軟塑粘土地層大斷面淺埋隧道微臺階施工工法（三級工法，附示意圖）軟塑粘土地層大斷面淺埋隧道微臺階施工工法前言我國修建軟弱地層隧道時，V、M級圍巖主要采用CD法、CRD法和雙側壁導坑法等工法，這類工法可以很好地控制地表沉降和變形收斂，但工序復雜、施工進度慢、造價也更高。中鐵xx局集團承建的xxx繞城高速公路xxx隧道為國內第一座嚴寒地區軟塑粘土地層大斷面淺埋隧道，具有地基承載力低、含水量大、粘結力差和易塌方等特點。在施工過程中先后采用了環形開挖預留核心土法、三臺階七步開挖法、CRD法等工法，其中環形開挖預留核心土法和三臺階七步開挖法存在開挖對土體擾動次數多、圍巖變形大和仰拱封閉需要時間長等缺點，施工中多次出現初支開裂等險情；CRD法可以及時完成初支封閉，很好的控制變形，但工序較多，且全部為人工或小型機械作業，大型機械無法展開，施工進度慢，同時增加臨時仰拱及中隔墻，成本增加大。為安全、快速、高效完成隧道施工任務，最終優化創新了微臺階施工工法，通過對開挖支護工藝和參數的優化、各作業面之間距離的嚴格控制和其它配套設施的科學配置，成功穿越了3-1、5-1、5-2、7-1、8-2等軟可塑狀態的亞粘土地層，取得了很好的經濟和社會效益。2008年12月25日，吉林省科技廳組織專家對《嚴寒地區軟塑粘土地層大斷面淺埋隧道施工技術》進行了科學技術成果鑒定，該技術達到國際先進水平。工法特點2.1采用多種技術措施，解決了軟塑粘土地層地基承載力低的問題，確保了施工安全。2.2施工空間大，可以引入大型施工機械，多作業面平行作業，工效高，很大程度上加快了施工進度。2.3在地質結構復雜多變的隧道施工中，便于靈活、及時地調整施工方法，進度穩定，工期保障性強。2.4能適應不同跨度和多種斷面形式，沒有需拆除的臨時施工支護，避免了因拆除臨時支護造成初期支護突然卸載而危及隧道安全的不利因素；初期支護斷面圓順，無應力集中點，安全性強；同時節省投資。2.5仰拱初支及時封閉成環，仰拱襯砌混凝土超前施作，確保施工安全，改善隧道運輸環境，便于隧道文明施工的開展。2.6仰拱初支和仰拱混凝土全幅施作，確保了防排水系統、仰拱保溫層和混凝土的施工質量，減少營運病害。2.7無需投入特種設備，投入小，操作性強，易推廣。適用范圍本工法適用于地質條件為W?V級圍巖的公路、鐵路和水利水電隧道施工，也適用于淺埋暗挖的其它類似地下工程。工藝原理隧道施工以“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、早封閉、勤量測”十八字方針為基本的指導原則，在超前支護完成后人挖掘機進行開挖，嚴格控制開挖進尺，及時支立型鋼拱架并做好擴大拱腳、拱腳支墊、連接鋼筋焊接和鎖腳錨管固定，嚴格控制各作業面之間的距離，做到及時封閉，以監控量測信息指導施工，以便調整初期支護參數和確定二次襯砌時間。施工工藝流程及操作要點5.1施工工藝流程施工工藝流程如圖5.1所示。圖5.1 微臺階法施工工藝流程圖5.2操作要點5.2.1超前支護利用上一循環架立的鋼架施作隧道超前支護。超前小導管鋼管直徑為。50皿，長5.0m,間距30?40cm,外插角10?20°，首尾相接長度不少于1?0m。采用水泥一水玻璃雙液注漿。5.2.2開挖與支護微臺階法施工縱斷面圖見圖5.2.2-1；微臺階法施工橫斷面圖見圖5.2.2-2；微臺階法施工平面圖見圖5.2.2-3。圖5.2.2-1微臺階法施工縱斷面圖圖5.2.2-2微臺階法施工橫斷面圖圖5.2.2-3微臺階法施工平面圖1、 上臺階開挖，預留核心土。開挖①部時采用人工風鎬配合挖掘機開挖，在挖掘機開挖時沿輪廓線預留50cm土體，人工采用風鎬進行開挖，避免挖掘機破壞既有初支，防止挖掘機開挖對土體的振動太大，造成土體塌方，并可以控制超挖。