三台阶七步开挖法在大断面浅埋偏压地质条件下的应用

摘要：本文针对贵州从江县独洞乡厦蓉高速公路第AT8合同段老寨隧道地质结构，借鉴近些年断面隧道施工的成功经验，规避传统施工方法的局限性，在确保施工安全和工程质量的前提下为了加快施工进度，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。分析施工重点，提出监控量测、超前支护、及时封闭仰拱、及时封闭二次衬砌永久支护、加设锁脚锚杆、预防塌方等安全保证措施，以及质量保证措施。

关键词：三台阶七步开挖法 大断面 浅埋 施工工艺

0 引言

三台阶法又称弧形导坑留核心土法。上部留核心土可以支挡开挖工作面，利于及时施做拱部初期支护增强开挖工作面稳定。核心土及下部开挖在拱部初期支护下进行，施工安全性较好。三台阶开挖法能及早的使支护结构形成闭合断面，更利于控制隧道的内空变位速度和变位量，更利于控制地表下沉量。实际施工中，台阶长度可根据需要适当调整。

下面以老寨隧道为工程实例，详细介绍三台阶开挖法在软岩隧道中的应用。

1 工程概况

老寨隧道为分离式隧道，左幅隧道起讫桩号为ZK38+425～ZK38＋870，L＝445m，最大埋深约83m；右幅隧道起讫桩号为YK38+440～YK37+815，L=375m，最大埋深约75m。隧道区地处贵州高原东南部山区向广西丘陵过渡的斜坡地带，隧道位于从江县独洞乡北西1.10km处，因处于黔东南山区，交通条件较差。

区域内地下水为基岩裂隙水，地下水主要靠大气降水沿岩层层面及风化节理面垂直下渗补给。雨季，大气降水一部分顺坡面向东运移向地势低洼处的冲沟两侧以散状径流排泄，一部分向西运移向地势低洼处的冲沟两侧以散状形式径流排泄。隧道区基岩风化节理裂隙发育，且存在东、西冲沟内两侧地下散水排泄，雨季可能出现突发性涌水。地表未见泉点出露。隧道区内岩性组合较简单，场地稳定性较好，隧道出口左幅存在一定偏压，经处理后适宜隧道建设。

2 施工方案与方法确定

如果施工断面大，则一定要根据施工原则选择合理的施工方案，即重地质、管超前、短开挖、强支护、快封闭、早成环，我们主要采用三台阶七步开挖法进行老寨隧道的开挖。

三台阶七步开挖法进行隧道开挖，主要包括上、中、下台阶及仰拱四项分部工程，前后左右7个不同的开挖面相互错开同时开挖，构成整体的支护，以节省作业循环时间，尽快向纵深挖掘。拱部进行环形开挖将中部的核心土留出来，使掌子面保持稳定状态。另外，中、下部的开挖同样也采用环形开挖的方法，预留中部土体，以稳定掌子面。下面简要分析三台阶七步开挖法的特点：

2.1 施工空间大，多个作业面中大型施工机械可平行施工，工作效率高。可采用挖掘机对于有的软岩地段的下半部断面进行开挖，无需爆破，尽量不对围岩造成太大的扰动。

2.2 有的隧道工程处于地质构造比较复杂的地段，施工时要适时根据实际情况调整施工方案，尽量不拖延施工进度。

2.3 适应多种断面形式和不同跨度，初期支护工序操作便捷。

2.4 混凝土仰拱超前施作，便于初期支护及时闭合不承载。

2.5 为取得预期的施工效果，应全断面一次施作防水层和灌筑混凝土衬砌。

2.6 对设备没有特殊的要求，操作性强，节省建设资金，可广泛应用到开挖施工中。

2.7 当围岩变形较大或突变时，可尽快调整闭合时间。

对施工方案进行分析比选之后，最后决定通过三台阶七步开挖法进行老寨隧道的开挖施工。

3 施工工艺

3.1 工艺要求

3.1.1 本隧道穿越Ⅵ、Ⅴ、Ⅳ级围岩，工程地质和水文地质条件复杂，隧道系统锚杆选用D25中空注浆锚杆，锚杆必须设置垫板，施工时锚杆垫板必须与围岩密贴。

3.1.2 钢支撑尺寸圆顺，架立准确，且密贴围岩，其横向和高程允许偏差±50mm，垂直度允许偏差±2°。

3.1.3 喷射混凝土采用湿喷工艺。

3.1.4 二次衬砌施作时必须先浇筑仰拱，然后进行拱、墙部二次衬砌浇筑。

3.1.5 二次衬砌浇筑应采用模板台车泵送混凝土整体浇筑，以保证二次衬砌的密实。

3.1.6 小导管注浆压力为0.5～1MPa，管棚注浆压力为1～2MPa，压力稳定时间为1～5分钟，浆液配合比及注浆量可根据现场地质情况酌情调整。

3.1.7 防排水严格执行《地下工程防水技术规范》（GB50108-2001），防水板接头要严格密封并充气，采用标准荷载检测，各类施工缝、沉降缝防水构造安装准确、到位。

