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3台阶法施工工艺
3-1-3台阶法开挖施工工艺
1前言
台阶法开挖法是隧道施工中采用最多的开挖方法,它不仅适用于地质条件较好的Ⅱ、Ⅲ级围岩,同时更适用于地质条件较差的Ⅳ、Ⅴ级围岩。
通常情况下,Ⅴ级围岩通过采取有效的辅助施工措施后(管棚、超前预注浆等),采取台阶法开挖是最为安全的。
台阶法还存在于各类主体施工方法(CD法、CRD法)中的分部开挖之中。
1.1 台阶开挖法定义
台阶法开挖是将隧道设计断面分成两次或三次开挖,其中上台阶超前一定距离后,上下台阶同时并进的施工方法。
1.1.1长台阶
上台阶超前50以上或大于5倍洞跨;
1.1.2短台阶
上台阶长度小于5倍但大于1-1.5倍洞跨;
1.1.3超短台阶
上台阶仅超前3-5m,断面闭合较快。
1.2工艺特点
地质条件较好时采取台阶法开挖,其对钻孔设备要求不高,通过普通凿岩机上下台阶同时钻孔和起爆,达到隧道同时开挖掘进的目的。
在同样的地质条件下,效率比全断面开挖略低,但设备投入不大。
地质条件较差时采取超短台阶法开挖,由于所采取的辅助施工措施而使得上下台阶施工干扰较大。
因此,施工中要解决好上下台阶施工干扰问题。
台阶法开挖时的爆破效果没有全断面法开挖容易控制。
1.3 适用范围
采用台阶法开挖,台阶长度必须根据隧道断面跨度、围岩地质条件、初期支护形成闭合断面的时间要求、上部施工所需空间大小等因素来确定,如围岩较差,台阶长度可缩短,宜为5m左右。
如采用三级台阶法,第一个台阶高度以控制在2.5m以下。
1.3.1长台阶法
适用于不影响工期、可进行单工序作业的短隧道施工;在长隧道施工中,如需分段贯通而调整隧道贯通误差时,也可采取该法施工。
1.3.2短台阶法
适用于无工期压力的Ⅳ、Ⅴ级围岩隧道。
由于该方法的上台阶施工干扰较大及整个隧道的生产效率极低,一般隧道施工不常采用。
1.3.3超短台阶法
适用于机械化程度不高的各类围岩地段。
1.4 开挖施工工艺
1.4.1工艺流程图
图1-1台阶法开挖施工流程图
1.4.2施工准备
(1)施工供风
当上、下台阶同时采用人工手风钻钻孔时,高压风量根据全部手风钻的用风量加砼喷射设备的用风量计算;当下台阶采用半断面液压凿岩台车钻孔时,空压机的数量可减少或者功率减小。
空压机、管线路布置等,与全断面开挖法相同。
(2)施工用水
同全断面开挖施工工艺。
(3)施工用电
同全断面开挖施工工艺。
2施工工序
2.1施工测量
当上一循环结束时,测量技术人员利用洞内中线、水平控制桩点,画出上、下台阶工作面开挖轮廓线,并初步标记出上下台阶主要钻孔位置。
2.2凿岩台车、钻机就位
根据工作面的开挖轮廓线把半断面凿岩台车移到下台阶指定位置,固定并调整的高度,便于工作。
上台阶可通过简易平台将人工手风钻就位。
2.3钻孔、装药及爆破
(1)隧道开挖前必须根据工程地质、开挖断面、开挖方法、循环进尺、钻孔机具和爆破材料等进行钻爆设计。
钻爆设计的内容应包括钻孔(掏槽眼、辅助眼、周边眼)的布置、数目、深度和角度,爆破器材、装药量和装药结构,起爆方法和爆破顺序,和钻孔要求等。
(2)为达到上、下台阶同时起爆的目的,可通过调整上、下台阶的高度从而平衡其工作量,使上、下台阶要尽量作到同时完成钻孔作业。
图2-1Ⅳ级围岩双线台阶法钻爆设计图
2.4施工通风
当开挖工作面爆破后,开始进行施工通风,通风时间一般在30分钟以上。
2.5初次喷射混凝土
初喷砼工作一般在找顶完成后进行。
先喷射拱部,使掌子面的其它工序均在初期支护的保护下进行。
隧道内主要的喷射混凝土形式为普通喷射混凝土、喷钢钎维混凝土及耐腐蚀混凝土等。
普通喷射混凝土的初喷厚度一般在4cm以上。
2.6格栅钢架架立
上台阶使用钢架时,可采用扩大拱脚和施作锁脚锚杆等措施,防止拱部下沉变形;几种锚杆的性能比较见表2-1。
表2-1水泥砂浆灌浆锚杆、合成树脂灌浆锚杆及膨胀锚杆性能比较表