人工開挖時在拱腳處設計開挖線以外向圍巖方向開挖深度為30cm，高度為70cm，長度為開挖段通長的擴大拱腳，并在拱腳底部至少留深20cm土用人工開挖，嚴禁拱腳超挖，便于拱腳使用型鋼或方木墊實，防止因拱腳原狀土被破壞或承載力不足而造成支護下沉。開挖時根據圍巖級別不同每次進尺為0.5?0.75m（既設計一根拱架間距）。2、 上臺階支護。在開挖后初噴4cm厚C25鋼纖維混凝土對開挖面進行封閉，以免孔隙水從斷面處滲出，而使土體失穩。然后設置拱腳支墊，架設型鋼拱架，相鄰兩根工字鋼之間縱向采用“ "形。22連接鋼筋在工字鋼內外緣交錯連接，環向間距80cm。布設鋼筋網時隨初噴混凝土表面起伏鋪設，。8鋼筋網格間距為20cmX20cm，l鋼筋網片必須嚴格按設計要求先在洞外定型加工，且每片加工面積不宜小于1m2,然后在洞內安裝，且相互之間的搭接長度不應小于30d（d為鋼筋直徑）。及時施作鎖腳錨管（鎖腳錨管與型鋼拱架采用“—”形螺紋鋼雙排焊接，以增強共同支護作用）。拱架與開挖輪廓之間的所有間隙用25號混凝土噴射充填密實，先噴拱架與輪廓之間空隙，再噴拱架，然后再噴拱架之間，直至噴到規定的厚度。3、 下臺階交錯開挖支護。在上臺階初期支護穩定的條件下，開始交錯開挖⑤⑧部（錯開距離1?2m）。⑤⑧部開挖左右錯開，開挖長度以能支立一棉為準（根據不同圍巖級別為0?5?0?75m）。邊墻的型鋼鋼架應與拱部鋼架上下對正，并螺栓連接牢固。鋼架支立完成后進行鋼筋網、錨桿和噴射混凝土施工。4、 核心土開挖。根據現場機械施工要求，適時挖除核心土，但必須保證核心土的尺寸。5、 仰拱開挖及支護。仰拱開挖采用全幅施工，上面鋪設仰拱棧橋，開挖長度控制在每次3根拱架；仰拱開挖后，立即初噴4?6cm噴射混凝土封閉圍巖（如基底滲水嚴重，增加噴混凝土厚度），然后安裝仰拱拱架并噴射混凝土達到設計厚度，使初期支護成環。6、 中央排水溝施工。中心水溝施工在初期支護封閉后仰拱施工前施作，為便于機械施工，可臨時切斷（事先預留好法蘭接頭）初期支護鋼拱架；連續切斷不得超過3根，且切斷后凈距不得大于2m,待中心水溝工序完成后及時恢復初期支護的封閉；5.2.3仰拱混凝土、仰拱回填和混凝土基層施工當中央排水溝施工完成后，開始在仰拱初期支護上面安裝仰拱鋼筋，施作仰拱、仰拱保溫層和仰拱回填。5.2.4微臺階施工注意事項1、 由于土體粘結力差，開挖后容易發生垮塌，因此在開挖時嚴格控制挖掘機開挖深度，保證掌子面平齊，防止出現懸空，為便于作業，開挖長度可增加20cm。2、 根據現場機械施工要求，適時挖除核心土，但必須保證核心土的長度。核心土必須保證其長度和寬度，核心土寬度一般不得小于對應高度洞身寬度的50%，為發揮機械施工功效和便于安裝拱部鋼架，上臺階核心土高度為2?0m，核心土頂面距拱頂高度2皿。3、 上下臺階每循環進尺為一根拱架間距，仰拱每次開挖支護3棉拱架長度；上臺階長度3?5m，掌子面距仰拱初支距離控制在12m以內，掌子面與仰拱鋼筋混凝土及仰拱回填距離控制在15m以內，掌子面與二次襯砌間距控制在60m以內。4、 鎖腳錨管在土質隧道的施工非常關鍵，必須按設計長度、數量和角度進行施工，同時鎖腳錨管的施工隨型鋼拱架的作業及時跟進。5、 根據支護受力破壞分析，拱腳部位易發生剪切破壞，故在拱架加工時必須保證連接板的尺寸，同時按設計位置布置螺栓孔，在拱架支立時，拱架部位接頭除栓接外，還應四面幫焊，以確保接頭的剛度和強度，條件允許時，接頭最好采用角鋼連接板，便于混凝土全面握裹。6、 開挖輪廓要預留支撐沉落量及變形量，并利用量測反饋信息進行及時調整。