1、黃土隧道三臺階七步預留核心土開挖法工法2010-8山西中南部鐵路通道公司籌備組1 總 則1.0.1 為保證黃土隧道施工安全和質量，規范開挖作業程序，加強過程控制，提高施工進度，制定本工法。1.0.2 黃土隧道三臺階七步流水開挖法根據圍巖狀況可分為三臺階預留核心土法、三臺階上導坑預留核心土法和三臺階不留核心土三種方法。本資料重點介紹三臺階七步預留核心土開挖法（以下簡稱“三臺階七步開挖法”），本工法是以弧形導坑開挖留核心土為基本模式，分上、中、下三個臺階七個開挖面，各部位的開挖與支護沿隧道縱向錯開，平行推進的隧道施工方法。1.0.3 三臺階七步開挖法適用于開挖斷面為100180m2，具備一定自穩條

2、件的、級圍巖地段隧道的施工。、級圍巖地質主要有黃土、強風化巖層等，不適用條件有圍巖地質為流塑狀態、洞口淺埋偏壓段（但經過反壓處理或施做超前大管棚后可采用）。1.0.4 三臺階七步開挖法具有下列技術特點1 施工空間大，方便機械化施工，可以多作業面平行作業。部分軟巖或土質地段可以采用挖掘機直接開挖，工效較高。2 在地質條件發生變化時，便于靈活、及時地轉換施工工序，調整施工方法。3 適應不同跨度和多種斷面形式，初期支護工序操作便捷。4 在臺階法開挖的基礎上，預留核心土，左右錯開開挖，利于開挖工作面穩定。5 當圍巖變形較大或突變時, 在保證安全和滿足凈空要求的前提下，可盡快調整閉合時間。6 三臺階七步

3、開挖法規避了側壁導坑法、中隔壁法及交叉中隔壁法等需要拆除臨時支護及受力轉換造成不安全的因素，并能及時調整閉合時間，方便機械化施工，利于施工工序轉換。采用三臺階七步開挖法施工應盡量縮短臺階長度，確保初期支護盡快閉合成環，仰拱和拱墻襯砌及時跟進，盡早形成穩定的支護體系。1.0.6 采用三臺階七步開挖法進行黃土隧道施工除應符合本指南要求外，尚應符合國家現行的有關標準的規定。2 施工準備2.0.1 施工調查前應查閱設計文件和資料，制定調查提綱。施工調查內容應包括工程概況、施工條件、地形地質及其他與工程相關內容。調查結束后應編寫施工調查報告。2.0.2 施工調查后應結合三臺階七步開挖法的特點，按照建設項

4、目的規模和工期要求，有針對性地編制實施性施工組織設計和施工作業指導書。2.0.3 采用三臺階七步開挖法施工的隧道，應進行施工技術交底，作業人員應進行崗前培訓和安全教育，從事特殊工種的作業人員應持證上崗。2.0.4 施工機械配備應滿足正常施工要求。實施中，可根據施工進度要求分期、分批組織上場。2.0.5 隧道施工機械配套應針對隧道大斷面的特點，以實現機械化均衡生產為目標，配套的生產能力應為均衡施工能力的1.21.5倍。3 施工工藝3.1 施工工藝流程3.1.1 三臺階七步開挖法可分為以下主要步驟：1 上部弧形導坑環向開挖，施作拱部初期支護；2 中、下臺階左右錯開開挖，施作墻部初期支護；3 中心預

5、留核心土開挖，隧底開挖，施作隧底初期支護。每部開挖后均應及時支護，隧底初期支護后應及時施作仰拱，盡早封閉成環。3.1.2 三臺階七步開挖法的施工工藝流程見圖3.1.2。上部弧形導坑開挖，施作初期支護開挖上、中、下臺階預留核心土左右錯開開挖中臺階，施作初期支護左右錯開開挖下臺階，施作初期支護超前支護測量放樣施作仰拱施作仰拱填充圍巖穩定性評判、修正支護參數分段開挖隧底，施做初期支護斷面檢查否滿足 圖3.1.2 三臺階七步開挖法施工流程3.2 施工作業3.2.1 采用三臺階七步開挖法施工的黃土隧道，應將超前地質預報納入施工工序，并根據工程水文地質變化情況，及時調整各部臺階長度或施工方法，采取相應的技