锚杆类型
用 途
优 点
缺 点
水泥砂浆灌浆锚杆
用于系统的锚固
材料易买到、费用低;
加固性能好;
抗腐蚀性能好。
凝结时间长,掺加速凝剂后也不如合成树脂快,且会降低粘结强度;
需要施加应力时,要使用机械的顶端固定的锚杆
合成树脂灌浆锚杆
用于快速锚固
工作性能好;
发挥作用快;
灌浆长度可变;
合成树脂筒清洁,易于搬运;
易于机械化安装。
成本高;
在某些情况下树脂和固化剂混合不好;
对孔径和锚杆直径有限制;
合成树脂的存放期短(最长6个月)。
膨胀锚杆
用于快速锚固
安装速度快,1h可装50根;
安装操作简单,易于掌控;
一装上就发挥作用;
抗震性能好,可用于紧靠爆破
作业面的地方;
安装时只需用高压水。
成本高;
防腐性能差。
2.7出碴运输
上台阶爆破石碴先用挖掘机或人工翻至下台阶,然后使用ITC312挖装机(也可用挖掘机或装载机)装碴,自卸汽车运输。
3质量检验标准
同全断面开挖施工工艺。
4劳动力组织及生产效率
以双线Ⅳ级围岩二班作业制为例。
4.1劳动力组织
表4-1台阶法开挖每班劳动力配置表(一个作业班组)
工种名称
找顶工
测量工
修钻工
钻爆工
电工
司机
班长
合计
台阶法开挖
2
5
2
32
2
8
1
52
4.2生产效率
(1)生产效率见表4-2。
表4-2台阶法开挖施工工艺作业循环时间表
序
号
工序
时间
(min)
循环时间(min)
60
120
180
240
300
360
420
480
540
600
660
720
1
测量放线
30
2
超前支护
90
3
开挖
120
4
初喷混凝土
60
5
出渣
180
6
锚杆钢筋网钢架施作
180
7
复喷混凝土
60
从上表可知,每次循环的时间是720min,每次循环进尺按1.5~2.0m计算,每个月的生产效率为90~120m。
5施工机具设备配置
台阶法开挖主要施工机械配置参见表5-1。
表5-1洞内台阶法开挖机械设备配置(一个工作面)
序号
名称
技术条件
数量(台/套)
1
气腿式凿岩机
YT-28
30
2
轴流式通风机
SDF(C)-No11、No12.5
2
3
装载机
侧卸式
1
4
挖掘机
PC200-3
1
5
电动空压机
4L-20/8
2
6
312挖装机
ITC-312
1
7
自卸汽车
12吨以上
6
6施工安全及环境保护
同全断面开挖施工工艺。
7工程实例
7.1工程概况及施工方法
乌鞘岭特长隧道(单线双洞,全长2×20.05km)8#斜井工区位于隧道越岭地段中部I线隧道的线路右侧,天祝县朵什乡龙沟村内。
它所包含的主要工程有:
斜井2773.76m(全隧第二长斜井);支洞798m;右线隧道1510m;左线隧道1135m;右线整体道床1510m。
该工区与相邻中铁十二局和中铁隧道局施工的7#、9#斜井(斜井长度分别为3361.79m和2399.34m)工区共同构成整个乌鞘岭特长隧道的控制性工程。
该工程左、右线隧道均采用台阶法施工,效果比较明显。
7.2隧道正洞工程地质和水文地质
第一类:
YDK172+950~YDK173+317段,长度367m,属三叠系砂岩。
石质稍硬,裂隙发育,涌水量大。
以Ⅲ、Ⅳ级围岩为主。
日涌水量约1500~2000m3/d。
设计初期支护为喷、锚、网加拱墙I16工字钢1榀/m~1榀/1.5m。
有水地段采取超前小导管预注浆通过。
主体施工方法为三台阶法。
第二类:
YDK173+317~YDK174+000段,长度683m,以志留系变质砂岩为主。
该段通过F6断层及其影响带350m,呈粉状砂岩。
设计为Ⅴ级围岩。
日涌水量约2000m3/d。
初期支护为喷、锚、网加全环I16工字钢2榀/m。
有水地段小导管预注浆,无水地段超前管棚支护。
主体施工方法为二台阶法。
第三类:
YDK174+000~YDK174+461段,长度461m,该段含志留系下统板岩、千枚岩及变质砂岩,开挖后变形较大,施工中地质变化频繁,日涌水量800~1000m3/d。
