三台阶七步开挖法在隧道穿越断层破碎带时的应用

摘要：穿过隧道的断层及破碎带，给隧道施工带来很大的困难，本文重点介绍了三台阶七步开挖法在穿越隧道断层破碎带时的工艺原理、工艺流程及其操作要点。施工实践证明，该开挖法在隧道穿越断层破碎带时可行，对类似工程具有很好的借鉴意义。

Abstract: through the tunnel to the faults and fracture zones, has caused great difficulties to the tunnel construction, this paper focuses on the three step and seven step excavation method of crushing process principle, belt in tunnel across fault technological process and operation points. Construction practice proves, the excavation method in tunnel crossing fault fracture zone is feasible, has the very good reference for the similar engineering.

关键词：断层 破碎带 三台阶七步开挖法

Keywords: take three step and seven step excavation method fault

TU74

1.工程概况

昆阳至玉溪铁路扩能改造工程二标段观音寺2号隧道全长1775米，多处受到断层破碎带影响，进口工区穿越观音寺断层，观音寺断层走向N360W，倾角SW 700与线路相交，带宽约100米，破碎带主要为断层角砾，胶结较差，其工程性能差，隧道施工过程中可能受突水、涌泥及洞顶坍塌、掉块甚至塌陷的危险。施工中采用三台阶七步开挖法顺利通过了观音寺断层。

2．工艺原理

按照“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”的十八字原则采取三台阶七步开挖法，有利于开挖工作面稳定，当围岩变形过大或突变时，可尽快调整闭合时间；配合小导管注浆预固结+全环钢拱架+挂网喷锚的联合支护复合衬砌处理方法，在围岩内部形成一个比较完整的承载体,从而保持围岩的稳定，结合防排水处理，减少对隧道的危害。

3.施工操作要点

3.1超前地质预报方法

（1）综合地质法

①地质调查法，充分利用洞室的掌子面与侧壁，主要进行地层岩性特征、断层破碎带以及影响带、裂隙密集发育带与构造挤压破碎带、软弱夹层带、岩性突变与底层界线等的产状、性质及发育程度、岩体破碎程度与充填情况、涌水突泥、塌方冒顶与围岩变形的部位、特征、方式与规模及其随时间的变化特征等的详细量测和地质素描，并绘制施工实时的地质图，在此基础上，对掌子面前方5~10m的地质条件进行预测预报。

②洞内涌突水的实时监测，洞室各涌突水点（掌子面钻孔、炮眼、岩溶管道涌水）的实时监测。监测内容包括：各涌水点的水温、水量、水压、水质等，各涌突水点位置、地层岩性、裂隙与岩溶发育特征等；洞室洞身涌水动态检测。监测内容包括：涌水点地质档案，涌水点空间分布、单点涌水量及其动态、涌出机制等。采取多种方法综合分析，对掌子面前方进行宏观预测预报。

（2）物探法

采用IDS地质雷达设备，点距0.1m，每道1024采样点，进行超前预报，利用发射天线向地下介质发射光谱、高频电磁波，当电磁波遇到电性差异界面时将发生透射、折射和反射现象，同时介质对传播的电磁波也会吸收滤波和散射作用。用接受天线接收并记录来自地下的反射波，采用相应的处理软件进行数据处理，然后根据处理后的数据图像结合工程地质及地球物理特性进行推断解释，对掌子面前方围岩性质、地质结构构造、围岩完整性、地下水和溶洞等情况进行预测，提供参考，提早为隧道开挖准备提供条件。

（3）超前钻探法：

超前探测30m，每循环搭接5m，验证中近距离物探超前探测的异常地段和排水降水。孔径为φ89m，开挖25m，采用钻孔台车钻孔，隧道断面设6个超前探孔，探孔终孔超出开挖轮廓线500~800cm。如图

3.2三台阶七步开挖法

通过超前地质预报，认真分析地质资料，查明断层的倾角，走向、破碎带的宽度，岩石破碎程度，地下水活动等有关有关条件，确定施工方法和制定施工措施。为了适应地质条件变化、保证开挖面工作稳定，同时确保安全和净空要求，采用三台阶七步开挖法。

（1）三台阶七步开挖法工艺：分七个开挖面，以前后七个不同的位置相互错开同时开挖，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。如下图

①第1部分开挖步骤：通过超前地质预报，确定围岩情况后，利用上一循环架立的钢架施作隧道超前支护；弱爆破开挖1部分，同时，每进尺1.2m～2m,Ⅴ级围岩地段掌子面喷5cm厚混凝土封闭；立即施工1部分初期支护，初喷砼4cm并架立钢架，用锁脚钢管固定；在钻设系统锚杆后进行复喷作业，使初支砼达到设计厚度。

②第2、3部分开挖步骤：在1部分完成一段距离后，弱爆破左右交错开挖2、3部部分；导坑周边部分初喷4cm厚混凝土，用锁脚钢管固定；在钻设系统锚杆后进行复喷作业，使初支砼达到设计厚度。