6、術措施，及早封閉成環，保證施工安全。3.2.2 采用三臺階七步開挖法施工的黃土隧道，應根據工程水文地質條件，按設計要求做好超前支護，防止圍巖松弛，保證隧道開挖安全。在斷層、破碎帶、淺埋段等自穩性較差或富水地層中，超前支護應按設計要求進行加強。3.2.3 三臺階七步開挖法黃土隧道施工應符合下列要求：1 以機械開挖為主，人工輔助開挖；2 弧形導坑應沿開挖輪廓線環向開挖，預留核心土，開挖后及時支護；3 其他分步平行開挖，平行施作初期支護，各分部初期支護銜接緊密，及時封閉成環；4 仰拱緊跟下臺階，及時閉合構成穩固的支護體系；5 施工過程通過監控量測，掌握圍巖和支護的變形情況，及時調整支護參數和預留變形

7、量，保證施工安全；6 完善洞內臨時防排水系統，防止地下水浸泡拱墻腳基礎。 三臺階七步開挖法施工步驟見圖3.2.4-1，開挖透視圖見3.2.4-2，施工工序見圖3.2.4-3所示。第1步，上部弧形導坑開挖：在拱部超前支護后進行，環向開挖上部弧形導坑，預留核心土，核心土長度宜為35m（當圍巖較差時留5m，圍巖較好時可留3m），寬度宜為隧道開挖寬度的1/31/2（可以有效的防止軟弱圍巖開挖面失穩，同時提供了作業平臺）。開挖循環進尺應根據初期支護鋼架間距確定，最大不得超過1.5m（開挖進尺要求不得大于1.5m，主要是考慮開挖進尺過大一是圍巖暴露面積過大降低了圍巖自身承載能力；二是進尺過大延長了開挖工作

8、面封閉時間）；開挖后立即初噴35cm混凝土（增強圍巖自穩能力，避免圍巖長時間暴露產生掉塊）。 上臺階開挖矢跨比應大于0.3（是指拱部開挖高度與開挖跨度比值應大于0.3。根據以往隧道施工經驗，當矢跨比大于0.3時，拱部開挖比較穩定），開挖后應及時進行噴、錨、網系統支護，架設鋼架，在鋼架拱腳以上30cm高度處，緊貼鋼架兩側邊沿按下傾角30°打設鎖腳錨桿，鎖腳錨桿與鋼架牢固焊接，復噴混凝土至設計厚度。第2、3步，左、右側中臺階開挖：開挖進尺應根據初期支護鋼架間距確定，最大不得超過1.5m，開挖高度一般為33.5m，左、右側臺階錯開23m，開挖后立即初噴35混凝土，及時進行噴、錨、網系統支護

9、，接長鋼架，在鋼架墻腳以上30cm高度處，緊貼鋼架兩側邊沿按下傾角30°打設鎖腳錨桿，鎖腳錨桿與鋼架牢固焊接，復噴混凝土至設計厚度。第4、5步，左、右側下臺階開挖：開挖進尺應根據初期支護鋼架間距確定，最大不得超過1.5m，開挖高度一般為33.5m，左、右側臺階錯開23m，開挖后立即初噴35混凝土，及時進行噴、錨、網系統支護，接長鋼架，在鋼架墻腳以上30cm高度處，緊貼鋼架兩側邊沿按下傾角30°打設鎖腳錨桿，鎖腳錨桿與鋼架牢固焊接，復噴混凝土至設計厚度。第6步，上、中、下臺階預留核心土：各臺階分別開挖預留的核心土，開挖進尺與各臺階循環進尺相一致。第7步，隧底開挖：每循環開挖長

10、度宜為23m，開挖后及時施作仰拱初期支護，完成兩個隧底開挖、支護循環后，及時施作仰拱，仰拱分段長度宜為46m。 圖3.2.4-1開挖步驟圖超前支護襯砌7仰拱棧橋6-14356-36-21211施工步驟：第1步：施作超前支護后，開挖拱部弧形導坑，預留核心土，施作拱部初期支護；第2、3步：開挖左右側中臺階并施作初期支護；第4、5步：開挖左右側下臺階并施作初期支護；第6步：分別開挖上、中、下臺階核心土；第7步：開挖隧底并施作仰拱初期支護封閉成環。 圖3.2.4-2開挖透視圖 圖3.2.4-3施工工序圖3.2.5 為保護圍巖的天然承載力，隧道支護應盡快施作。三臺階七步開挖法的初期支護由噴射混凝土、錨桿

