关于黄土地区隧道施工的工法大断面黄土隧道三台阶七步开挖法施工工艺工法1 前言1.1工艺工法概况1995年7月26日，开挖面积达265m2的德国最大的高速公路三车道隧道—恩格贝格山底公路隧道开始采用拱部、台阶和仰拱三层七部暗挖—复合衬砌技术。

1997年日本在修建神户鸣门线舞子隧道过程中，采用TBM、SlitDrill法与四(六)部中壁NATM机械开挖，三车道和停车带(四车道)开挖面积为148.33～186.51m2。

在国内，2005年至2008年间，弧形导坑三台阶七步开挖施工工艺在黄土隧道Ⅳ级围岩地段得以成功的运用。

隧道开挖宽度15.2m，开挖高度13.18m，开挖面积163.08㎡，弧形导坑三台阶七步开挖法是指在隧道开挖过程中，分三个台阶七个步骤，以前后七步相互错开同时开挖，然后分部同时支护，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，形成开挖及施作初期支护，混凝土仰拱紧跟下台阶及时施作构成稳固的初期支护体系。

1.2工艺原理大断面黄土隧道施工按照“新奥法”原理，遵循“早预报、管超前、非爆破、短开挖、少扰动、严治水、强支护、早封闭、勤量测、紧衬砌”的原则稳步前进。

开挖后立即进行初期支护，保证在最短时间封闭围岩，及时完成仰拱，使型钢成环，根据量测数据确定最佳二衬施工时间，尽早完成二衬施工。

2 工艺工法特点2.1根据黄土隧道的断面尺寸、埋深和黄土的含水量等特性，并结合目前国内施工机械设备实际情况，经过不同步长工况下监控量测数据对比分析，形成了大断面黄土隧道弧形导坑三台阶七步开挖工法的各个步距要求。

2.2初期支护由钢拱架、钢筋网片、锚杆、锁脚锚管、超前小导管、喷射微纤维混凝土等组成。

2.3大断面黄土隧道采用新奥法施工，合理安排工序衔接，可加快施工进度，缩短工期。

2.4采用监测信息化技术指导施工，使施工及成本始终处于受控状态。

3 适用范围本工艺工法适用于在黄土地区修建的大断面铁路、公路隧道深埋段（Ⅳ级围岩）施工，对黄土地区修建的其他地下工程亦有借鉴意义。

4主要技术标准4.1《客运专线铁路隧道工程施工技术指南》（TZ214)、《客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准》(铁建设[2005]160号)、《铁路隧道施工规范》(TB10204)、《新建铁路铁路工程测量规范》(TB 10101)、《客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定》(铁建设[2007]189号).4.2设计图纸、合同文件。

5施工方法大断面黄土隧道采用弧型导坑三台阶法掘进施工方法为：采用人工配合挖掘机开挖，初期支护采用喷锚支护，钢架采用Ⅰ20a型钢，间距为0.8m，钢架之间环向设置φ42连接钢管（间距为1.0m），每分部钢架脚板处采用2根φ42锁脚锚管（长不小于3.5m）固定钢拱架，C25微纤维混凝土喷护，锚杆长2.5m、3.5m。

掘进分为上、中、下三台阶，上台阶长3～5m，中台阶长5～8m，下台阶长8～10m；每循环掘进上部0.8m安装型钢1榀，中部0.8m安装型钢1榀，下部1.6m安装型钢2榀；中部左右两侧掘进应错开2榀型钢，下部掘进应错开3榀型钢；掘进后应及时喷混凝土。

仰拱到掌子面距离不大于30m，二衬到仰拱的距离不大于30m。

6工艺流程及操作要点6.1施工工艺流程施工工艺流程图见图1，开挖步骤图见图2。

说明：施做初期支护指初喷混凝土、立型钢钢架、打设锁脚锚管、挂设钢筋网、打设锚杆、复喷混凝土图1 三台阶七步开挖法施工工艺流程图图2 开挖施工步骤图6.2操作要点6.2.1 施工准备1 风、水管、电线敷设、施工便道、施工场地布置，机械设备、人员配置、材料准备、修建防排水设施、修建环保、水保设施。