7、 臨近貫通時，一側須停止向前掘進（中間距離控制在5?7m），掌子面設橫向和豎向工字鋼支撐（支撐與初期支護拱架焊接，并做好縱向連接鋼筋焊接），同時邊墻、仰拱及襯砌要抓緊跟進（在未跟進的情況下，堅決不允許貫通，為防止仰拱混凝土施工時下臺階核心土滑落傷人，下臺階留2m左右不進行仰拱封閉，襯砌與掌子面距離控制在40m以內，邊墻與仰拱緊跟），貫通前最后一個循環要達到1.5m左右，不致貫通時土體過薄，出現坍塌（為防止土體由于暴露時間太長，風化粘結力降低而發生滑塌，對上下臺階掌子面噴射混凝土進行封閉，噴層厚度在5cm以上），造成安全事故，在剩余3m左右時，在拱部開挖通氣孔，緩慢釋放能量，轉移受力。5.2.5隧道監控量測1、常規監控量測監控量測是在隧道施工過程中，使用專用儀器和工具對圍巖和支護結構的變形、受力以及它們之間的關系進行觀測，并對其穩定性、安全性進行評價，據此對施工方法、結構支護參數進行調整的信息化工作。要做好監控量測，先要確定監控量測的必測項目和頻率，必測項目和頻率見表5.2.5。表5.2.5監控量測必測項目及頻率測量項目間距測點數量測量頻率（按位移速度）N5mm/d1?5mm/d0.5?1mm/d0.2?0.5mm/dV0.2mm隧道地質和支護狀況觀察全隧道每次開挖各分部掌子面2次/d1次/d1次/2?3d1次/3d1次/7d凈空變位監測每5?10m水平收斂2對測點2?4次/d1?2次/d1?2次/2?3d1?2次/3d1次/7d拱頂下沉監測每5?10m1點2?4次/d1?2次/d1?2次/2?3d1?2次/3d1次/7d地表下沉監測每5?10m中心點及中心線外每3?5m在開挖前及時讀取初讀數，開挖后根據設計文件要求及時監測。操作要點:1） 、根據隧道地質情況、施工方法、斷面情況制定監控量測實施方案，制定監控量測控制基準值，成立監控量測工作小組，及時掌握使用先進儀器設備。2） 、隧道開挖時要及時對工作面地質變化和圍巖穩定情況進行觀察，察看噴射混凝土、錨管和鋼架等的工作狀態，發現異常時立即采取相應處理措施。同時要做好洞頂地面觀察和沉降監測。3） 、測點應在開挖面施工后及時安設，并盡快取得初始讀數，測點布置要牢固可靠、易于識別，并注意保護，拱頂下沉和地表下沉量測基點與洞內和洞外水準基點聯測。測點布置如下：待初期支護施工完畢，核心土開挖之后，進行全斷面測點布置，水平收斂基線布置3條，起拱線上1m處布置1條，起拱線下1m處布置1條，路面以上1m處水平布置1條。拱頂下沉測點的布置在每個斷面內布置3點。4） 、周邊收斂、拱頂下沉及地表下沉各項測點應盡量集中布設在一個橫斷面，以便測量結果的協調分析、綜合運用，測點斷面間距為5?10m，土層、結構變化部位適當加密。5） 、使用的測量儀器應滿足量測精度要求并按操作規程及時檢驗校正以保證量測數據準確。使用收斂儀量測時，先把鋼尺拉出（拉出長度稍長于量測基線）停放20min，使鋼尺溫度與環境氣溫基本一致（同一洞口內連續量測若干斷面，且環境氣溫相差不大時，可連續量測）。6） 、在開挖支護施工過程中時，當下斷面開挖靠近上斷面量測點時，量測頻率應適當增加。7） 、加強監控測量管理，及時反饋信息，提高應變能力。2、隧道施工動態監測隧道深部位移觀測，是通過多點位移計量測孔壁巖土體不同深度處位移。它不同于隧道圍巖收斂觀測，后者僅能測到隧道凈空收斂變形，前者則能測到洞室圍巖內不同深度上軸向變形。因此，根據這些觀測資料，可分析判斷隧道等地下構筑物圍巖位移的變化范圍和松弛范圍，預測預報圍巖穩定性，為修改錨桿支護參數和隧道理論分析提供重要依據。操作要點1） 、根據隧道地質條件分析及現場地表踏勘情況，確定隧道深部位移觀測布設樁號，測試布設點的坐標，確定多點位移計監測深度。2） 、觀測采用數顯卡尺。每次觀測前后，在現場應對測量儀器進行檢查；長期測量時，應定期進行率定，以保證儀器的測試精度。