“三台阶七步开挖法”

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　　【内容提要】天恒山隧道为大断面浅埋土质隧道，标准断面的标准段采用“三台阶七步开挖法”开挖。详细介绍其施工工艺流程和施工工序控制要点，并对土质隧道的监控量测进行了说明。
　　【关键词】土质隧道，三台阶七步开挖法，施工技术
　　1.工程概况
　　天恒山隧道位于哈尔滨市道外区民主乡地界，是哈尔滨绕城公路东北段项目的重难点工程。隧道为双洞分离式设计,单向双车道，单洞上行线长1660m，下行线长1690m。建筑限界为净宽11.5m，净高5m。普通断面开挖量为129㎡，紧急停车带加宽断面开挖面积达163㎡，属大断面隧道。隧道最大埋深30m，标准断面跨度14.28m，高11.17m；加宽段跨度16.83m，高12.06m，按照目前常用的深浅埋分界方法，基本上可以将整条隧道定为浅埋型。
　　2.施工技术方案
　　2.1施工方案的确定
　　粘土具有地基承载力低、易变形塌方、遇水具有可塑性和压缩性较大等特点。因此，施工中必须严格执行“管超前、严注浆、短进尺、强支护、快封闭、勤量测”的施工原则，缩短台阶长度，初期支护尽快闭合成环，仰拱和衬砌及时跟进，及时形成稳定的支护体系。项目部经过考察学习、专家方案论证决定采用“三台阶七步开挖法”施工，取得了较满意的结果。
　　2.2施工工艺流程
　　在隧道施工过程中，结合喷射砼及时封闭开挖面，用超前导管支护、钢拱支撑、挂网、打锚杆等来加强土体强度及限制围岩应力重新分布，实施短开挖，快循环来减少对土体的扰动。预留核心土支挡开挖工作面，有利于及时施作拱部初期支护以加强开挖面的稳定性，在初期支护的保护下左右错位开挖中、下台阶，并及时施作初期支护，初支及时封闭成环，并及时施作仰拱及回填混凝土。
　　
　　2.2.1三台阶七步开挖施工工序图
　　图1三台阶七步开挖施工工序示意图
　　2.2.2施工方法
　　2.2.2.1超前支护
　　利用上一循环架立的钢架施作隧道超前支护。设计为超前小导管，钢管直径为ф50mm，长5.0m，间距40～80cm，外插角10～20°，首尾相接长度不少于1.0m。采用水泥注浆，水泥－水玻璃体积比1：1，采用325普通硅酸盐水泥，水灰比1：1，水玻璃浓度为25～30波美度，注浆压力0.5～5MPa。
　　2.2.2.2环形导坑开挖
　　开挖①部时采用人工配合挖掘机开挖，用挖掘机将①部的土体扒出核心土范围之外（核心土预留长度为3～4m），便于装碴，开挖时每次进尺一榀钢架间距，挖掘机开挖距轮廓线处预留30～50cm土体，人工采用风镐沿轮廓线进行开挖，避免挖掘机开挖对初支造成破坏和对土体产生大的扰动（扰动太大，易造成土体塌方，形成超挖）。开挖时，拱脚处至少留深30cm土用人工开挖，严禁拱脚超挖，拱脚采用扩大拱脚垫支枕木，防止因拱脚原状土被破坏或承载力不足而造成支护下沉。
　　2.2.2.3上台阶支护
　　在开挖后初喷4cm厚C25钢纤维混凝土对开挖面进行封闭，然后架设型钢拱架，相邻两榀工字钢之间纵向采用φ22连接钢筋在工字钢内外缘交错连接，环向间距80cm。布设钢筋网时随初喷混凝土表面起伏铺设，φ8钢筋网格间距为20cm×20cm，钢筋网片必须严格按设计要求先在洞外定型加工，且每片加工面积不宜小于1m2，然后在洞内安装，且相互之间的搭接长度不应小于30d（d为钢筋直径）。在钢架连接加固完成后及时进行锁脚锚管施工，每侧钢架拱脚以等间距各打4根锚管，锚管长度5.0m，钻进后进行注浆，通过钢筋与型钢拱架焊接，以便整体受力。按设计要求施作系统锚杆、注浆、上锚垫板，然后进行喷射混凝土施工，喷射混凝土时拱架与开挖轮廓之间的所有间隙用砼喷射充填密实，先喷拱架与轮廓之间空隙，再喷拱架，然后再喷拱架之间，直至喷到规定的厚度。
　　2.2.2.4②③部开挖支护
　　在上台阶初期支护稳定的条件下，开始交错开挖②③部。②③部开挖长度以能支立两榀为准。下部的型钢钢架应与上部钢架上下对正，并螺栓连接牢固。钢架支立完成后进行钢筋网、锁脚锚管、系统锚杆和喷射混凝土施工。
　　2.2.2.5④⑤部开挖支护
　　挖掘机交错开挖④⑤部，开挖长度为两榀拱架，施工要求及步骤同⑷，注意作好锁脚锚管施工（数量及长度同⑶）。
　　2.2.2.6核心土开挖
　　预留核心土根据施工需要适时开挖。
　　2.2.2.7仰拱开挖支护
　　开挖⑦步仰拱，施作初期支护及仰拱混凝土。仰拱开挖采用全幅施工，上面铺设仰拱栈桥，开挖长度控制在每次2榀拱架，仰拱开挖后，立即初喷4～6cm喷射混凝土封闭基底（如基底渗水严重，增加喷混凝土厚度），然后安装仰拱拱架并喷射混凝土达到设计厚度，使初期支护成环。
　　2.2.2.8中央排水沟施工
　　中央排水沟设计为深埋，在仰拱初支封闭前及时施作水沟。测量放样完成后利用挖掘机配合人工挖除水沟部分土体，在管座混凝土铺筑完成后安设水管，然后按顺序进行土工布、碎石施工。