11、（管）、鋼筋網和鋼架等組成，各部分聯合受力。初期支護應在開挖后立即施作，以保護圍巖的自然承載力，其施工工藝流程見圖3.2.5。開挖清理受噴面面初噴混凝土封閉巖面施作系統錨桿，掛鋼筋網安裝鋼架 復噴混凝土至設計厚度 圍巖量測數據分析、反饋 圖3.2.5初期支護施工工藝流程1 初噴混凝土封閉巖面1） 初噴混凝土應在開挖后立即進行。2）清除巖面表面的空鼓和掉皮，埋設控制噴射混凝土厚度的標志釘。3） 工作面滴水或淋水時，宜采用鉆孔埋管做好引排水。大面積潮濕的巖面宜采用粘結性強的混凝土，通過添加外加劑、摻合劑改善混凝土性能，快速封閉滲水巖面。4） 噴射混凝土必須滿足設計強度、厚度及其與巖面粘結力要求。5

12、） 噴射作業應分段分片依次進行，噴射作業從拱腳或墻腳自下而上進行，坐也是應避免上部噴射回彈料虛掩拱（墻）腳；先找平凹洼部分，后噴射凸出部分，各部平順連接。噴頭應與受噴面垂直，噴嘴口至受噴面距離宜保持在1.02.0m，沿水平方向以螺旋形劃圈移動。2 系統錨桿（管）、鋼筋網施作應符合下列要求：1） 初噴混凝土后應及時施作錨桿，錨桿必須設置墊板。黃土隧道系統錨桿按設計要求選用。2） 鋼筋網可采用為8或6的HPB235鋼制作，網格尺寸宜采用20cm×20cm25cm×25cm，搭接長度應為12個網格，網片間采用焊接方式連接。3） 鋼筋網隨受噴面起伏鋪設，其間隙不應大于3cm，鋼筋網

13、應與錨桿、鋼架連接牢固，且鋼筋保護層厚度不應小于4cm。3 安裝鋼架應符合下列要求：1） 拱部單元安裝工序：放樣確定鋼架基腳位置施作定位錨桿架設鋼架布設縱向連接筋。2） 墻部單元安裝工序：墻腳部位鋪設槽鋼墊板施作定位錨桿對應拱部單元架設墻部鋼架單元布設縱向連接筋。 拱、墻部鋼架單元宜采用栓接的方式連接。3） 加強鋼架拱（墻）腳鎖腳錨桿（管）施工，各臺階每單元鋼架拱（墻）腳以上30cm高度處，緊貼鋼架兩側邊沿按下傾角30°打設4根或4根以上鎖腳錨桿（管），并與鋼架采用“L”型鋼架牢固焊接，鎖腳錨桿（管）與鋼架牢固焊接，鎖腳錨桿直徑不應小于22mm，鎖腳錨管直徑不應小于42mm，長度為4

14、m，以控制基腳變形。4） 施工注意事項及要求： 鋼架拱（墻）腳應架設在穩固的基巖上或底部鋪墊槽鋼，以保證鋼架基礎穩固。安裝前應清除基腳下的虛碴、虛土及雜物。 鋼架安裝允許偏差：鋼架間距、橫向位置和高程與設計位置的偏差不超過±5cm，垂直度允許偏差為±2°。 鋼架應與縱向連接筋、鎖腳錨桿焊接牢固，以增強鋼架的整體穩定性。 鎖腳錨桿施工應作為施工質量控制的重點，鎖腳錨桿尾部宜加工成“L”型。鋼架連接板應采用栓接牢固連接。 鋼架和初噴混凝土間有較大間隙時，每隔2m應采用騎馬或楔形墊塊頂緊；鋼架與圍巖的間隙不應大于5cm。 4 噴射混凝土厚度應符合設計要求，二次復噴混凝土

