隧道浅埋暗挖台阶法施工工艺工法

1 前言

1.1工艺工法概况

浅埋暗挖台阶法是指在软弱围岩地层中，以改造地质条件为前提，以控制地表沉降为重点，以格栅（或其他钢结构）和锚喷作为初期支护手段，遵循“新奥法”大部分原理，按照“十八字”原则（管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测）在距离地表较近的地下进行各种类型地下洞室暗挖施工的一种方法，其埋深小于洞宽的两倍左右。继1984年王梦恕院士在军都山隧道黄土段试验成功的基础上，又于1986年在具有开拓性、风险性、复杂性的北京复兴门地铁折返线工程中应用，在拆迁少、不扰民、不破坏环境下获得成功。同时，结合中国特点及水文地质系统，创造了小导管超前支护技术、8字型网构钢拱架设计、制造技术、正台阶环形开挖留核心土施工技术和变位进行反分析计算的方法，提出了“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”18字方针，突出时空效应对防塌的重要作用，提出在软弱地层快速施工的理念。由此形成了浅埋暗挖台阶法，创立了适用于软弱地层的地下工程设计、施工方法。

1.2工艺原理

浅埋暗挖法沿用新奥法(New Austrian Tunneling Method)基本原理，初次支护按承担全部基本荷载设计，二次模筑衬砌作为安全储备；初次支护和二次衬砌共同承担特殊荷载。应用浅埋暗挖法设计、施工时，同时采用多种辅助工法，超前支护，改善加固围岩，调动部

分围岩的自承能力；并采用不同的开挖方法及时支护、封闭成环，使其与围岩共同作用形成联合支护体系；在施工过程中应用监控量测、信息反馈和优化设计，实现不塌方、少沉降、安全施工等，并形成多种综合配套技术。

2 工艺工法特点

2.1浅埋暗挖法施工拆迁占地少，不扰民，不干扰交通，节省大量拆迁投资。

2.2工法单一，工序转换少，不需要太多专业设备，灵活方便。 2.3适用于不同地层，不同跨度，多种断面形式。 3 适用范围

本工艺工法大多用于第四纪软弱地层的地下工程，围岩自承能力很差，为控制地表沉降，初期支护刚度要大、要及时。

4 主要引用标准

4.1《地铁设计规范》（GB50157）

4.2《地下铁道工程施工及验收规范》（GB50299） 4.3《喷射混凝土加固技术规程》（CECS161） 4.4《地铁工程监控量测技术规程》（DB11/490） 4.5《铁路隧道施工规范》（TB10204） 5 施工方法

台阶法施工方法为：采用人工开挖，先开挖上台阶，开挖前在隧道拱顶范围内打设超前小导管，并注浆加固土体，顺着拱外弧线进行环状开挖并留核心土，控制开挖步距0.5～0.75m，架设钢格栅并喷射

混凝土及时封闭土体。上下台阶步距3.5～5m，下台阶及时跟进，使初支钢格栅及早封闭成环，减小地层沉降。

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。

超前小导管施工 上台阶开挖 上台阶支护 开挖核心土 下台阶开挖 监控量测 数据处理 信息反馈 防水层施工 衬砌施工 图1台阶法施工工艺流程 下台阶支护 基面处理 1.锚杆、钢筋网准备 2.钢架准备 3.喷砼准备 1.小导管准备 2.浆液配制，注浆 1.锚杆、钢筋网准备 2.钢架准备 3.喷砼准备 图2 开挖步骤图

6.2施工准备

6.2.1施工前组织技术员对图纸进行审核，提前找出图纸有误的地方进行修正。 6.2.2编制专项施工方案，编写作业指导书，做好技术交底，有

效指导施工。

6.2.3成立测量小组，对线路坐标进行核算，制定放样方案，做好测量放样工作。

6.2.4场地规划合理，对公共区地面进行硬化，砂、石、水泥有专门的库房存放，钢筋加工区范围明确，生活生产区域分开。

6.2.5施工区域水、电接引到位，满足施工需求。 6.2.6组织施工人员，进行生产前安全、技术培训。 6.2.7施工机具进场报验，经过检修能够正常投入生产。 6.3操作要点 6.3.1施工步序 1.超前小导管施工