2 根据设计资料详细分析了解工程地质、当地水文地质情况，制定合理的施工方案和施工措施，制定施工监控量测方案及沉降观测计划。

6.2.2 施工步骤第一步：开挖（1）部，初喷砼，安装（1）部钢架，打设锁脚锚杆，挂钢筋网，打锚杆，喷砼。

第二步：开挖（3）部第三步：开挖（4）部，初喷砼，安装（4）部钢架，挂钢筋网，打锚杆，喷砼。

第四步：开挖（6）部，初喷砼，安装（6）部钢架，挂钢筋网，打锚杆，喷砼。

第五步：开挖（8）部，初喷砼，安装（8）部钢架，挂钢筋网，打锚杆，喷砼。

第六步：开挖（10）部，初喷砼，安装（10）部钢架，挂钢筋网，打锚杆，喷砼。

第七步：开挖（12）部第八步：开挖（13）部,初喷砼，安装（13）部钢架，喷砼弧形导坑三台阶法施工工序横断面示意图图中序号表示施工顺序；富水地段先打设超前小导管，每一分步开挖完成后，初喷C25砼4cm,架立型钢钢架及打设锁脚锚杆，挂钢筋网片，安装锚杆，喷砼，第2、5、7、9、11、14道工序包括挂网、锚杆、钢架、喷砼等所有的初期支护。

(1)(3)(12)(6)(10)(4)(8)257911(13)14大断面黄土隧道采用弧形导坑三台阶七步法开挖，主要采用人工及风镐配合挖掘机开挖，开挖后由人工及时安装钢支架并初期支护封闭，具体施工步骤如下：1 上台阶弧形开挖，弧形开挖作业高度和宽度为1.5～2.0m，开挖每循环0.8m，开挖后及时初喷混凝土，安装钢支撑，并施作锁脚锚管固定（φ42，长不小于3.5m）,然后安装钢筋网片，钢支撑相互焊联，喷混凝土。

钢支撑脚板在没有连接成环之前必须支垫踏实。

2 开挖上台阶核心土，创造中台阶施工条件。

3 中台阶视施工条件采用单侧或两侧开挖施工，开挖作业宽度1.5～2.0m，中间暂留核心土，开挖每循环1.6m，开挖后及时初喷混凝土，一次安装2榀钢支撑与上部钢支撑对接通过螺栓连接牢固，施作锁脚锚管固定（φ42，长不小于3.5m）,然后安装钢筋网片，钢支撑相互焊联，喷混凝土。

同样钢支撑脚板在没有连接成环之前必须支垫踏实。

中台阶开挖、支护施工，两侧前后错开距离2榀型钢长度。

4 开挖中台阶核心土，创造下台阶施工条件。

5下台阶视施工条件采用单侧或两侧开挖施工，开挖作业宽度1.5～2.0m，中间暂留核心土，开挖每循环1.6m，开挖后及时初喷混凝土，一次安装2榀钢支撑与中部钢支撑对接通过螺栓连接牢固，施作锁脚锚管固定（φ42，长不小于3.5m）,然后安装钢筋网片，钢支撑相互焊联，喷混凝土。

同样钢支撑脚板在没有与仰拱钢支撑连接成环之前必须支垫踏实。

下台阶开挖、支护施工，两侧前后错开距离2榀型钢长度。

6 开挖下台阶核心土，创造仰拱施工条件。

7 开挖仰拱，施工初支。

每循环开挖3～5m，一次安装4～6榀型钢，仰拱钢支撑和墙下部钢支撑通过焊接牢固，仰拱施工期间采用栈桥保持通行。

6.2.3 监控量测1 主要施工监测项目表1 监控量测项目表注：B—隧道开挖宽度，υ—变形速速7劳动力组织由于黄土隧道施工进尺短，人员安排多则浪费，安排少则不能正常工作，人员配置很重要，通过实践，总结出一个工作面比较理想的人员配置如表2。