15、應分層噴射，每層厚宜為56cm。噴射混凝土表面應平順，無空鼓、裂縫、松酥，平整度宜采用2m靠尺檢查，允許偏差為側壁5cm、拱部7cm。3.3 黃土隧道仰拱施工3.3.1 隧底開挖應采用全幅分段施工，上面鋪設仰拱棧橋，每循環開挖長度宜控制在23m。當仰拱施工滯后下部臺階開挖面3040m時，應停止前方工作面開挖或短距離跳槽進行隧底開挖。3.3.2 隧底開挖后，應及時清除虛碴、雜物、泥漿、積水，立即初噴35cm厚混凝土封閉巖面，按照設計要求安裝仰拱鋼架，復噴射混凝土至設計厚度，使初期支護及時閉合成環。3.3.3 仰拱應超前拱墻襯砌，每循環澆筑長度宜為46m，仰拱應采用浮放模板支架成型。仰拱混凝土應分

16、段全幅澆筑，一次成型，不留縱向施工縫，仰拱施工縫和變形縫應設置止水帶。仰拱表面應平順，不積水。3.3.4 仰拱填充混凝土應在仰拱混凝土終凝后澆筑，澆筑前應清除仰拱表面的雜物和積水，連續澆筑，一次成型，不留縱向施工縫。填充混凝土強度達到5MPa后允許行人通行，達到設計強度的100后允許車輛通行。仰拱填充表面坡度應符合設計要求，應平順、排水通暢、不積水。3.3.5 仰拱距開挖掌子面應控制在30m40m的距離，如圍巖變形較大，長時間難以穩定，則應進一步縮短仰拱到開挖面的距離，必要時仰拱跟至下臺階；二襯距仰拱應控制在2030m，距開挖掌子面最大不得超過70m。 黃土隧道施工中，量化仰拱、二襯距開挖掌子

17、面的合理距離，對保證隧道施工安全尤為重要。3.4 監控量測3.4.1 監控量測工作必須緊跟開挖、支護作業進行布點和監測，量測數據可運用工程類比法及時分析反饋，必要時應根據分析結果調整支護參數，以保證施工安全。3.4.2 量測項目可分為必測項目和選測項目，必測項目見表3.4.2，選測項目可結合工程實際情況，按照鐵路隧道監控量測技術規程的規定選取。表3.4.2 監控量測必測項目 序號監測項目測量方法和儀表測量精度備注1洞內、外觀察現場觀察，地質羅盤儀2初期支護拱（墻）腳凈空變化采用非接觸無尺量測法，全站儀0.1mm3初期支護拱頂下沉采用非接觸無尺量測法，全站儀0.1mm4地表沉降水準測量的方法，水

18、準儀1mm淺埋隧道（H02b）、洞口段、下穿高速公路（建筑物）段必測注：H0隧道埋深；b隧道最大開挖寬度。3.4.3 凈空變化量測測點布置和初讀數的讀取應符合下列規定。測點、測線布置詳見圖3.4.3。圖3.4.3 凈空變化測點布置1 上部弧形導坑開挖并施作拱部初期支護后，布設拱頂下沉測點A和第一條凈空量測基線BB，在36h內取得初讀數；2 中臺階開挖并施作上部邊墻初期支護后，布設第二條凈空量測基線CC，在36h內取得初讀數；3 下臺階開挖并施作下部邊墻初期支護后，布設第三條凈空量測基線DD，在36h內取得初讀數； 4 其它量測項目應在開挖后12h內取得初讀數，最遲不得超過24h，且在下一循環開

19、挖前完成；5 拱（墻）腳凈空變化、拱頂、地表觀測點應布設在同一斷面，便于分析、比較。3.4.4 各測點取得初讀數據后，應按照位移速度和量測斷面距開挖面距離選擇量測頻率（見表3.4.4）。當出現異常情況時，應加大量測頻率。表3.4.4 量測頻率位移速度距開挖面距離位移速度（mm/d）量測頻率量測斷面距開挖面距離（m）量測頻率52次/d（01）B2次/d151次/d（12）B1次/d0.511次/23d（25）B1次/23d0.20.51次/3d5B1次/7d0.21次/7d注：1、B隧道開挖跨度。 2、當按照“位移速度”和“量測斷面距開挖面距離”選擇量測頻率出現較大差異時，宜取量測頻率較高的實施