施工前进行测量放样，在设计孔位位置上点上标记，然后将小导管打入标记点位；在注浆前先将工作面封闭，以防漏浆。浆液根据地层情况选择，砂层考虑采用水玻璃化学浆液注浆加固，砂卵层考虑采用双液浆注浆加固，注浆应严格控制注浆压力，压力控制在0.4～0.6Mpa保证注浆效果。注浆顺序由下向上进行，浆液可用拌合机搅拌。

2.上台阶土方开挖及支护

1）土方开挖采用人工开挖，注浆加固完成后，顺着拱外弧线用人工进行环状开挖并留核心土，每循环开挖进尺为一榀拱架间距，立即喷射混凝土，保持掌子面土体的稳定，尽可能减少对拱部开挖土体的扰动。

2）施工中严格控制开挖进尺，杜绝超挖现象。用多台激光指向

仪控制开挖中线及水平，确保开挖断面圆顺，开挖轮廓线充分考虑施工误差、预留变形和超挖等因素的影响。

3）在开挖过程中，可能出现在隧道轮廓线位置出现漂石或大粒径卵石的情况，在处理此类土体时，将漂石或大粒径卵石从洞内取出，必将出现超挖现象，因此，在施工过程中，取出此类石块时，应立即架设拱架，回填并注浆加固，防止土层出现塌方。

4）开挖过程中加强监控量测，当发现拱顶、拱脚和边墙位移速率值超过设计允许值或出现突变时，应及时采取加固措施或改变施工方法和支护参数。

3.上台阶支护

开挖尺寸满足要求后，立即架立拱架，并挂网喷射混凝土及时封闭。

1）严格控制拱架架设的位置：马头门进正洞前2m范围土应力相对较大，此范围拱架可加密布置，其余部位依据设计间距安装，架设里程偏差控制在±30mm，竖向、横向偏差控制在±15mm；

2）拱架各单元构件间连接螺栓垫片齐全，连接牢固可靠，并用相同主筋直径的钢筋辅助焊接，采用单面焊接形式，焊接长度不小于10d；

3）纵向拱架间连接设置联结筋，连接筋的规格与环向间距由设计确定，。联结筋与上循环拱架间采用单面搭接焊的连接形式；

4）拱架间土体采用钢筋网片封闭，网片间搭接长度不小于1个网格，且允许偏差控制在±25mm；

5）上台阶两侧拱脚超挖部分，用钢板或方木垫实； 6）在上台阶每榀拱架拱脚处打设锁脚锚管，并压注水泥浆。 7）拱架架设完成之后，即可进行喷射混凝土施工，锚喷现场必须采取防尘措施，减轻粉尘对环境的污染；严格按照锚喷操作规程，控制回弹量；喷射混凝土表面应密实、平整，无裂缝、脱落、漏喷、空鼓等现象，低凹处矢弦比不大于1/10。

4.开挖核心土及下台阶土方

上台阶支护完成之后，即可对核心土及下台阶土方进行开挖，每循环进尺同上台阶，由技术员控制拱底标高，避免出现超挖现象。

5.下台阶支护

土方开挖到位后，即可进行下台阶拱架安装，上拱架与下拱架连接紧密，连接板之间不应留有空隙，连接螺栓必须全部安装并拧紧，保证整个拱架封闭成环后的承载强度。拱架安装完成后即可喷射混凝土尽早封闭土体，并进行下一循环的工作。

6.基面处理

未挂设防水层前由测量技术人员进行断面检查，如果有欠挖则需处理，处理欠挖完毕后进行防水基面处理：切除超前小导管、锚杆、钢筋头等，基面严重不平整的要进行混凝土的复喷，经监理工程师查验合格后，就可以开始铺设防水层的工作。