3） 、每次量測數據時，應重復測讀二次以上，并取其中二次接近值的平均值作為正式讀數，記錄在表內。4） 、觀測間隔時間：安裝埋設后30d之內，每天測讀l?2次；第1?3個月每2d測讀1次；3個月以后，每周測讀1?2次。若設計有特殊要求，則可按設計要求進行。5.2.6冬季防寒保溫施工技術寒區冬季寒冷而漫長，為確保工期，必須進行冬季施工，因此冬季施工是嚴寒地區隧道施工的關鍵技術。1、 隧道內加熱防護措施1） 、隧道洞門防護洞口做兩道防寒門，第一道門距洞口10米，兩道防寒門間距15米，采用中80鋼管搭設，雙面用保溫棉布封閉，通道用棉布簾作拉門，設專人看護。在兩扇門之間加設自制鋼管式暖氣片一組，采用熱水鍋爐加熱，以抵御寒氣，提高洞內溫度。為了解決隧道內的通風問題，在第二道防寒門上設一臺28kW的吸出式通風機，用通風筒將洞內的煙塵有害氣體排出。2） 、隧道內溫度與濕度監測由工地氣象觀測小組每日定時觀測洞內溫度與濕度，并根據結果給洞內加熱或灑水，以滿足混凝土施工作業要求。溫度測試：對洞內的溫度定期測試，保證洞內的溫度在10°C以上，并根據溫度調整供暖時間。2、 噴射混凝土冬季施工措施施工前期洞內噴射混凝土采用洞外骨料加溫，洞內加熱熱水噴射的方法。骨料加熱至15-20C，水加熱至50-60C，以保證噴射溫度不低于10C。后期隨著施工的進行，洞內具有較富裕的空間后，將攪拌機設在洞內，噴射混凝土砂石料放在同側，在洞內保溫攪拌，砂石料及水泥按計劃需求提前進洞，提前預溫，施工用水直接從熱水鍋爐中取用，最終保證噴射混凝土的噴射溫度及養護溫度不低于10C。3、 襯砌混凝土冬季施工措施二次襯砌混凝土冬季施工重點控制混凝土出倉溫度不低于30C、混凝土入模溫度不低于5C、混凝土養護溫度不低于10C，以保證混凝土質量。采用骨料預溫，保暖拌制運輸，洞內加熱的方案實施。骨料預溫在砂石料暖房內進行，采用蒸汽加熱，加熱后骨料溫度不低于30C，拌和用水由蒸汽管通入水池直接加熱，溫度60-70C；混凝土運輸時在車上覆蓋保溫被，并盡量縮短運輸時間，減少熱量損失。4、 鋼筋及鋼拱架加工初期支護鋼筋網片及工字鋼拱架全部在暖棚內加工，以保證加工焊接質量，二次襯砌的鋼筋在洞內現場綁扎，焊接。5、 施工通風隧道施工通風技術水平直接影響隧道施工進度。特別是在冬季施工中，因保溫門的阻隔，洞內掌子面施工空氣質量很差，基于隧道全隧淺埋的特點，采用“壓入式通風和豎向通風孔"聯合通風方式，改變了冬季施工掌子面環境差的狀況，節省施工通風成本開支，洞內煙塵的排放，又節省電費和機械使用費。操作要點：1） 、通風孔采用獲得專利的隧道通風孔沖擊鉆機施工，孔徑以50?60cm為宜；2） 、為保證通風效果，通風孔沿隧道走向在隧道拱頂打設；3） 、通風孔施工必須與隧道走向垂直，間距控制在30?40m；4） 、地表通風孔做好標示保護工作，防止堵塞；5） 、支護時做好通風孔的預留，在襯砌施工時必須做好封堵，防止襯砌滲水；6） 、洞外通風機使用頻率及時間根據洞內煙塵大小靈活控制。6、 可移動式螺桿式空氣壓縮機應用隧道噴射混凝土和錨桿施工需要空壓機提供動力，隧道施工常規作法是在洞口建立統一空壓機供風站進行施工供風，對建于嚴寒地區的隧道而言，因冬季寒冷而漫長，水冷空壓機需要建立廠棚且采取采暖保溫措施，運營投入較大且工作效率季節影響大。采用風冷的螺桿式空氣壓縮機，安裝在移動平臺上，隨掌子面的施工向前移動。該方法有效利用了隧道冬季洞內溫度高好保溫的特點。且螺桿式空壓機具有工作可靠性高、運行平穩、噪聲低、對周圍環境污染小、無基礎、操作簡單、維修方便等特點，因此適用于寒冷地區隧道的冬季施工。材料與設備主要材料見表6-1，主要機具設備見表6-2。