20、。3.4.5 量測數據整理及位移-時間變化曲線繪制應符合下列規定。1 量側數據整理時，應將原始數據按照大小順序，用頻率分布的形式顯示出一組數據分布情況，進行數據的數字特征計算以及離散數據的取舍。2 繪制位移-時間變化曲線，通過回歸分析預測最終位移值和各階段的位移速率。具體方法見下（如拱頂下沉）： 1) 將量測數據輸入計算機系統，繪制位移-時間變化曲線(U-t曲線)，見圖3.4.5；2) 若U-t曲線如圖（a）所示趨于平緩，通過數據處理或回歸分析，可推算最終位移值，掌握位移變化規律；3） 若U-t曲線出現類似圖（b）所示情況，變形有加快發展趨勢，表明圍巖和支護處于不穩定狀態，應停止前方開挖面掘進

21、，加強支護；圖3.4.5 位移時間變化曲線示意圖3 一般情況下，采用三臺階七步開挖法施工時，圍巖與支護變形有以下規律：開挖中臺階時，A點和BB基線位移會發生突變，中臺階墻部初期支護施作完成后，變形趨于平緩；開挖下臺階時, A點和CC基線位移會發生突變，下臺階墻部初期支護施作完成后，變形趨于平緩；開挖隧底時，A點和DD基線位移會發生突變，仰拱初期支護施作完成，支護全環閉合后，變形趨于平緩。 位移控制基準應根據測點距開挖面的距離，由初期支護極限相對位移按表3.4.6要求確定表 位移控制基準類 別距開挖面1B（U1B）距開挖面2B（U2B）距開挖面較遠允許值65%U090%U0100%U0注：B隧道

22、開挖寬度；U0極限相對位移值，可根據隧道的開挖寬度、埋深，按照不同的圍巖等級，參照鐵路隧道監控量測技術規程或通過工程類比確定。 根據位移控制基準，可按表3.4.7分為三個管理等級。表4.5.4 位移管理等級管理等級距開挖面1B距開挖面2BUU1B/3UU2B/3U1B/3U2U1B/3U2B/3U2U2B/3U2U1B/3U2U2B/3注：U實測位移值； 隧道位移管理應符合表3.4.8的規定。表3.4.8 變形管理管理等級工程對策正常施工采取工程對策。包括加強超前支護等，縮短臺階開挖長度，調整初期支護強度、剛度等，同時加強監控量測停止開挖。加強初期支護，加強監控量測4 黃土隧道三臺階七步開挖法

23、施工控制要點4.0.1 隧道進洞前應做好洞頂及洞口防排水系統。洞頂及洞口排水溝應鋪砌，用砂漿抹面，防止地表水及施工用水下滲，影響結構安全。4.0.2 三臺階七步開挖法施工應做好工序銜接。工序安排應緊湊，盡量減少圍巖暴露時間，避免因長時間暴露引起圍巖失穩。1 初期支護應及時封閉成環，全斷面初期支護閉合時間宜控制在15d左右；2 仰拱應超前施作，仰拱距上臺階開挖工作面宜控制在3040m。鋪設防水板、二次襯砌等后續工作應及時進行。3 二次襯砌距仰拱宜保持2倍以上襯砌循環作業長度，但不得大于50m。4.0.3 在滿足作業空間和臺階穩定的前提下，應盡量縮短臺階長度，核心土長度應控制在35m，寬度宜為隧道

24、開挖寬度的1/31/2。 三臺階七步開挖法施工應嚴格控制開挖長度，根據圍巖地質情況，合理確定循環進尺，每次開挖長度不得超過1.5m；開挖后立即初噴35cm混凝土，以減少圍巖暴露時間。 嚴格按設計要求施作超前支護，控制好超前支護外插角，嚴格按注漿工藝加固地層，保證隧道開挖在超前支護的保護下施工。 隧道周邊部位應預留30cm人工開挖，其余部位宜采用機械開挖，局部需要爆破時，必須采用弱爆破，不得超挖。施工時應嚴格控制裝藥量，減少對圍巖的擾動。 中、下臺階左、右側開挖應錯開，嚴禁對開，左右側錯開距離宜為 23m。4.0.8 鎖腳錨桿（管）對三臺階七步開挖法施工安全至關重要，可防止鋼架拱腳向洞內位移和下