表2 单工作面作业劳动组织表8 主要机具设备弧型导坑三台阶七步法掘进用配套机械多，施工时合理安排机械不但可以加快施工进度同时还可以节约施工成本。

根据机械工作能力和实际工作量，单个工作面主要机械配备如表3。

表3 单个开挖面机械设备配备表9质量控制9.1易出现的质量问题9.1.1大断面黄土隧道富水地段容易发生坍塌掉块，变形加速。

9.1.2开挖进尺不当，造成局部坍塌。

9.1.3开挖步距过大，闭环时间过长，钢架发生变形。

9.2保证措施9.2.1施工中采用增设锁脚锚管、放大拱脚和墙脚、增加纵向连接导管和增强基底承载力等措施，有效防止了初期支护整体沉降。

同时应切实做好监控量测工作，及时进行数据分析，动态调整支护参数和预留变形量。

9.2.2严格施工技术交底制,对作业人员定期进行质量教育和考核, 教育作业队人员严格按设计及规范要求施工,确保施工工程质量。

9.2.3 上台阶开挖进尺为1榀型钢的间距，中台阶开挖进尺为2榀型钢的间距，下台阶开挖进尺为3榀型钢的间距。

9.2.4加强监控量测，及时反馈信息，依量测数据为依据，提高应变能力。

9.2.5钢架、锚喷网支护要紧跟开挖进行，以利于发挥围岩的自承能力，保证施工安全。

9.2.6钢架安装间距误差要求在±10cm内，锚杆间距误差在±15cm内，锚杆长度不小于设计长度的95%，钢筋网片搭接长度误差在±5cm内，钢架安装垂直度误差在±2°内，型钢、网片、连接管之间焊接焊缝应饱满，不应有假焊漏焊现象。

9.2.7掌子面与仰拱之间距离不大于30m，仰拱与衬砌之间距离不大于30m。

9.2.8材料采购前对分供方进行评定，选择合格的分供方厂家购料。

所购材料必须附有说明书、合格证、技术检验证等质量证件，并满足工程要求。

9.2.9进入工地的主要材料严格按规定和设计要求把关，所有厂制材料须有出厂合格证和必要的检验、试验单。

对进场料、设备按技术质量标准、样品进行严格检验，并事先确定重点检验料。

9.2.10严格按配合比施工，控制好水灰比，控制和使用各种添加剂。

10安全措施10.1主要安全风险分析黄土隧道开挖要注重塌方、突水（泥、石）、大变形等安全风险的评估，提出相应的风险处理措施，编制施工应急预案。

10.2保证措施10.2.1进洞人员必须戴安全帽，特殊工种应持证上岗。

10.2.2坚持安全交底制度和安全学习制度，提高全员安全意识。

10.2.3施工中应严格控制施工步距，保持掌子面到仰拱距离不超过30m，仰拱到二衬距离不超过30m。

10.2.4坚持每天测量黄土含水量，并根据含水量和量测数据确定初支加固措施。

10.2.5施工时应严格按照设计要求挖大拱脚并安装好锁脚锚管，严格控制钢架下沉。

10.2.6施工时应做好防水和引排水工作，防止钢架脚板被水软化，引起过大下沉。

10.2.7施工中发现不安全因素时，应暂停开挖，加强支护措施。

10.2.8施工中应做好监控量测工作，确立临界值，并根据量测结果指导施工。

如发现量测结果超出允许范围时应立即停止开挖，采取加强措施，确保围岩稳定和洞内施工安全。

10.2.9加强洞内电力、通风、排水管线路的管理，防止漏电、漏风伤人。

10.2.10加强机械保养维修，降低机械噪声和废气排放。

10.2.11做好洞内外文明施工，保证良好的施工环境。

11环保措施11.1避免炸药爆炸产生的有害气体和粉尘含量，减少了对空气的污染，节约了炸药等能源的消耗。

11.2通过对大断面黄土隧道采用分部开挖，充分利用人力和小型机具，减少了大型设备数量，从而减少了油料的消耗，达到节能和环保的要求。

11.3对于黄土隧道中加强施工用水的管理，防止水土流失。

隧道施工中采用防水板和止水带等综合防排水措施，减少了黄土中水的流失，做到环保和节约水资源要求。

11.4优化了大断面黄土隧道的设计支护参数，节约了锚杆和混凝土的数量，从而节约建筑材料，起到了节约能源的目的。