③第4、5部分开挖步骤：在3部分一段距离后，弱爆破左右交错开挖4、5部分；导坑周边部分初喷4cm厚混凝土，用锁脚钢管固定；在钻设系统锚杆后进行复喷作业，使初支砼达到设计厚度。

④第6部分开挖：如图所示，对第6部分分台阶。

⑤第7部分开挖：最后开挖第7部分，开挖后立即施作隧底周边部分混凝土及钢架，并复喷混凝土至设计厚度。

⑥浇筑仰拱及隧底填充（仰拱及隧底填充应分次施工）。及时做好监控量测结果分析，待初期支护收敛后，利用衬砌模板台车一次性浇筑二次衬砌（拱墙衬砌一次施作）。

（2）关键技术及操作方法

①小导管施工：当断层宽度大，岩体极破碎时，采用注浆小导管和钢架超前支护，小导管全部采用φ42钢花管，长3.5m,厚3.5mm的热轧无缝钢管，环向间距0.4m，拱部设置，纵向间距2m。钢花管上钻注浆孔，孔径6~8mm，孔间距10~20cm，呈梅花型布置，尾部留长度100cm段作为不钻孔的止浆带。小导管注浆采用水泥砂浆，水泥浆液水灰比1：1，注浆压力0.5~2MPa,采用注浆机将砂浆注入小导管钢管内，初压0.5~1.0MPa，终压2MPa，持压15min后停止注浆。注浆量应满足要求，一般为钻孔圆柱体的1.5倍。

在小导管支护下，进行开挖，在做好开挖部分的锚、网、喷、钢架等到初期支护后，进行其他部分开挖。

开挖工作面后,将开挖轮廓扩大30cm～50cm,长度不小于5m作工作室以便于施作小导管――>在开挖工作后面约2m范围内,安设3榀钢拱架紧抵掌子面,注意钢拱架应按线路中线、纵坡加小导管设计的外插角设置――>在钢拱架上精确测放出每根小导管的位置，并用 Ω型钢筋将孔口管焊在钢拱架上,保证孔口管轴线与小导管设计轴线一致立模灌注砼套拱,将钢拱架孔口管埋于砼内,使钢拱架孔口管在钢管钻进――>过程中不变形走位,确保小导管轴线正确――>采用跟管钻机钻进和带入钢管,在钻进过程中,必须用测斜仪经常检测,严格控制小导管轴线――>联接管路密封孔口――>压水检查――>压注浆液达到设计压力和流量――>开挖后按设计间距及时设立钢架。

钻孔时，需搭钻孔平台安装钻机，钻机平台用钢管脚手架搭设，搭设平台一次性搭好，钻孔由1~2台钻机由高孔位向低孔位进行，

②开挖施工和初期支护：三台阶七步开挖法的初期支护由喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢架等组成，各部分联合受力，初期支护应在开挖后立即施作，以保护围岩自然承载力。工序为：开挖――清理岩面――初喷砼封闭岩面――施作系统锚杆，挂钢筋网――安装钢架――复喷砼至设计厚度――量测数据分析、反馈。

1）初喷砼封闭岩面：初喷应在开挖后立即进行，用高压风自上而下吹净岩面，埋设控制喷射砼厚度的标志钉，初喷作业分段分片依次进行，喷头应与受喷面垂直，喷嘴口至受喷面距离包车在1~2m，沿水平方向以螺旋形画线移动。

2）系统锚杆、钢筋网施工：初喷后立即施作锚杆和钢筋网，钢筋网采用φ8HPB235钢筋制作，网格尺寸采用20cm ×20cm，搭接长度为1~2个网格，网片间采用焊接方式链接。

3）安装钢架：拱部安装工序为，放样确定钢架基脚位置――施作定位锚杆――架设钢架――布设纵向连接筋；墙部单元安装工序为，墙角部位铺设槽钢垫板――施作定位锚杆――对应拱部单元架设墙部钢架单元――布设纵向链接筋。施工时应加强钢架锁脚锚杆施工，各个台阶每单元钢架拱脚以上30cm高处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30度打设4根或4根以上锁脚锚杆。锁角锚杆直径不小于22mm，长度不小于4.0m，以控制基脚变形。

4）复喷混凝土：复喷分层进行，每层厚度5~6cm。喷射砼表面平顺，无空鼓、无裂缝、平整度满足要求。

5）隧底开挖后，及时清除虚碴、杂物、积水等，立即初喷以封闭岩面，安装仰拱拱架，复喷至设计厚度，使初期支护及时封闭成环。仰拱应超前拱墙衬砌，每循环浇注长度为4~6m，采用分段全幅浇筑，一次成型，不留纵向施工缝。