表6-1主要材料表序號材料名稱規格單位數量備注1超前小導管650m每根長度5.0m2鎖腳錨管。42m每根長度6.0m3工字鋼I20a/I18Kg不同圍巖級別選用4縱向連接鋼筋022Kg采用“”形5鋼筋網68Kg間距20X20cm,雙層設置6鋼纖維d=0.55mml=35mmKg抗拉強度大于1100MPa7拱腳支墊l=40cm,h=20cm塊采用枕木或工字鋼表6-2主要施工機具設備配置表序號作業項目機具設備名稱規格型號單位數量用途1開挖電動壓風機12/20m3臺2高壓供風雙液注漿機KBY30/120臺1注漿風鎬G10臺4修邊風槍YT-28臺8超前支護，鎖腳錨管挖掘機現代150臺1開挖、裝碴自卸車20t輛4出碴裝載機小松WA470輛12初期支護鋼筋切斷機QJ40—1臺1鋼筋折彎機40臺1電焊機BX—300臺5鋼架、鎖腳錨管加工焊接電焊機BX—400臺2攪拌機JS750臺2混凝土噴射機臺33測量及監測儀器全站儀徠卡臺1水準儀臺2塔尺個2收斂儀SWJ-W臺14通風設備軸流通風機2X55kw臺1隧道專用變極多速隧道通風孔沖擊鉆機套1豎向排風孔成孔質量控制7.1隧道施工嚴格執行《公路工程技術標準》（JTJ001-97）、《公路隧道通風照明技術規范》（JTJ026.1-1999）、《公路隧道施工技術規范》（JTJ042—94）和《公路工程質量檢驗評定標準》（JTGF80/1-2004）,做到規范操作。7.2嚴格控制超挖，杜絕欠挖（拱腳、墻腳以上lm內嚴禁欠挖），開挖輪廓預留支撐沉落量及變形量，并利用量測反饋信息進行及時調整。洞身開挖實測項目見表7.2。表7.2洞身開挖實測項目檢查項目規定值或允許偏差檢查方法和頻率1拱部超挖（mm）破碎巖，土（1、11類圍巖）平均100，150最大水準儀或斷面儀，每20m一個斷面中硬巖、軟巖（in、w、v類圍巖）平均100，250最大硬巖（巧類圍巖）平均100，200最大2邊墻寬度每側+100，-0尺量，每20m檢查一(mm)全寬+200，-0處3邊墻、仰拱、隧底超挖（mm）平均100水準儀，每20m檢查3處7.3拱腳支墊必須密實；拱架縱向連接筋必須在拱架內外緣交錯滿焊；鎖腳錨管的材質、類型、規格、數量、質量和性能必須符合設計的要求，頂入孔內的長度不得短于設計長度的95%,錨管下插角控制在5?10。之間，錨管固定焊接螺紋鋼筋每根長度為40cm，必須對拱架及鎖腳錨管接觸部位完全滿焊。7.4嚴格控制核心土、上下臺階開挖高度，上臺階高度控制在4.0m，下臺階控制在3.0m，這樣可以便于挖掘機作業，同時防止掉土滑塌；下臺階在上臺階噴射混凝土達到設計強度70%以上且完成鎖腳錨管時開挖。下臺階開挖時左右兩邊錯開距離1?2m，嚴禁一根拱架兩拱腳同時懸空；噴射混凝土的強度、厚度必須滿足設計要求，同時噴層無空洞，無雜物。（鋼纖維）噴射混凝土支護實測項目見表7.4。表7.4（鋼纖維）噴射混凝土支護實測項目項次檢查項目規定值或允許偏差檢查方法和頻率1噴射混凝土強度在合格標準內按規范要求檢測