7.防水层施工

防水层的施工可根据现场实际情况，合理安排防水的施工进度，防水层的施工必须依照防水材料类型所规定的施工做法进行，搭接长

度及接头处理满足规范要求，防水施工完成后做好成品保护，避免在二次衬砌施工时对防水层的破坏，导致结构完成后出现渗漏现象。

8.二次衬砌施工

钢筋绑扎之前由测量人员进行中线定位测量，按照中线位置编排钢筋骨架，先施工下拱，后施工上拱。混凝土浇筑必须保证连续性，浇筑速率宜保持每小时8方左右，及时跟进振捣，保证混凝土的浇筑质量。

6.3.2监控量测

表1 主要监测项目 序号 1 2 监测项目 洞内、外观察 隧道周围地表沉降 净空变化 拱顶 下沉 地下 水位 监测仪表 现场 巡视 测点间距 随时进行 测试精度 1mm 距开挖面远近的量测时间间隔 0～5m 5～15m 15～30m ＞30m 12h 1d 3d 7d 隧道中心测水准仪 点 纵向步距≤15m 收敛计 水准仪 水位管 水位仪 纵向步距≤15m 纵向步距≤15m 3 4 5 0.1mm 1mm 5mm 12h 12h 12h 1d 1d 1d 2d 2d 2d 5d 5d 5d 7劳动力组织

根据现场施工要求，在每个工作面施工时，人员配备情况见下表：

表2 人员配备表 序号 1 2 3 4 5 工种 管理人员 钢筋加工班 衬砌班 开挖支护班 防水班 人数 5 10 8 24（两班） 6 备注 现场管理、技术 所有钢构件（包括钢格栅）的加工 拆、立模、台车滑移，接拆砼泵、砼浇筑 正洞土方开挖及洞内运输、超前支护、格栅安装、初支喷锚等 二衬外包防水施工 6 7 8 9 注浆班 后勤人员 专职安全员 特种作业人员 7 10 2 16 初支背后注浆及二衬拱背回填 物资、食堂、文明施工 施工现场安全工作管理 龙门架、场内机动车司机，电气焊工

8 主要机具设备

表3 设备配置表 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 作业名称 渣土、建材垂直提升 超前导管打设 初支砼网喷 施工及生活用电 拌制初支砼 渣土装车 初支及二衬钢筋安装 初支及二衬钢筋加工 初支及二衬钢筋加工 超前支护，初支背后注浆及二衬拱背回填 洞内排水 洞内出渣 洞内通风、排烟 材料倒运 土方外运 场内材料装卸 二衬砼浇筑 机具设备名称 竖井提升架 电动空压机 电动空压机 静音发电机 强制搅拌机 装载机 电焊机 钢筋切断机 钢筋弯曲机 双液注浆泵 潜水泵 农用小翻斗 通风机 材料运输车 自卸汽车 汽车吊 汽车泵 规格/型号 2-10T 18m3/min 22m3/min 300KW js-350 ZL-50 BX3-500 GQ-40 2TGZ60/120 QW-180 1m 60m/s 10吨 10～15t 25T 90型 33单位 数量 套 台 台 台 台 辆 套 台 台 套 套 辆 台 辆 辆 辆 辆 1 1 1 1 2 1 3 2 1 2 1 2 1 2 6 2 1 备注 双葫芦 单作业面 单作业面 单作业面 单作业面 单作业面 9质量控制

9.1易出现的质量问题

9.1.1隧道标高或边拱出现偏差，在开挖过程中由于操作误差或偶然性的破坏，导致控制点出现偏差。

9.1.2钢格栅加工质量差，格栅连接不符合设计要求，影响格栅整体受力，在地质条件差的地层中极易出现塌方现象。

9.1.3二衬施工钢筋绑扎对外包防水的破坏，导致二衬混凝土浇筑后，结构出现漏水现象。

9.1.4二衬钢筋间距不符合设计要求，钢筋连接达不到规范要求。 9.1.5砼浇筑不连续而产生冷缝；浇筑过程振捣不及时，导致砼强度不够。

9.2保证措施

9.2.1严格按照施工工艺标准施工。测量放线完成后，应对现场技术员及工班长及时进行交底，并对控制点做好明显标记以及保护措施。

9.2.2钢格栅在加工场加工时，由技术员对模具进行放样，加工好的钢格栅在加工场进行试拼，沿隧道周边轮廓误差为±3cm，平向翘曲小于2cm，误差太大或焊接质量达不到要求的钢架严禁使用。