③断层破碎带治水防水措施：主要采用隧道固结注浆，以堵为主，排堵结合。施工过程中加强超前地质预报，尤其要加强中近距离超前钻探，根据预报成果确定注浆方案：以局部预注浆为主，辅以开挖后径向注浆、局部补注浆。首先在开挖线外5m范围，全断面径向注浆，然后根据局部岩溶发育情况及开挖后地下水渗流状态分别用超前局部注浆、开挖后局部注浆的方法，最后根据实际情况选择上述一种或多种进行补充注浆。施工前根据试验确定注浆压力与扩散半径关系，注浆压力=水压力P水+2MPa，扩散半径不小于2m；开挖后径向注浆，注浆孔孔口间距按2.4m控制，纵向间距2.4m，呈梅花型布置；

注浆材料采用纯水泥浆（必要时采用TGRM浆液或双浆液），水灰比0.5：1~0.8：1。

在初期支护和二次衬砌之间均铺EVA防水板+土工布防水处理，为防止断层破碎带分界处隧底基础软硬不均引起不均匀沉降，在隧道破碎带分界处设置变形缝，使用钢边橡胶止水带和外贴式橡胶止水带，内缘采用双组份聚硫密封膏嵌缝，其余空隙采用聚苯板回填密封。在铺砌背后出水点拱墙处设置环向φ50透水管，并在两侧墙角各设置一根φ80纵向透水盲管，每隔8~12m将地下水引入洞内侧沟，起到良好的防排水效果。

④隧道断层破碎带监控量测：采用精密水准仪、全站仪、鉴定钢尺和SL-2型便携式钢尺收敛计等精密测量手段对隧道进行监控量测工作，并辅以压力盒、钢结构应变计、锚杆拉拔等选择项目。检测项目主要有周边收敛监测、拱顶下沉监测、钢支撑应变量测等，确保围岩、支护稳定性。

4.施工工艺流程

三台阶七步开挖法施工工艺流程如下：

5.劳动力与机械配置

隧道施工劳动力组织表

机械设备配置表

6.安全、质量控制措施

1.在接近断层破碎带时,认真作好超前地质探测工作。

2.每次开挖后做好开挖工作后的地质素描记录,记录工作面的地质构造,岩石挤压破碎程度,裂隙充填物情况,地下水活动情况等。

3.加强监控量测,根据水平收敛和拱顶下沉,以便及时采取措施,修改支护参数,加强支护等措施,确保质量和安全。

4.开挖方式均采用弱爆破或人工开挖。爆破时严格控制炮眼深度及装药量。

5.导坑开挖孔径及台阶高度可根据施工机具、人员等安排进行适当调整。

6.各步开挖循环进尺1.2～2.0m。预留核心土的长度在3m～5m。

7.三台阶七步开挖时，做好工序衔接。工序安排应紧促，尽量减少围岩爆破时间，避免因长时间暴漏引起围岩失稳。初期支护应及时封闭成环，仰拱应施作，仰拱距上台阶开挖工作面控制在35m以内。铺设防水板、二次衬砌等后续工作应及时进行。

8.严格控制开挖长度，根据围岩地质情况，合理确定循环进尺，每次开挖长度不得超过0.5m（一榀钢架间距）；开挖后立即初喷3~5cm砼，减少围岩暴漏时间。

9.完善洞内防排水系统，严禁积水浸泡拱墙脚及在施工现场漫流，防止基底承载力降低。确保施工顺利进行。

10.建立健全安全检查制度。定期召开安全例会，会前布置，会后检查落实，及时发现隐患，做到超前控制。加强监督检查，发现隐患及时处理。

11.洞内施工中，严格执行有关规范和工艺操作要求，密切注意监视隧道施工中可能出现的险情。钻爆作业严格按操作规程进行。

7.结束语

三台阶七步开挖法能迅速及时地建造拱部初期支护，并能充分利用核心土的支撑作用，开挖面稳定性较好，易于控制大的坍塌；核心土和下部开挖是在拱部初期支护保护下进行的，施工安全性好；多作业面分台阶平行作业，作业空间大，工序简洁，工效高，循环时间短，开挖、支护、拱架加工等不同工班间易于配合的形成流水作业，施工进度快。与传统CRD工法相比较，三台阶七步开挖工法避免了CRD工法临时支撑多，工序繁杂，上道工序对下道工序的制约较多，不同分部间干扰较大，不利于现场施作和执行，临时支撑耗费材料多，其拆除既费时又不利于隧道的稳定等不足之处，在隧道穿越断层破碎带以及软弱围岩施工中有着广阔的应用前景。

参考文献：

[1]王梦恕．中国隧道及地下工程修建技术．人民交通出版社．2010．

[2]中铁一局集团有限公司.铁路隧道工程施工技术指南.中国铁道出版社.2008.

[3]中铁十二局集团有限公司.铁路大断面隧道三台阶七步开挖法施工作业指南.中国铁道出版社.2007.