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三台阶七步开挖施工工法
中铁十二局集团有限公司第二工程公司：赵华锋
一、前言
大断面软岩隧道施工中，传统的施工方法有双侧壁导坑法、CD法、CRD法等，这些施工方法进度慢、工效低、存在一定的局限性，如：限制了大型施工机械的使用，基本靠人工开挖，工效低、速度慢，难以满足客运专线工期要求；拆除临时支护时，正洞初期支护会因突然卸载而出现大的变形，存在安全风险；各分部开挖面循环衔接性差，相互干扰大，施工质量得不到充分保证；临时支护反复拆除，成本投入大等。而目前国内大断面软岩隧道施工中，我们往往会面临以下问题：对工期紧迫性的要求，需组织快速施工；工程水文地质复杂，可变性大，须选择一种能适应地质变化而迅速过渡的施工方法；能较大限度地发挥大型施工机械的优势，以求最佳的施工进度；把长期施工实践所积累的作业习惯融合于施工方法中，做到高工效，易掌握，达到快速形成施工能力的目的等要求。
借鉴近几年大断面隧道施工的成功经验，规避传统施工方法的局限性，以加快隧道施工进度、保证隧道施工安全、提高施工质量为目的，提出了三台阶七步开挖法施工的工艺流程、施工步骤、控制要点、劳动组织、机具设备等，突出大断面软岩隧道开挖施工的技术特点，总结完善形成本工法。
二、工法特点
1、施工空间大，方便机械化施工，可以多作业面平行作业。部分软岩或土质地段可以采用挖掘机直接开挖，工效较高。
2、在地质条件发生变化时，便于灵活、及时地转换施工工序，调整施工方法。
3、适应不同跨度和多种断面形式，初期支护工序操作便捷。
4、在台阶法开挖的基础上，预留核心土，左右错开开挖，利于开挖工作面稳定。
5、当围岩变形较大或突变时, 在保证安全和满足净空要求的前提下，可尽快调整闭合时间。
三、适用范围
本工法适用于开挖断面为100～180m2，具备一定自稳条件的Ⅳ、Ⅴ级围岩地段隧道的施工。
四、施工工艺
1、工艺原理
“三台阶七步开挖法”，是以弧形导坑开挖预留核心土为基本模式,分上、中、下三个台阶七个开挖面，各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开、平行推进的隧道施工方法。
上部弧形导坑开挖，施作初期支护
开挖上、中、下台阶预留核心土
左右错开开挖中台阶，施作初期支护
左右错开开挖下台阶，施作初期支护
超前支护
测量放样
施作仰拱
施作仰拱填充
围岩稳定性评判、
修正支护参数
分段开挖隧底，施做初期支护
断面检查
否
满足
2、工艺流程

