离控制在距掌子面60m以内，特殊地段单独考虑。
（10）、适当预留开挖变形量，施工前期可采用15cm的预留量，根据工艺及措施的优化，通过监控量测及时进行调整。
（11）、合理控制步长，上台阶步长控制在3～5m，中台阶步长控制在3～4m，上台阶每次开挖1榀钢架的距离，中下台阶根据地质情况可一次开挖1～2榀钢架的间距，仰拱开挖每次控制在3～5m。
在隧道施工过程中,从第一组衬砌开始,一个断面内在拱顶和2个拱脚处埋设3个观测点,用收敛计和水平仪分别观测拱脚水平收敛值和拱顶下沉值。随着隧道施工的前进,每隔10m作一个观测断面,最前端的一个断面紧跟掌子面。前冗每天观测1次,以后1个月内3d观测1次。之后每月观测1次。
根据观测结果及时反馈至施工中去,将原有预留沉降量15cm变为17cm。有效地保证了二次衬砌的厚度。
（1）、为取得开挖后围岩早期状态变化数据,各项测点应尽量靠近开挖面布置(不大于2m)，在爆破后24h内或下次爆破前,读取初次读数。
（2）、周边收敛、拱顶下沉及地表下沉各项测点应尽量集中断面布设，以便量测成果的协调分析、综合运用。
（3）、量测时,应先把钢尺拉出(拉出长度销长于量测基线)停放20min，以使钢尺温度与环境气温相差不大时，可连续量测)。
（4）、采用台阶法开挖时,当下半断面开挖靠近上半量测断面,量测频率应适当增加。
为保证开挖工作面稳定，防止开挖时出现坍塌，中咀隧道在施工中针对不同土质地层，采取了两种超前预支护措施。
（1）、在粘质黄土地层中(东口隧道54m,平套隧道16m),拱墙设超前小导管预支护，小导管直径42mm。长4m,环向间距40cm,外插角5°～10°。进洞时首先将工作面修整平整,紧贴工作面支设一榀型钢钢架。用锁脚、定位锚杆将其固定，沿断面外轮廓作一环超前小导管，小导管尾端与钢架焊为一体，进洞后纵向间距2m一环小导管，工艺同上,每排小导管搭接长度1.95m。
（2）、在砂粘土地层中,拱墙设R32N自进式注浆锚杆进行超前支护,锚杆长410m,环向间距40cm,外插角5°～10°,搭接长度1.95m,每排锚杆尾端同样与钢架焊为一体。注浆采用双液注浆，注浆前应先在工作面喷C20混凝土约6～8cm作为止浆墙,双液浆配合比为:水泥
浆∶水∶缓凝剂=1∶1∶2∶0102;水玻璃波美度30Be′;缓凝剂掺量2%;浆液初凝时间2min;注浆终压110MPa,见图3。
据量测，在一次混凝土初期支护完成后，隧道拱顶下沉约12－16cm。为避免继续变形，应及时封闭仰拱混凝土。仰拱与马口之间的距离保持20cm为宜，不能偏大。仰拱采用半幅施工法，保证上下导坑作业的进行。当半幅施工30cm左右，再换至另外半幅。
7.4及时封闭二次衬砌永久支护
一次衬砌封顶时，受工作面的限制，可能造成封顶混凝土不密实。而两侧拱腰处向内挤的压力很大。如果不及时施作二次衬砌永久支护，容易在拱顶造成裂缝。针对以上情况我们在施工中每个洞口配备了1台边顶拱式混凝土衬砌钢模台车，二次衬砌施工与上下洞口同时作业。
在拱脚处每侧加设2根锁脚锚杆，锚杆为φ40钢管，长2m，垂直于拱脚外侧面打入土中1.5m。剩余0.5m与一次衬砌混凝土浇筑在一起。
在开挖过程中，应遵循短开挖、强支护的原则，随时观察土质情况，发现土质疏松、节理发育时，加设调整循环进尺，同时加密管棚钢管数量，及时跟进一次衬砌，缩短开挖与衬砌之间时间间隔。如发生塌方，必须用同强度等级的混凝土填塞密实。
（1）、严格控制管棚角度
（2）、严格喷射砼工艺，按配合比拌制砼料，特别要严格控制外加剂掺量。新旧砼面要清洗至露出砼的本色，没有泥土或杂物。分层喷射，以保证喷射砼的质量。
（3）、保证立拱质量。注意螺栓松紧程度和连接筋的焊接质量。
（4）、确保钢筋网与围岩紧密相贴，钢筋网必须连接牢固，否则喷射砼时会振动钢筋网，从而降低喷射砼质量。
QX／T 83-2019标准下载（5）、保证核心土的大小和长度
（6）、清除拱脚积水与淤泥，通过打拱脚锚杆或扩大拱脚认真加固拱脚，加强纵向联结等，使初期支护与围岩形成完整体系。
（8）、减少上、下台阶施工的相互干扰，并及时封闭成环。
（9）、找出每道工序的合理施工时间，各工序严格按标定时间进行控制，从而缩短循环作业时间，减少开挖面土体的暴露时间。
（10）、及时监控量测围岩，观察拱顶附属工程施工组织设计.docx，拱脚的收剑情况，据此调整初期支护参数。
经过研究大断面黄土隧道的工程特点，结合理论计算，在中咀一号隧道采用“三台阶七步开挖法”进行试验段施工，通过大量试验及量测数据的取得，及时总结反复论证，成功地解决了黄土隧道施工中诸多技术难题，在确保安全的情况下施工变得有序可控，实现了大断面黄土隧道快速掘进施工的目标，工期进度得到了保证。施工过程中，针对黄土隧道的具体特点，进一步采用了大量新的施工工艺和技术保证措施，使其成为解决黄土地质隧道的较好方法，对其他地质复杂的大断面软岩隧道施工也具有参考价值。