噴層厚度（mm）平均厚度N設計

厚度；檢查點的

60%N設計厚度；t小厚度噴層厚度（mm）平均厚度N設計

厚度；檢查點的

60%N設計厚度；t小厚度N0.5設計厚度，且N50空洞檢

測無空洞，無雜物鑿孔法或雷達檢測

儀，每10m檢查一一

個斷面，每個斷面

從拱頂中線起每3m

檢查1點鑿孔法或雷達檢測

儀，每10m檢查一

個斷面，每個斷面

從拱頂中線起每3m

檢查1點安全措施8.1本工法除嚴格遵循《中華人民共和國安全生產法》、《建設工程安全生產管理條例》、《施工現場臨時用電安全技術規范》JGJ6-88、《建筑機械使用安全技術規程》（JGJ6-86）和《建筑安裝工人安全技術操作規程》的規定要求執行外，還應根據各施工工序注意事項，制定具體的專項安全技術措施和安全預案。8.2加強崗前安全教育及培訓，做好安全警示標志的設置，并對危險源進行辨識和公告，提高全體操作人員安全意識。危險源辨識及措施見表8.2。表8.2危險源辨識及措施表編號危險源部位環節位置可能發生事故防護措施責任單位1隧道施工開挖掌子面坍塌、人員傷亡按設計要求支護施工掘進工班支護工班噴錨工班出渣工班鋼筋工班襯砌工班2拱架支護掌子面坍塌、人員傷亡按技術交底進行施工3二次襯砌開挖與襯砌距離坍塌、人員傷亡按方案確定的距離施工4通風洞內職業病按規定要求及時通風5施工用電洞內觸電、傷人按安全技術交底用電作業6出渣作業洞內交通事故警示、加強管理、技術交底7電氣焊作業洞內火災、爆炸按安全技術交底施工8二次襯砌臺車、鋼筋平臺高墜、物體打擊警示、加強管理、技術交底8.3實施動態安全管理，設置專職安全員對各作業工序進行巡視，當發現初期支護有裂縫時，及時通知安全總監，停止掌子面作業，增加監控量測頻率，對裂縫原因進行分析，采取設置橫向工字鋼支撐、設置臨時仰拱和仰拱跟進封閉等措施排除險情，在量測顯示穩定后再進行掌子面作業。8.4嚴格執行進出洞人員翻牌登記制度，確保施工人員與登記人員完全對應。8.5加強監控量測，及時反饋監測信息，便于開挖方法和支護參數進行調整，以確保施工安全。環保措施9.1通過風量計算，選用具有高效率、低噪音、節能耗和易維修等特點的隧道施工專用軸流通風機，合理選擇通風方式和風管直徑。9.2及時對路面散落泥土進行清理，并設置專人對路面進行灑水降塵。9.3空氣壓縮機、通風機安