1、三台阶七步预留核心土工法解析黄土隧道三台阶七步预留核心土开挖法工法2010-8山西中南部铁路通道公司筹备组1 总 则1.0.1 为保证黄土隧道施工安全和质量，规范开挖作业程序，加强过程控制，提高施工进度，制定本工法。1.0.2 黄土隧道三台阶七步流水开挖法根据围岩状况可分为三台阶预留核心土法、三台阶上导坑预留核心土法和三台阶不留核心土三种方法。本资料重点介绍三台阶七步预留核心土开挖法（以下简称“三台阶七步开挖法”），本工法是以弧形导坑开挖留核心土为基本模式，分上、中、下三个台阶七个开挖面，各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开，平行推进的隧道施工方法。1.0.3 三台阶七步开挖法适用于开挖断面为10
2、0180m2，具备一定自稳条件的、级围岩地段隧道的施工。、级围岩地质主要有黄土、强风化岩层等，不适用条件有围岩地质为流塑状态、洞口浅埋偏压段（但经过反压处理或施做超前大管棚后可采用）。1.0.4 三台阶七步开挖法具有下列技术特点1 施工空间大，方便机械化施工，可以多作业面平行作业。部分软岩或土质地段可以采用挖掘机直接开挖，工效较高。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 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。5 当围岩变形较大或突变时, 在保证安全和满足净空要求的前提下，可尽快
3、调整闭合时间。6 三台阶七步开挖法规避了侧壁导坑法、中隔壁法及交叉中隔壁法等需要拆除临时支护及受力转换造成不安全的因素，并能及时调整闭合时间，方便机械化施工，利于施工工序转换。1.0.5采用三台阶七步开挖法施工应尽量缩短台阶长度，确保初期支护尽快闭合成环，仰拱和拱墙衬砌及时跟进，尽早形成稳定的支护体系。1.0.6 采用三台阶七步开挖法进行黄土隧道施工除应符合本指南要求外，尚应符合国家现行的有关标准的规定。2 施工准备2.0.1 施工调查前应查阅设计文件和资料，制定调查提纲。施工调查内容应包括工程概况、施工条件、地形地质及其他与工程相关内容。调查结束后应编写施工调查报告。2.0.2 施工调查后应
4、结合三台阶七步开挖法的特点，按照建设项目的规模和工期要求，有针对性地编制实施性施工组织设计和施工作业指导书。2.0.3 采用三台阶七步开挖法施工的隧道，应进行施工技术交底，作业人员应进行岗前培训和安全教育，从事特殊工种的作业人员应持证上岗。2.0.4 施工机械配备应满足正常施工要求。实施中，可根据施工进度要求分期、分批组织上场。2.0.5 隧道施工机械配套应针对隧道大断面的特点，以实现机械化均衡生产为目标，配套的生产能力应为均衡施工能力的1.21.5倍。3 施工工艺3.1 施工工艺流程3.1.1 三台阶七步开挖法可分为以下主要步骤：1 上部弧形导坑环向开挖，施作拱部初期支护；2 中、下台阶左右
5、错开开挖，施作墙部初期支护；3 中心预留核心土开挖，隧底开挖，施作隧底初期支护。每部开挖后均应及时支护，隧底初期支护后应及时施作仰拱，尽早封闭成环。3.1.2 三台阶七步开挖法的施工工艺流程见图3.1.2。 图3.1.2 三台阶七步开挖法施工流程3.2 施工作业3.2.1 采用三台阶七步开挖法施工的黄土隧道，应将超前地质预报纳入施工工序，并根据工程水文地质变化情况，及时调整各部台阶长度或施工方法，采取相应的技术措施，及早封闭成环，保证施工安全。3.2.2 采用三台阶七步开挖法施工的黄土隧道，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
6、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。3.2.3 三台阶七步开挖法黄土隧道施工应符合下列要求：1 以机械开挖为主，人工辅助开挖；2 弧形导坑应沿开挖轮廓线环向开挖，预留核心土，开挖后及时支护；3 其他分步平行开挖，平行施作初期支护，各分部初期支护衔接紧密，及时封闭成环；4 仰拱紧跟下台阶，及时闭合构成稳固的支护体系；5 施工过程通过监控量测，掌握围岩和支护的变形情况，及时调整支护参数和预留变形量，保证施工安全；6 完善洞内临时防排水系统，防止地下水浸泡拱墙脚基础。3.2.4 三台阶七步开挖法施工步骤见图3.2.4-1，开挖透视图见3.2.4-2，施工工序见图3.2.4-3所示。
