隧道三台阶七步开挖法技术交底

编制单位:中交二公局贵广铁路工程指挥部第一经理部 工序名称 隧道三台阶七步开挖 （适应于隧道正洞Ⅴ级围岩的开挖施工） 日期 1 隧道三台阶七步开挖施工 1.1 工艺原理和特点 隧道开挖前，首先完成洞口截水沟、洞口土方及边仰坡防护施工。洞口土方采用挖掘机配合装载机自上而下分层施工，大型自卸汽车运输，并及时做好坡面防护，开挖一段（台阶）防护一段（台阶）。先施做护拱混凝土，然后施做暗洞超前大管棚，随后进入暗洞施工。 铁路大断面隧道三台阶七步开挖法(以下简称“三台阶七步开挖法”)是以弧形导坑预留核心土法为基本模式，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。 1.1.1三台阶七步开挖法具有下列技术特点： ⑴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。 ⑵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。 ⑶适应不同跨度和多种断面形式，初期支护工序操作便捷。 ⑷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。 ⑸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，可尽快调整闭合时间。 1.1.2三台阶七步开挖法施工应符合下列要求： ⑴以机械开挖为主，必要时辅以弱爆破，各分步平行开挖，平行施做初期支护，各分部初期支护衔接紧密，及时封闭成环； ⑵仰拱紧跟下台阶，及时闭合构成稳固的支护体系； ⑶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； ⑷完善洞内临时防排水系统，防止地下水浸泡拱墙脚基础。 1.2 开挖施工工艺 1.2.1 Ⅴ级围岩三台阶七步开挖方法示意图，见图1 图1 Ⅴ级围岩三台阶七步开挖施工方法示意图 2 1616 1 1 411-1 1 6 3 11-25 108 7 11-3 9 16 12 14图示说明： 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：开挖隧底并施作隧底初期支 护、仰拱及填充。 13 15 V级围岩三台阶七步开挖施工方法示意图 b．施工步骤及工艺 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，核心土长度为3～5m，宽度为隧道开挖宽度的1/3～1/2。开挖循环进尺应根据初期支护钢架间距确定，一般0.6m左右，最大不得超过1.5m，上台阶开挖矢跨比应大于0.3，开挖后立即初喷4cm混凝土。 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45°和60°两边对称打设四根锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。见图1工序1、2。 第2、3步：左、右侧中台阶开挖：开挖进尺根据初期支护钢架间距确定，一般0.6m左右，最大不得超过1.5m，开挖高度一般为3～3.5m，左、右侧台阶错开2～3m，开挖后立即初喷4cm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45°和60°两边对称打设四根锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。见图1工序3、4、5、6； 第4、5步：左、右侧下台阶开挖：开挖进尺根据初期支护钢架间距确定，一般0.6m左右，开挖高度一般为3～4m，左、右侧台阶错开2～3m，开挖后立即初喷4cm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45°和60°两边对称打设四根锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。见图1工序7、8、9、10； 第6步：开挖上、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。见图1工序11-1、11-2、11-3。 第7步：开挖隧底：每循环开挖长度宜为2～3m，开挖后及时施作仰拱初期支护，完成隧底开挖、初期支护循环后，及时施作仰拱及仰拱回填，仰拱分段长度一般为4～6m。为了不影响车辆进出，采用栈桥过渡方案。见图1工序12、13、14； 1.2.2 Ⅴ级围岩三台阶开挖断面如图2所示。 Ⅴ级围岩I型加强复合式衬砌三台阶法开挖断面示意图下台阶开挖上台阶开挖～～中台阶开挖～图2 Ⅴ级围岩三台阶开挖断面示意图 Ⅴ级围岩三台阶开挖施工工序示意图如图3所示 图

