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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
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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。
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测量放样 超前支护（小导管、管棚） 上部弧形导坑开挖，施做初期支护 开挖上台阶预留核心土 左右错开开挖中台阶，施做初期支护 监控量测，围岩稳定性评价，修正支护参数 左右错开开挖下台阶，施做初期支护 开挖下台阶预留核心土 分段开挖隧底，施做初期支护 施做仰拱 施做仰拱填充 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
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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。 2(1)5(4)(3)(6)7(8)9(12)(10)11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。(13)14
弧形导坑三台阶法施工工序横断面示意图第六步：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。
图2 开挖施工步骤图
第八步：开挖（13）部,初喷砼，安装（13）部钢架，喷砼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
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）,
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