7、第1步，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，核心土长度宜为35m（当围岩较差时留5m，围岩较好时可留3m），宽度宜为隧道开挖宽度的1/31/2（可以有效的防止软弱围岩开挖面失稳，同时提供了作业平台）。开挖循环进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.5 m（开挖进尺要求不得大于1.5m，主要是考虑开挖进尺过大一是围岩暴露面积过大降低了围岩自身承载能力；二是进尺过大延长了开挖工作面封闭时间）；开挖后立即初喷35cm混凝土（增强围岩自稳能力，避免围岩长时间暴露产生掉块）。 上台阶开挖矢跨比应大于0.3（是指拱部开挖高度与开挖跨度比值应大于0.3。根据以往
8、隧道施工经验，当矢跨比大于0.3时，拱部开挖比较稳定），开挖后应及时进行喷、锚、网系统支护，架设钢架，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2、3步，左、右侧中台阶开挖：开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.5 m，开挖高度一般为33.5m，左、右侧台阶错开23m，开挖后立即初喷35混凝土，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在钢架墙脚以上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步，左、右侧下台阶开挖：开挖进尺应根据初期支护钢
9、架间距确定，最大不得超过1.5 m，开挖高度一般为33.5m，左、右侧台阶错开23m，开挖后立即初喷35混凝土，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在钢架墙脚以上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步，上、中、下台阶预留核心土：各台阶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步，隧底开挖：每循环开挖长度宜为23m，开挖后及时施作仰拱初期支护，完成两个隧底开挖、支护循环后，及时施作仰拱，仰拱分段长度宜为46m。 图3.2.4-1开挖步骤图7施工步骤：第1步：施作超前支护后，开挖拱部弧形导坑，预留核心土，施作
10、拱部初期支护；第2、3步：开挖左右侧中台阶并施作初期支护；第4、5步：开挖左右侧下台阶并施作初期支护；第6步：分别开挖上、中、下台阶核心土；第7步：开挖隧底并施作仰拱初期支护封闭成环。 图3.2.4-2开挖透视图 图3.2.4-3施工工序图3.2.5 为保护围岩的天然承载力，隧道支护应尽快施作。三台阶七步开挖法的初期支护由喷射混凝土、锚杆（管）、钢筋网和钢架等组成，各部分联合受力。初期支护应在开挖后立即施作，以保护围岩的自然承载力，其施工工艺流程见图3.2.5。 图3.2.5初期支护施工工艺流程1 初喷混凝土封闭岩面1） 初喷混凝土应在开挖后立即进行。2）清除岩面表面的空鼓和掉皮，埋设控制喷射
11、混凝土厚度的标志钉。3） 工作面滴水或淋水时，宜采用钻孔埋管做好引排水。大面积潮湿的岩面宜采用粘结性强的混凝土，通过添加外加剂、掺合剂改善混凝土性能，快速封闭渗水岩面。4） 喷射混凝土必须满足设计强度、厚度及其与岩面粘结力要求。5） 喷射作业应分段分片依次进行，喷射作业从拱脚或墙脚自下而上进行，坐也是应避免上部喷射回弹料虚掩拱（墙）脚；先找平凹洼部分，后喷射凸出部分，各部平顺连接。喷头应与受喷面垂直，喷嘴口至受喷面距离宜保持在1.02.0m，沿水平方向以螺旋形划圈移动。2 系统锚杆（管）、钢筋网施作应符合下列要求：1） 初喷混凝土后应及时施作锚杆，锚杆必须设置垫板。黄土隧道系统锚杆按设计要求选