图3 Ⅴ级围岩三台阶七步开挖法施工工序示意图 Ⅰ-超前支护；1-上部弧形导坑开挖；Ⅱ-上部初期支护； 2、3-中部两侧开挖；Ⅲ、Ⅳ-中部两侧初期支护；4、5-下部两侧开挖；Ⅴ、Ⅵ-下部两侧初期支护；6-1、6-2、6-3-上、中、下部核心土开挖；7-仰拱开挖；Ⅶ-仰拱初期支护；Ⅷ-仰拱及填充混凝土； Ⅸ-拱墙二次衬砌 1.2.3三台阶七步开挖法施工流程见“图4”。 三台阶七步开挖法控制要点 Ⅰ、根据隧道的水文地质条件，严格按设计要求做好超前支护，控制好超前支护外插角，严格按注浆工艺加固地层，防止围岩松弛，保证隧道开挖在超前支护的保护下施工，确保隧道施工安全。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，以确保安全。 Ⅱ、弧形导坑应沿开挖轮廓线环向开挖，预留核心土，以人工开挖为主，机械开挖为辅，人工配合挖掘机从台阶上向下刨土。开挖后应及时支护；其他各分部平行开挖，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；临时仰拱紧跟下台阶，及时闭合构成稳固的支护体系。 Ⅲ、施工过程通过变形监控量测，掌握围岩和支护的变形情况，及时指导调整支护参数和预留变形量，保证施工安全； Ⅳ、三台阶大拱脚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。 Ⅴ、仰拱超前施作，仰拱距上台阶开挖工作面宜控制在40m左右。铺设防水板、二次衬砌等后续工作应及时进行。 Ⅵ、二次衬砌距仰拱保持2倍以上衬砌循环作业长度，但不得大于40m。 Ⅶ、在满足作业空间和台阶稳定的前提下，尽量缩短台阶长度，核心土长度应控制在3～5m，宽度为隧道开挖宽度的1/3～1/2。 Ⅷ、三台阶大拱脚七步开挖法施工应严格控制开挖长度，根据隧道围岩地质情况，合理确定循环进尺，每次开挖长度一般为0.6m；开挖后立即初喷3～5cm混凝土，以减少围岩暴露时间。 Ⅸ、隧道周边部位预留30cm人工开挖，其余部位采用机械开挖，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 2～3m。 Ⅹ、钢架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，并加垫槽钢，严禁拱（墙）脚悬空或采用虚土回填。钢架应与锁脚锚杆焊接牢固。 Ⅺ、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。 Ⅻ、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，在上台阶开挖工作面附近开挖横向水沟，将水引至隧道两侧排水沟排出洞外。反坡施工时，设置集水坑将水集中抽排。 ⅫⅠ、确保隧道施工的洞内通风，保证作业环境符合职业健康及安全标准。 图4 三台阶七步开挖法施工流程图 2 综合超前地质预测预报 本线隧道地质情况复杂，存在偏压、围岩质软、断层等不良地质，需结合施工地质工作予以查明。为此，要求针对本线大断面隧道的具体情况，开展综合超前地质预测预报，尤其存在破碎带时，必须提前做好超前地质预报工作，确保隧道安全通过。 施工中应该将几种预报手段综合运用，取长补短，相互补充和印证。综合监测结果，及时提出对不良地质的处理措施，以降低施工风险，确保工程质量和运营安全。 超前地质预报若发现前方地质情况与设计不符时要及时通知设计单位到现场核实，以便及时采取有效的设计变更方案。 ①常规地质法 常规地质法适用于为近期开挖、支护提供预报（设平导时视超前正洞的长度）。开挖面围岩级别、岩性、围岩风化变质情况、节理裂隙、产状、地下水等情况进行观察和测定后，绘制地质素描图，通过开挖后利用罗盘仪、地质锤、放大镜、皮尺等简单工具对开对洞内围岩地质特征变化分析来推测开挖面前方的地质情况，据以指导施工。 ②超前水平钻孔 采用超前水平钻机钻进过程中钻速和钻碴的变化对开挖面前方较短距离内的地质情况进行判断，为提高其预报的准确度，与地质素描配套使用。通过超前钻探取芯测定含水率为主要手段确定下一步施工方案。 3 爆破施工 我管段隧道的爆破作业，均采用光面爆破。爆破作业应根据工程地质条件、开挖断面、开挖方法、循环进尺和爆炸材料进行钻爆设计。钻爆设计应根据爆破效果不断优化爆破参数。 钻爆设计的内容包括炮眼（掏槽眼、辅助眼、周边眼）的布置、深度、斜率和数目，爆破器材、装药量和装药结构，起爆方法和爆破顺序，钻眼机具和钻眼要求等。钻爆设计土应包括炮眼布置图、周边眼装药结构图、钻爆参数表、主要经济指标和必要的说明。 爆破参数应通过试验确定。当无试验条件时，可参照表1、表2选用。 表1 光面爆破参数 岩石类别 极硬岩 硬岩 软质岩 周边眼间距 E（cm） 50～60 40～50 35～45 周边眼抵抗线 W（cm） 55～75 50～60 45～60 相对距离 E/W 0.8～0.85 0.8～0.85 0.75～0.8 装药集中度q （kg/m） 0.25～0.30 0.15～0.25 0.07～0.12 表2 预裂爆破参数 岩石类别 极硬岩 硬岩 周边眼间距 E（cm） 40～50 40～50 至内排崩落眼间距 （cm） 40 40 装药集中度q （kg/m） 0.3～0.4 0.2～0.25 软质岩 35～40 35 0.07～0.12 注：1.