9.2.3施工二衬钢筋前，必须先做好防水保护层的施工，焊接施工时，应对焊点位置的防水层与钢筋之间安放保护板以防烧伤，对已破坏的点位及时修复。

9.2.4钢筋绑扎过程中，现场技术员以及工班长应不定时进行检验，对不符合要求的部位责令整改。

9.2.5混凝土浇筑前，应对设备进行全面的检查，并配备一套备用设备，出现堵管或机械损坏的情况时，能及时更换，排除故障，保证混凝土的浇筑质量。

10安全措施

10.1主要安全风险分析

10.1.1施工过程中常常能遇见地质条件极差的松散地层，极易塌方。

10.1.2在隧道开挖面上部地层中可能存在水囊等地下水状况，一经扰动立刻成为危险的发生源，致使塌方并隧道透水。

10.1.3施工期间容易发生气体中毒或缺氧窒息的情况发生。 10.2保证措施

10.2.1加强打设超前小导管注浆加固土体的质量，通过对浆液配比及注浆压力的调整，确保对土体的加固效果；适当缩短开挖步距，加密拱架，加快土体封闭速度，较少土体暴露时间。

10.2.2施工中发现掌子面土体含水量变化较大时，可加大超前小导管加固范围，改单排为双排，并更换浆液；对地下水采取引流措施，缩短开挖步距，加强初支。

10.2.3隧道贯通前，掌子面空气对流困难，随着掌子面的前进，隧道内的通风也需跟进加强，通风设计必须保证外部空气能送达贯通前的掌子面，使隧道内空气形成流动状态。

11环保措施

11.1施工现场根据业主的要求及北京市有关管理的规定设置围挡。围挡要整洁、美观、大方。为防止施工区内污水外流及基础的牢固，内设排水明沟。

11.2施工现场主要出入口设置大门，大门设置要简朴、规整、密闭，非车辆进出时间应关闭，实行封闭施工。

11.3对施工区内影响工程施工的市政管网和部分重要建筑物应采取保护措施，保护方法严格依照监理工程师批准的施工组织设计方案进行。

11.4施工现场严格按照施工现场平面布置图定位设置，做到图物相吻，同时根据工程进展，适时对施工现场进行整理和整顿，或进行必要的调整。

11.5施工场区的临时便道要进行硬化，其厚度和强度应满足施工和行车需要，在生活区的周围也应进行地面硬化，施工场区的出入口都应设置冲洗槽，确保施工车辆不污染城市道路。施工便道畅通无阻，并经常洒水，防止尘土飞扬，施工现场土仓用绿网进行覆盖。

11.6施工现场要布置整齐的北京市建设主管部门规定的“五牌一图”。

11.7施工现场设置连续、顺畅的排水系统，沟渠成网，经常检查，避免堵塞。施工及生活污水在流入城市管网前进行沉淀，净化处理，征得有关部门的同意并办理有关手续后方可排入。

11.8现场建筑材料的堆放，要按照平面图上设定的位置进行堆放。散体材料如砂石料要砌池筑围堆放，杆料要立杆设栏堆放；块料要堆起交错叠放高度不得超过1.6米,材料应码放整齐，做到横成排、竖成行。

11.9施工现场必须做到挂牌施工和管理人员佩卡上岗，井口设置人员上岗挂牌制。

建设效果及施工图片

图3 格栅钢架安装 图4 激光控制中线

图5 过风险源段深孔注浆 图6 过风险源段深孔注浆

图7 过风险源段自进式锚杆打设 图8 过风险源段自进式锚杆注浆