设计为Ⅳ、Ⅴ级围岩,初期支护为喷、锚、网加全环I16工字钢2榀/m和3榀/2m。
有水地段小导管预注浆,无水地段超前小导管支护。
主体施工方法为三台阶法。
正洞除367m三叠系砂岩外,围岩均为软弱围岩,施工正常涌水量为3300m3/d,最大涌水量为8000m3/d。
7.3台阶法施工工序间距及循环作业时间
7.3.1二台阶法
采用小导管进行超前支护,小导管长3.5m,横向间距0.3m。
台阶长度4m,上台阶高度4.5m,下台阶高度4.6m(不含仰拱)。
仰拱距离下台阶20m,衬砌距离仰拱40m。
挖装运设备采用挖掘机翻上台阶的碴,挖装机装碴,沃尔沃自卸汽车出碴。
总循环时间为720分钟,每循环进尺1.8m。
各工序间距如下图。
每循环进尺1.8m。
各工序间距如图7-1。
二台阶开挖工序间距
图7-1二台阶法工序间距图
图7-2Ⅳ级围岩二台阶钻爆设计图
表7-1二台阶法循环作业时间表
工 序
循环时间(min)
工序说明
钻眼爆破
180
利用钻孔时间将拱架、网片、连接筋运到洞内,上台阶碴翻完后利用挖掘机和挖装机交换时间将拱架等材料搬到上台阶,利用出碴时间将上台阶拱架、钢筋网安装完,上台阶喷砼时安装下台阶拱架,下台阶安装拱架时上台阶打导管,使所有工序达到最大化平行作业,
挖机翻碴
90
出碴及上台阶拱架安装
180
上台阶喷射砼及下台阶拱架安装
150
上台阶打小导管及下台阶喷砼
120
循环时间总计
720
7.3.2三台阶法
采用小导管进行超前支护,小导管长3.5m,横向间距0.3m。
台阶长度各4m,上台阶高度2.9m,中台阶2.6m,下台阶高度3.5m(不含仰拱)。
仰拱距离下台阶20m,衬砌距离仰拱40m。
挖装运设备采用挖掘机翻上台阶及中台阶的碴,挖装机装碴,沃尔沃自卸汽车出碴。
总循环时间为780分钟,循环进尺2.4m。
各工序间距如图7-3。
图7-3三台阶法工序间距图
表7-2三台阶法循环作业时间表
工 序
循环时间(min)
工序说明
钻眼爆破
180
利用钻孔时间将拱架、网片、连接筋运到洞内,上台阶碴翻完后挖掘机先翻中台阶右侧碴,利用挖掘机司机视线较好的左侧运送拱架到上台阶,并安装拱架,翻完碴后利用挖掘机和挖装机交换时间将中台阶拱架等材料搬到中台阶,利用出碴时间将中台阶拱架、钢筋网安装完,上、中台阶喷砼时安装下台阶拱架,下台阶安装拱架时上台阶打导管,使所有工序达到最大化平行作业,
挖机翻上台阶碴
70
挖机翻中台阶碴及上台阶拱架安装
80
出碴及中台阶拱架安装
180
上、中台阶喷砼及下台阶拱架安装
150
上台阶打小导管及下台阶喷砼
120
循环时间总计
780
7.4劳动力配备
以二台阶一个工作面开挖为例,其劳动力配备如下表:
表7-3二台阶开挖法劳动力配表
工种名称
找顶
测量
修钻
风钻
电工
司机
喷砼
钢架
班长
合计
台阶法开挖
2
5
2
18
2
8
10
10
1
58
7.5机械设备配备
以二台阶一个工作面开挖为例,其机械设备配备如下表:
表7-4二台阶开挖法机械设备配备表
序号
名称
技术条件
数量(台/套)
1
气腿式凿岩机
YT-28
20
2
轴流式通风机
2×55kw
1
3
装载机
侧卸式
1
4
挖掘机
CAT320
1
5
电动空压机
移动电动27m3
1
6
312挖装机
ITC-312
1
7
自卸汽车
30吨
7
7.6实际施工进度
表7-52005年1-6月份两种台阶类型实际施工进度表
进度
类型
1月
2月
3月
4月
5月
6月
开挖
成洞
开挖
成洞
开挖
成洞
开挖
成洞
开挖
成洞
开挖
成洞
二台阶
84
67
66
63
84
60
0
29
0
27
0
20
三台阶
98
80
92
70
88
49
0
19
0
35
0
30
注:
4月份以后无开挖工序。
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