　　2.2.2.9仰拱混凝土、保温层、仰拱回填施工
　　当仰拱初期支护连续有4～6m长时，开始在仰拱初期支护上面安装仰拱钢筋，施作仰拱、仰拱保温层和仰拱回填。
　　2.2.3施工控制要点
　　2.2.3.1由于围岩自稳能力差，开挖时采用人工风镐开挖为主，机械开挖为辅，在开挖时指挥手控制挖掘机开挖深度，保证掌子面平齐，防止出现悬空，为便于作业，开挖长度可增加20cm。
　　2.2.3.2开挖时减少挖掘机对隧道边沿的开挖，采用人工风镐对隧道周边进行修整，当风镐开挖有超挖掉块现象时采用镐头修整轮廓线。
　　2.2.3.3核心土长度控制在3.0m以上，核心土必须保证其长度和宽度，核心土宽度一般不得小于对应高度洞身宽度的50％，为发挥机械施工功效和便于安装拱部钢架，上台阶核心土高度为2.0m，核心土顶面距拱顶高度2m。
　　2.2.3.4下台阶在上台阶喷射混凝土达到设计强度70%以上且完成锁脚锚管时开挖。
　　2.2.3.5要求仰拱开挖作业全幅整体一次性进行，及时施作仰拱，使初期支护全环钢架及时封闭成环。
　　2.2.3.6在施工过程中，为做到各作业面的平行作业，避免窝工，设专人负责各工序的衔接和作业顺序的安排。
　　2.2.3.7所有工序施工过程中一定要严格控制施工用水，杜绝水浸泡洞身，同时当土质变化时，及时进行土工实验。
　　2.2.3.8仰拱初支封闭到掌子面间距离严格控制在1.5倍洞径之内，并尽量缩短。
　　2.2.3.9仰拱砼到掌子面间的距离严格控制在2倍洞径之内，并尽量缩短。
　　2.2.3.10同一断面上台阶开挖到仰拱初支封闭，施作时间严格控制在15天之内，如由于其他原因不能按时封闭时，要施作临时仰拱或支撑。
　　2.2.3.11同一断面上台阶开挖到仰拱砼浇筑，施作时间严格控制在18天之内，如由于其他原因不能按时封闭时，要施作临时仰拱或支撑。
　　2.2.3.12为减小临时支护段初期支护结构对地基的压力，提高地基的承载能力，对型钢拱架的底部设置40×40×20厘米的枕木垫块。
　　3.围岩监控量测
　　监控量测是在隧道施工过程中，使用专用仪器和工具对围岩和支护结构的变形、受力以及它们之间的关系进行观测，并对其稳定性、安全性进行评价，据此对施工方法、结构支护参数进行调整的信息化工作。
　　3.1工序流程图
　　
　　图2监控量测作业工序流程图
　　3.2操作要点
　　3.2.1根据隧道地质情况、施工方法、断面情况制定监控量测实施方案，制定监控量测控制基准值，成立监控量测工作小组，及时掌握使用先进仪器设备；
　　3.2.2隧道开挖时要及时对工作面地质变化和围岩稳定情况进行观察，察看喷射混凝土、锚管和钢架等的工作状态，发现异常时立即采取相应处理措施。同时要做好洞顶地面观察和沉降监测；
　　3.2.3测点应在开挖面施工后及时安设，并尽快取得初始读数，测点布置要牢固可靠、易于识别，并注意保护，拱顶下沉和地表下沉量测基点与洞内和洞外水准基点联测；
　　测点布置如下：待初期支护施工完毕，核心土开挖之后，进行全断面测点布置，水平收敛基线布置3条，起拱线上1m处布置1条，起拱线下1m处布置1条，路面以上1m处水平布置1条。拱顶下沉测点的布置在每个断面内布置3点。测点布置见测点布置图。
　　3.2.4周边收敛、拱顶下沉及地表下沉各项测点应尽量集中布设在一个横断面，以便测量结果的协调分析、综合运用，测点断面间距为5～10米，土层、结构变化部位适当加密；
　　3.2.5使用的测量仪器应满足量测精度要求并按操作规程及时检验校正以保证量测数据准确。使用收敛仪量测时，先把钢尺拉出（拉出长度稍长于量测基线）停放20min，使钢尺温度与环境气温基本一致（同一洞口内连续量测若干断面，且环境气温相差不大时，可连续量测）；
　　3.2.6在开挖支护施工过程中时，当下断面开挖靠近上断面量测点时，量测频率应适当增加。
　　3.2.7加强监控测量管理，及时反馈信息，提高应变能力。
　　4.结论
　　大断面浅埋土质隧道标准断面标准段采用三台阶七步开挖有以下优点：
　　4.1施工空间大，可以引入大型施工机械，多作业面平行作业，工效高，很大程度上加快了施工进度。土质隧道采用挖掘机直接开挖，减少对围岩的扰动，做到快速施工。
　　4.2在地质结构复杂多变的隧道施工中，便于灵活、及时地调整施工方法，进度稳定，工期保障性强。
　　4.3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，避免了因拆除临时支护造成初期支护突然卸载而危及隧道安全的不利因素；初期支护断面圆顺，无应力集中点，安全性强；同时节省投资。
　　4.4全断面一次施作防水层和灌注砼衬砌，确保了隧道防排水和砼衬砌施工质量，运营病害少。
　　4.5无需增加特殊设备，投入少，操作性强。
　　
　　【参考文献】
　　1.铁路隧道台阶七步开挖法施工作业指南
　　2.铁路隧道施工作业要点手册
　　3.天恒山隧道关键工序施工控制要点