表中所列参数适用于炮眼深度1.0～4.0m,炮眼直径40～50mm,药卷直径20～25mm。 2 当断面较小或围岩软弱、破碎或对曲线、折线开挖成形要求较高时，周边眼间距E应取较小值。 3 周边眼抵抗线W值在一般情况下均应大于周边眼间距E值。软岩在取较小E值时，W值应适当增大。 4 E/W：软岩取小值，硬岩及断面小时取大值。 5 表列装药集中度q为2号岩石硝铵炸药，选用其它类型炸药时，应修正。 周边眼应沿隧道开挖轮廓线布置，保证开挖断面符合设计要求，硬岩开眼位置在轮廓线上，软岩可向内偏5～10cm。底板和仰拱底面采用预留光爆层爆破。辅助眼交错均匀布置在周边眼和掏槽眼之间，力求爆破出的石块块度适合装碴需要。周边炮眼与辅助炮眼的眼底应在同一垂直面上，掏槽炮眼加深10～20cm。当开挖面凹凸较大时，应按实际情况调整炮眼深度，使周边眼和辅助眼眼底在同一垂直面上，炸药可选用岩石硝铵炸药。 4 安全、质量控制措施 ⑴ 加强对技术及施工人员的培训，提高全体参建人员的安全、质量意识。 ⑵岩石隧道坚持“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则组织施工。 ⑶严格按照设计文件规定的开挖方法进行施工，否则应按照变更程序申请改变施工方案。 ⑷在隧道开挖前，对隧道地表中线附近范围进行勘察，对地表冲沟、深井、滑塌、陷穴、地表附着物等不良地质情况进行统计，并按里程桩号逐一登记、拍照，施工中应加强监控量测工作，严格按设计方案施工，确保隧道安全、顺利通过。 ⑸每循环进行测量放样，严格控制超欠挖。定期对测量控制点进行检查、复核，避免由于隧底下沉、上鼓、不均匀变形及人工或机械碰撞等原因对控制点的损害。 ⑹边墙、仰拱等的地基承载力必须满足设计要求。软弱地基处理方法和施工质量应符合设计要求。隧底开挖前应进行施工工艺设计。 ⑺开挖后应按设计要求的量测项目及频率进行围岩量测，及时反馈量测信息。 ⑻隧道开挖中，应在每次开挖后及时观察、描述围岩裂隙结构状况、岩体软硬程度、出水量大小，核对设计情况，判断围岩的稳定性。 ⑼土质隧道在开挖过程中，尽量减少挖掘机对隧道边沿的开挖，应采用人工风镐对隧道周边进行修整，减少对围岩的扰动，避免侧壁或拱顶掉块现象。拱脚、墙角应预留30cm人工开挖，严禁超挖。土质隧道拱墙脚严禁被水浸泡。开挖完毕后，应尽早对围岩进行支护封闭，减少围岩暴露的时间。 ⑽制定安全施工应急预案，日常做好应急物资储备。 ⑾洞口工程施工，宜避开雨季和严寒季节。 ⑿洞口施工前，应先检查边、仰坡以上山坡稳定情况，清除悬石，处理危石，施工期间实施不间断监测和防护。 地层含水量大时，上台阶掌子面附近宜开挖横向水沟，将水引至隧道中部纵向排水沟排出洞外，以免浸泡拱脚。必要时应配合井点降水等措施将地下水位降至隧道二次衬砌底部以下，确保施工顺利进行。 ⒀爆破作业时，所有人员应撤离至不受有害气体、振动及飞石伤害的安全地点。安全地点至爆破工作面的距离，在独头坑道内不应小于200m。 当相对开挖工作面相距40m时，两端施工应加强联系，统一指挥。当两开挖工作面相距10～15m时，应从一端开挖贯通。 设置放炮前的安全检查员，及时检查现场的安全情况，以确定是否可以起爆，爆破后经专职安全员检查，排除瞎炮等安全隐患后，其他人员方可进入施工现场。 5 其他注意事项 ⑴暗洞分部开挖时，在满足设计规范及安全质量要求的前提下，应尽量采用适合机械化作业的施工工艺，分部尺寸划分合理，各分部尽量平行作业，从而达到快速施工的目的。 ⑵弃碴时要由专人指挥、堆放整齐、边坡平整，弃碴场需设置挡墙。施工过程中杜绝随意倾倒弃碴和弃土。施工完毕后，对弃碴场及时平整，并做好绿化、防护，避免水土流失。 ⑶隧道在整个施工过程中，作业环境应符合下列职业健康及安全标准： A．空气中氧气含量，按体积计不得小于20%； B．粉尘永许浓度，每立方空气中含有10%以上的游离二氧化硅的粉尘不得大于2mg，每立方空气中含有10%以下的游离二氧化硅的矿物性粉尘不得大于4mg； C．有害气体最高允许浓度： a 一氧化碳的最高允许浓度为30mg/m3，在特殊情况下，施工人员必须进入工作面时，浓度可为100mg/m3，但工作时间不得大于30min； b 二氧化碳按体积计不得大于0.5%； c 氮氧化物（换算成NO2）为5mg/m3以下； C 隧道内气温不得高于28℃； D 隧道内噪声不得大于90Db。 ⑷施工独头掘进长度超过150m时，应采取机械通风，确保洞内每人供应3 m3/min的新鲜空气。 ⑷便道及施工现场要注意撒水防尘，减少对周围环境的破坏。 ⑸隧道施工作业地段必须保证足够的照明。不安全因素较大的地段应加大照度。在主要交通道路、洞内抽水机站应设置安全照明，漏电地段照明应采用防水灯头和灯罩。 交底人： 复核人： 接受人：