3、三台阶七步开挖法施工步骤
施工步骤见图1，开挖透视见图2，施工工序见图3所示
第1步，上部弧形导坑开挖：在拱部超前支护后进行，环向开挖上部弧形导坑，预留核心土，核心土长度宜为3～5m，宽度宜为隧道开挖宽度的1/3～1/2。开挖循环进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.5 m，开挖后立即初喷3～5cm混凝土。 上台阶开挖矢跨比应大于0.3，开挖后应及时进行喷、锚、网系统支护，架设钢架，在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°打设锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。
第2、3步，左、右侧中台阶开挖：开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.5m，开挖高度一般为3～3.5m，左、右侧台阶错开2～3m，开挖后立即初喷3～5混凝土，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在钢架墙脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°打设锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。
第4、5步，左、右侧下台阶开挖：开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.5m，开挖高度一般为3～3.5m，左、右侧台阶错开2～3m，开挖后立即初喷3～5混凝土，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在钢架墙脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°打设锁脚锚杆，锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。
第6步，上、中、下台阶预留核心土：各台阶分别开挖预留的核心土，开挖进尺与各台阶循环进尺相一致。
第7步，隧底开挖：每循环开挖长度宜为2～3m，开挖后及时施作仰拱初期支护，完成两个隧底开挖、支护循环后，及时施作仰拱，仰拱分段长度宜为4～6m。
4、三台阶七步开挖法施工注意事项
⑴、采用三台阶七步开挖法施工的隧道，应将超前地质预报纳入施工工序，并根据工程水文地质变化情况，及时调整各部台阶长度或施工方法，采取相应的技术措施，及早封闭成环，保证施工安全。
⑵、采用三台阶七步开挖法施工的隧道，应根据工程水文地质条件，按设计要求做好超前支护，防止围岩松弛，保证隧道开挖安全。在断层、破碎带、浅埋段等自稳性较差或富水地层中，超前支护应按设计要求进行加强。
⑶、三台阶七步开挖法施工应符合下列要求：
① 以机械开挖为主，必要时辅以弱爆破；
② 弧形导坑应沿开挖轮廓线环向开挖，预留核心土，开挖后及时支护；
③ 其他分步平行开挖，平行施作初期支护，各分部初期支护衔接紧密，及时封闭成环；
④ 仰拱紧跟下台阶，及时闭合构成稳固的支护体系；
⑤ 施工过程通过监控量测，掌握围岩和支护的变形情况，及时调整支护参数和预留变形量，保证施工安全；
⑥ 完善洞内临时防排水系统，防止地下水浸泡拱墙脚基础。
五、机具设备
本工法操作简单，单作业面施工机具配备见下表，可根据施工现场情况酌情调整。
单作业面施工机具配备
序号
作业项目
机具设备名称
规格型号
单位
数量
备注
1
开挖
电动压风机
20m3/min
台
5
高压供风
双液注浆机
4m3/h
台
2
注浆
风镐
G10
台
8
开挖修边
风动凿岩机
YT-28
台
15
系统锚杆、超前支护、局部爆破钻眼
挖掘机
CAT320C
台
1
开挖、装碴
自卸车
20t
辆
6
出碴
装载机
小松WA470
辆
2
装碴
泥浆泵
100m3/h
台
2
排水
2
初期支护
钢筋切断机
QJ40—1
台
1
加工钢筋
钢筋折弯机
40
台
1
加工钢筋
电焊机
BX—300
台
5
加工钢架、格栅及
其他钢构件
电焊机
BX—400
台
2
加工钢构件
台式钻床
SP-25A
台
1
加工钢构件
搅拌机
JS500
台
2
拌合混凝土
湿喷机
TK961
台
3
喷射混凝土
3
量测仪器
全站仪
索佳SET2130R
台
1

水准仪
PENTAXAP-128
台
1

铟钢尺

个
2

4
通风
通风机
SDF-No12.5
台
1
2×110kw

六、劳动组织
施工人员应经培训合格后上岗，特殊工种应持证上岗，人员分配和调整应按不同工种配齐、配足，单作业面施工一般需要75人左右，并保持相对稳定。
单作业面施工作业人员配备
序号
作业项目
作业内容
人数
1
开挖（24人）
风镐手
4
风枪手
12
挖掘机司机
2
自卸车司机
6
2
初期支护（35人）
制作钢架
8
安装钢架、格栅
10
喷射手
3
喷射机司机
3
喷射机上料
6
搅拌机司机
2
搅拌机上料
3
3
技术及测试（6人）
技术员
1
试验员
1
测量班长
1
测量工
3
4
仰拱（10人）
隧底初期支护及仰拱混凝土浇筑
10
合计
75