12、用。2） 钢筋网可采用为8或6的HPB235钢制作，网格尺寸宜采用20cm20cm25cm25cm，搭接长度应为12个网格，网片间采用焊接方式连接。3） 钢筋网随受喷面起伏铺设，其间隙不应大于3cm，钢筋网应与锚杆、钢架连接牢固，且钢筋保护层厚度不应小于4cm。3 安装钢架应符合下列要求：1） 拱部单元安装工序：放样确定钢架基脚位置施作定位锚杆架设钢架布设纵向连接筋。2） 墙部单元安装工序：墙脚部位铺设槽钢垫板施作定位锚杆对应拱部单元架设墙部钢架单元布设纵向连接筋。 拱、墙部钢架单元宜采用栓接的方式连接。3） 加强钢架拱（墙）脚锁脚锚杆（管）施工，各台阶每单元钢架拱（墙）脚以上30cm高度处，
13、紧贴钢架两侧边沿按下倾角30打设4根或4根以上锁脚锚杆（管），并与钢架采用“L”型钢架牢固焊接，锁脚锚杆（管）与钢架牢固焊接，锁脚锚杆直径不应小于22mm，锁脚锚管直径不应小于42mm，长度为4m，以控制基脚变形。4） 施工注意事项及要求： 钢架拱（墙）脚应架设在稳固的基岩上或底部铺垫槽钢，以保证钢架基础稳固。安装前应清除基脚下的虚碴、虚土及杂物。 钢架安装允许偏差：钢架间距、横向位置和高程与设计位置的偏差不超过5cm，垂直度允许偏差为2。 钢架应与纵向连接筋、锁脚锚杆焊接牢固，以增强钢架的整体稳定性。 锁脚锚杆施工应作为施工质量控制的重点，锁脚锚杆尾部宜加工成“L”型。钢架连接板应采用栓接牢
14、固连接。 钢架和初喷混凝土间有较大间隙时，每隔2m应采用骑马或楔形垫块顶紧；钢架与围岩的间隙不应大于5cm。 4 喷射混凝土厚度应符合设计要求，二次复喷混凝土应分层喷射，每层厚宜为56cm。喷射混凝土表面应平顺，无空鼓、裂缝、松酥，平整度宜采用2m靠尺检查，允许偏差为侧壁5cm、拱部7cm。3.3 黄土隧道仰拱施工3.3.1 隧底开挖应采用全幅分段施工，上面铺设仰拱栈桥，每循环开挖长度宜控制在23m。当仰拱施工滞后下部台阶开挖面3040m时，应停止前方工作面开挖或短距离跳槽进行隧底开挖。3.3.2 隧底开挖后，应及时清除虚碴、杂物、泥浆、积水，立即初喷35cm厚混凝土封闭岩面，按照设计要求安装
15、仰拱钢架，复喷射混凝土至设计厚度，使初期支护及时闭合成环。3.3.3 仰拱应超前拱墙衬砌，每循环浇筑长度宜为46m，仰拱应采用浮放模板支架成型。仰拱混凝土应分段全幅浇筑，一次成型，不留纵向施工缝，仰拱施工缝和变形缝应设置止水带。仰拱表面应平顺，不积水。3.3.4 仰拱填充混凝土应在仰拱混凝土终凝后浇筑，浇筑前应清除仰拱表面的杂物和积水，连续浇筑，一次成型，不留纵向施工缝。填充混凝土强度达到5MPa后允许行人通行，达到设计强度的100后允许车辆通行。仰拱填充表面坡度应符合设计要求，应平顺、排水通畅、不积水。3.3.5 仰拱距开挖掌子面应控制在30m40m的距离，如围岩变形较大，长时间难以稳定，则
16、应进一步缩短仰拱到开挖面的距离，必要时仰拱跟至下台阶；二衬距仰拱应控制在2030m，距开挖掌子面最大不得超过70m。 黄土隧道施工中，量化仰拱、二衬距开挖掌子面的合理距离，对保证隧道施工安全尤为重要。3.4 监控量测3.4.1 监控量测工作必须紧跟开挖、支护作业进行布点和监测，量测数据可运用工程类比法及时分析反馈，必要时应根据分析结果调整支护参数，以保证施工安全。3.4.2 量测项目可分为必测项目和选测项目，必测项目见表3.4.2，选测项目可结合工程实际情况，按照铁路隧道监控量测技术规程的规定选取。表3.4.2 监控量测必测项目 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
17、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。3.4.3 净空变化量测测点布置和初读数的读取应符合下列规定。测点、测线布置详见图3.4.3。图3.4.3 净空变化测点布置1 上部弧形导坑开挖并施作拱部初期支护后，布设拱顶下沉测点A和第一条净空量测基线BB，在36h内取得初读数；2 中台阶开挖并施作上部边墙初期支护后，布设第二条净空量测基线CC，在36h内取得初读数；3 下台阶开挖