25、沉。鋼架應嚴格按設計及規范要求加工制作和架設。鋼架應架設在堅實基面上，嚴禁拱（墻）腳懸空或采用虛碴回填。鋼架應與鎖腳錨桿（管）焊接牢固。 隧道超挖部位必須回填密實，嚴禁初期支護背后存在空洞。必要時初期支護背后應進行充填注漿，保證初期支護與圍巖密貼。 施工過程中可采用增加拱（墻）腳鎖腳錨桿（管）、增設鋼架拱（墻）腳部位縱向連接筋、擴大拱（墻）腳初期支護基礎及增設拱（墻）腳槽鋼墊板等增強拱（墻）腳承載力等措施控制變形。4.0.11 應加強監控量測工作，根據量測結果，及時調整支護參數，確定二次襯砌施作時間，進行信息化施工管理。 應完善洞內臨時防排水系統，嚴禁積水浸泡拱（墻）腳及在施工現場漫流，防止基

26、底承載力降低。當地層含水量大時，上臺階開挖工作面附近宜開挖橫向水溝，將水引至隧道中部或兩側排水溝排出洞外。必要時應配合井點降水等措施，降低地下水位至隧道仰拱以下，確保施工順利進行。反坡施工時，應設置集水坑將水集中抽排。4.0.13 隧道施工應加強洞內通風，作業環境應符合職業健康及安全標準。5 施工組織管理5.0.1 勞動組織黃土隧道施工技術復雜，且受地質條件變化的影響大，施工中除采用先進的施工技術和配套的機械化設備外，還應加強施工組織與管理，實現正常循環，才能確保施工生產安全、快速進行。施工人員必須經培訓合格后方可上崗，特殊工種應持證上崗，黃土隧道三臺階七步開挖法單作業面施工一般需要95人左右

27、，并保持相對穩定，人員分配和調整應按不同工種配齊、配足。黃土隧道三臺階七步開挖法單作業面施工作業人員配備見表5.0.1，可根據施工現場情況及時調整。表5.0.1 黃土隧道三臺階七步開挖法單作業面單循環施工作業人員配備表序號作業項目作業內容人數1開挖（27人）工班長1上導坑風鎬手4普 工5中導坑風鎬手2普 工4下導坑風鎬手2普 工4挖掘機司機1裝載機司機1出渣車司機32初期支護（37人）工班長1風槍工4鋼筋工（鋼架、錨桿、網片安裝）17噴射手3普工（噴射砼上料）123仰 拱（27人）工班長1鋼筋工11焊 工3排水工（防水板、止水帶及盲管安裝）6混凝土工64二 襯（33人）工班長1鋼筋工11焊 工

28、3排水工（防水板、止水帶及盲管安裝）6混凝土工125風水電保障班（9）空壓機司機1電 工1其他保障人員76架子隊現場管理人員（11人）架子隊隊長1技術負責人1技術員1試驗員1質檢員1材料員1安全員1測量員4備注：開挖班與初期支護班、仰拱與二襯班部分作業人員交叉作業。合計955.0.2 施工機具應根據隧道實施性施工組織設計要求，配備污染低、能耗小、效率高的機具。5.0.3 單作業面施工機具配備參見表5.0.3，可根據施工現場情況及時調整。表5.0.3 單作業面施工機具配備序號作業項目機具設備名稱規格型號單位數量備注1開挖電動壓風機20m3/min臺4高壓供風雙液注漿機4m3/h臺2注漿風鎬G10臺8開挖修邊風動鑿巖機YT-28臺15系統錨桿、超前支護、局部爆破鉆眼挖掘機CAT320C臺1開挖、裝碴自卸車15t輛6出碴裝載機小松WA470輛2裝碴抽水機SQ100-60臺4備用排水2初期支護鋼筋切斷機QJ401臺1加工鋼筋鋼筋折彎機40臺1加工鋼筋電焊機BX300臺5加工鋼架、格柵及其他鋼構件電焊機BX400臺2加工鋼構件臺式鉆床SP-25A臺1