七、三台阶七步开挖法施工安全、质量控制措施
1、隧道进洞前应做好洞顶及洞口防排水系统。洞顶及洞口排水沟应铺砌，用砂浆抹面，防止地表水及施工用水下渗，影响结构安全。
2、三台阶七步开挖法施工应做好工序衔接。工序安排应紧凑，尽量减少围岩暴露时间，避免因长时间暴露引起围岩失稳。
① 初期支护应及时封闭成环，全断面初期支护闭合时间宜控制在15d左右；
② 仰拱应超前施作，仰拱距上台阶开挖工作面宜控制在30～40m。铺设防水板、二次衬砌等后续工作应及时进行。
③ 对于土质隧道，衬砌应紧跟仰拱施工，一般为15～20m，衬砌距开挖掌子面最大不得超过60m；对于岩石爆破隧道，衬砌距开挖掌子面距离须满足爆破距离要求；
3、在满足作业空间和台阶稳定的前提下，应尽量缩短台阶长度，核心土长度应控制在3～5m，宽度宜为隧道开挖宽度的1/3～1/2。
4、三台阶七步开挖法施工应严格控制开挖长度，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1.5m；开挖后立即初喷3～5cm混凝土，以减少围岩暴露时间。
5、严格按设计要求施作超前支护，控制好超前支护外插角，严格按注浆工艺加固地层，保证隧道开挖在超前支护的保护下施工。
6、隧道周边部位应预留30cm人工开挖，其余部位宜采用机械开挖，局部需要爆破时，必须采用弱爆破，不得超挖。施工时应严格控制装药量，减少对围岩的扰动。
7、中、下台阶左、右侧开挖应错开，严禁对开，左右侧错开距离宜为 2～3m。
8、钢架应严格按设计及规范要求加工制作和架设。钢架应架设在坚实基面上，严禁拱（墙）脚悬空或采用虚碴回填。钢架应与锁脚锚杆（管）焊接牢固。
9、隧道超挖部位必须回填密实，严禁初期支护背后存在空洞。必要时初期支护背后应进行充填注浆，保证初期支护与围岩密贴。
10、施工过程中可采用增加拱（墙）脚锁脚锚杆（管）、增设钢架拱（墙）脚部位纵向连接筋、扩大拱（墙）脚初期支护基础及增设拱（墙）脚槽钢垫板等增强拱（墙）脚承载力等措施控制变形。
11、应加强监控量测工作，根据量测结果，及时调整支护参数，确定二次衬砌施作时间，进行信息化施工管理。
12、应完善洞内临时防排水系统，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。当地层含水量大时，上台阶开挖工作面附近宜开挖横向水沟，将水引至隧道中部或两侧排水沟排出洞外。必要时应配合井点降水等措施，降低地下水位至隧道仰拱以下，确保施工顺利进行。反坡施工时，应设置集水坑将水集中抽排。
13、隧道施工应加强洞内通风，作业环境应符合职业健康及安全标准。
八、工程实例
1、郑州至西安客运专线ZXZQ08标张茅隧道长度为8489m，隧道最大涌水量18990m3/d，开挖断面164m2，地质为Q2老黄土，为全线控制性工程，采用“三台阶七步开挖法”施工进度提升至70~75m/月，远远高于CD、CRD法30~35m/月的施工进度；初期支护全环封闭在15d左右，仰拱紧跟开挖面，成环封闭快，确保了隧道施工安全；较CD、CRD法平均每延米节约7000多元的施工成本；无需投入特殊设备，施工工艺满足质量要求，提前合同工期50天安全顺利贯通，经济和社会效益显著。
2、京珠高速公路靠椅山隧道，隧道分左右线，设计为单洞三车道，采用R=7.4m单心圆曲墙式衬砌。最大开挖跨度为16.7m，最大开挖高度为10.1m。最大开挖断面165.45m2,地质为中下泥盆统桂光群砂岩及泥质粉砂岩夹薄层页岩，因受摺曲及构造挤压影响，岩层节理裂隙发育，岩层破碎，岩石风化成亚砂土、亚粘土，原岩结构完全破坏。在软岩地段施工中，采用三台阶七步开挖法，缩短工期50天，保证了整座隧道按期完成。
3、深圳盐坝高速公路大梅沙隧道，为分离式双洞单向三车道隧道，为三心圆内轮廓形式；最大开挖跨度为15.15m,高度为11.3m。双洞洞身基本平行，中心距离平均40m。盐田端左右线洞口段均有80mⅠ类围岩地段，为全风化花岗岩，裂隙发育，不稳定，遇水崩解软化，容易坍塌，经过比选最终采用三台阶七步开挖法施工，安全顺利地通过该段。
4、昆石高速公路小团山隧道，为双向六车道隧道，设计为净跨14.8m、净高8.9m的半圆拱曲墙断面，最大开挖宽度16.88m，最大开挖高度13.46m，最大开挖面积达192m2,隧道地处构造侵蚀低山地形地貌区，主要岩石为灰白、灰色灰岩，白云质灰岩及灰褐、黄褐色玄武岩，岩石破碎，节理裂隙极为发育。在软岩地段施工采用三台阶七步开挖法，提前完成了施工任务。

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