18、并施作下部边墙初期支护后，布设第三条净空量测基线DD，在36h内取得初读数； 4 其它量测项目应在开挖后12h内取得初读数，最迟不得超过24h，且在下一循环开挖前完成；5 拱（墙）脚净空变化、拱顶、地表观测点应布设在同一断面，便于分析、比较。3.4.4 各测点取得初读数据后，应按照位移速度和量测断面距开挖面距离选择量测频率（见表3.4.4）。当出现异常情况时，应加大量测频率。表3.4.4 量测频率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/d（01）B2次/d151次/d（12）B1次/d0.511次/23d（25）B1次/23d0.20.51次/
19、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。3.4.5 量测数据整理及位移-时间变化曲线绘制应符合下列规定。1 量侧数据整理时，应将原始数据按照大小顺序，用频率分布的形式显示出一组数据分布情况，进行数据的数字特征计算以及离散数据的取舍。2 绘制位移-时间变化曲线，通过回归分析预测最终位移值和各阶段的位移速率。具体方法见下（如拱顶下沉）： 1) 将量测数据输入计算机系统，绘制位移-时间变化曲线(U-t曲线)，见图3.4.5；2) 若U-t曲线如图（a）所示趋于平缓，通过数据处理或回
20、归分析，可推算最终位移值，掌握位移变化规律；3） 若U-t曲线出现类似图（b）所示情况，变形有加快发展趋势，表明围岩和支护处于不稳定状态，应停止前方开挖面掘进，加强支护；图3.4.5 位移时间变化曲线示意图3 一般情况下，采用三台阶七步开挖法施工时，围岩与支护变形有以下规律：开挖中台阶时，A点和BB基线位移会发生突变，中台阶墙部初期支护施作完成后，变形趋于平缓；开挖下台阶时, A点和CC基线位移会发生突变，下台阶墙部初期支护施作完成后，变形趋于平缓；开挖隧底时，A点和DD基线位移会发生突变，仰拱初期支护施作完成，支护全环闭合后，变形趋于平缓。3.4.6 位移控制基准应根据测点距开挖面的距离，由
21、初期支护极限相对位移按表3.4.6要求确定表3.4.6 位移控制基准类 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注：B隧道开挖宽度；U0极限相对位移值，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或通过工程类比确定。3.4.7 根据位移控制基准，可按表3.4.7分为三个管理等级。表4.5.4 位移管理等级管理等级距开挖面1B距开挖面2BUU1B/3UU2B/3U1B/3U2U1B/3U2B/3U2U2B/3U2U1B/3U2U2B/3注：U实测位移值； 3.4.8 隧道位移管理应符合表3.4.8的规定。表3
22、.4.8 变形管理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4 黄土隧道三台阶七步开挖法施工控制要点4.0.1 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。4.0.2 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。1 初期支护应及时封闭成环，全断面初期支护闭合时间宜控制在15d左右；2 仰拱应超前施作，仰拱距上台阶开挖工作面宜控制在3040m。铺设防水板、二
23、次衬砌等后续工作应及时进行。3 二次衬砌距仰拱宜保持2倍以上衬砌循环作业长度，但不得大于50m。4.0.3 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。 4.0.4 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，每次开挖长度不得超过1.5m；开挖后立即初喷35cm混凝土，以减少围岩暴露时间。4.0.5 严格按设计要求施作超前支护，控制好超前支护外插角，严格按注浆工艺加固地层，保证隧道开挖在超前支护的保护下施工。4.0.6 隧道周边部位应预留30cm人工开挖，其余部位宜采用机械开挖，局部需要爆破
24、时，必须采用弱爆破，不得超挖。施工时应严格控制装药量，减少对围岩的扰动。4.0.7 中、下台阶左、右侧开挖应错开，严禁对开，左右侧错开距离宜为 23m。4.0.8 锁脚锚杆（管）对三台阶七步开挖法施工安全至关重要，可防止钢架拱脚向洞内位移和下沉。钢架应严格按设计及规范要求加工制作和架设。钢架应架设在坚实基面上，严禁拱（墙）脚悬空或采用虚碴回填。钢架应与锁脚锚杆（管）焊接牢固。4.0.9 隧道超挖部位必须回填密实，严禁初期支护背后存在空洞。必要时初期支护背后应进行充填注浆，保证初期支护与围岩密贴。4.0.10 施工过程中可采用增加拱（墙）脚锁脚锚杆（管）、增设钢架拱（墙）脚部位纵向连接筋、扩大拱
25、（墙）脚初期支护基础及增设拱（墙）脚槽钢垫板等增强拱（墙）脚承载力等措施控制变形。4.0.11 应加强监控量测工作，根据量测结果，及时调整支护参数，确定二次衬砌施作时间，进行信息化施工管理。4.0.12 应完善洞内临时防排水系统，严禁积水浸泡拱（墙）脚及在施工现场漫流，防止基底承载力降低。当地层含水量大时，上台阶开挖工作面附近宜开挖横向水沟，将水引至隧道中部或两侧排水沟排出洞外。必要时应配合井点降水等措施，降低地下水位至隧道仰拱以下，确保施工顺利进行。反坡施工时，应设置集水坑将水集中抽排。4.0.13 隧道施工应加强洞内通风，作业环境应符合职业健康及安全标准。5 施工组织管理5.0.1 劳动组
26、织黄土隧道施工技术复杂，且受地质条件变化的影响大，施工中除采用先进的施工技术和配套的机械化设备外，还应加强施工组织与管理，实现正常循环，才能确保施工生产安全、快速进行。施工人员必须经培训合格后方可上岗，特殊工种应持证上岗，黄土隧道三台阶七步开挖法单作业面施工一般需要95人左右，并保持相对稳定，人员分配和调整应按不同工种配齐、配足。黄土隧道三台阶七步开挖法单作业面施工作业人员配备见表5.0.1，可根据施工现场情况及时调整。表5.0.1 黄土隧道三台阶七步开挖法单作业面单循环施工作业人员配备表序号作业项目作业内容人数1开挖（27人）工班长1上导坑风镐手4普 工5中导坑风镐手2普 工4下导坑风镐手2
27、普 工4挖掘机司机1装载机司机1出渣车司机32初期支护（37人）工班长1风枪工4钢筋工（钢架、锚杆、网片安装）17喷射手3普工（喷射砼上料）123仰 拱（27人）工班长1钢筋工11焊 工3排水工（防水板、止水带及盲管安装）6混凝土工64二 衬（33人）工班长1钢筋工11焊 工3排水工（防水板、止水带及盲管安装）6混凝土工125风水电保障班（9）空压机司机1电 工1其他保障人员76架子队现场管理人员（11人）架子队队长1技术负责人1技术员1试验员1质检员1材料员1安全员1测量员4备注：开挖班与初期支护班、仰拱与二衬班部分作业人员交叉作业。合计955.0.2 施工机具应根据隧道实施性施工组织设计要
28、求，配备污染低、能耗小、效率高的机具。5.0.3 单作业面施工机具配备参见表5.0.3，可根据施工现场情况及时调整。表5.0.3 单作业面施工机具配备序号作业项目机具设备名称规格型号单位数量备注1开挖电动压风机20m3/min台4高压供风双液注浆机4m3/h台2注浆风镐G10台8开挖修边风动凿岩机YT-28台15系统锚杆、超前支护、局部爆破钻眼挖掘机CAT320C台1开挖、装碴自卸车15t辆6出碴装载机小松WA470辆2装碴抽水机SQ100-60台4备用排水2初期支护钢筋切断机QJ401台1加工钢筋钢筋折弯机40台1加工钢筋电焊机BX300台5加工钢架、格栅及其他钢构件电焊机BX400台2加工
29、钢构件台式钻床SP-25A台1加工钢构件搅拌机JS500台2拌合混凝土湿喷机TK961台4喷射混凝土3量测仪器全站仪索佳SET2130R台1水准仪PENTAXAP-128台1铟钢尺个24通风通风机SDF-No12.5台12110kw 6 超前地质预报 根据黄土隧道地质较均匀的实际情况，施工采用超前小导管打设时探明前方35m范围的地质情况，用地质素描进行开挖前方0.51.0m的超前地质预报，两种相结合即可指导黄土隧道施工。 7 应急预案施工前进行危险目标的确定及危险性评估，编制应急预案，成立应急抢险组织机构，备足应急物资，组织应急演练。当出现变形过大、坍塌等紧急情况时，立即启动应急响应机制，投入抢险。1、应急物资储备施工现场应备足以下应急物资：圆木、工字钢、木板、填塞短木；钢架、锚杆、钢筋网；应急灯、木工锯、大锤、撬棍等；消防器材；草袋等。2、应急设备发电机、空压机、电焊机、气焊设备、水泵、喷射混凝土设备、电话、担架；