3.1.8 施工过程中加强监控量测，及时分析处理数据，调整支护参数。

3.1.9 左幅隧道榕江段应按照相关设计图对边仰坡及挡墙、护拱等施作后方可进洞。

3.2 工艺原理

通过三台阶七步开挖法进行隧道开挖施工，主要采用弧形导坑开挖预留核心土的施工方案,它包括上、中、下三个台阶七个开挖面；同时，采用沿隧道纵向错开和平行推进的方法进行各个分部工程的开挖和支护施工。

3.3 工艺流程

3.4 三台阶七步开挖法施工步骤

3.4.1 上部弧形导坑开挖：进行拱部超前支护后，采用环向开挖的方法开挖上部弧形导坑，并预留3～5m的核心土，核心土的宽度最好是隧道开挖宽度的1/3～1/2。按初期支护钢架之间的距离确定开挖循环进尺的长度，并将其控制在1.5m以内，开挖后尽快初喷3～5cm混凝土。上台阶开挖后尽快开始喷、锚、网系统支护的施工，同时架设钢架，钢架拱脚往上30cm的地方要打设锁脚锚杆，注意使其与钢架两侧贴紧，根据厚度要求进行混凝土的覆喷。

3.4.2 左、右侧阶开挖：开挖进尺必须按照初期支护钢架之间的距离而定，一般要控制在1.5m以内，高度不得超过3～3.5m，左侧台阶与右侧台阶应错开2～3m的距离，开挖后要初喷3～5cm混凝土，还要尽快开展喷、锚、网系统支护施工，接长钢架，在钢架墙脚向上30cm的地方，按30°的下倾角紧贴钢架两侧打设锁脚锚杆，钢架和锁脚锚杆的焊接要牢固可靠，最后根据施工要求复喷混凝土。

3.4.3 左、右侧下台阶开挖：按初期支护钢架之间的距离来确定开挖进尺的长度，且不得超过1.5m的既定范围，开挖时保持3～3.5m的高度，左侧台阶与右侧台阶错开2m～3m，开挖后尽早初喷3～5cm混凝土，并在最短的时间内开始喷、锚、网系统支护施工，接长钢架，在钢架墙脚向上30cm的地方，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°打设锁脚锚杆，要牢固焊接锁脚锚杆和钢架，再按厚度要求完成混凝土的复喷。

3.4.4 上、中、下台阶预留核心土：上、中、下台阶开挖时要预留核心土，且各个台阶开挖进尺长度要和循环进尺长度相同。

3.4.5 隧底开挖：每循环开挖长度最好是2～3m，开挖后尽快进行仰拱初期支护的施工，两个隧底开挖和支护循环结束以后，就开始仰拱的开挖，并将仰拱分段长度控制在4～6m。

3.5 三台阶七步开挖法施工注意事项

3.5.1 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，及早封闭成环以保证施工安全。

3.5.2 施工中，为避免围岩松弛，提高隧道开挖施工的安全系数，应提前了解当地的水文地质状况，根据设计规范做好超前支护。断层、破碎带等某些施工地段地层自稳性不好，需要根据施工要求加强超前支护。

3.5.3 采用三台阶七步开挖法进行隧道开挖施工必须注意以下几点：①以机械开挖为主，需要时强辅以弱爆破；②弧形导坑的开挖必须顺着开挖轮廓线环向进行，同时预留核心土，开挖后还要及时进行支护施工。③采取平行开挖的方法进行其余分步的开挖，初期支护也要平行施作，以确保其紧密衔接，然后封闭成环。④结束下台阶的开挖后及时进行仰拱开挖，使其尽快封闭成环，构成整体支护。⑤实时监控开挖过程，对支护参数进行合理的调整，并预留变形量，提高施工的安全系数。⑥为避免拱墙脚基础被地下水浸泡，洞内必须设有临时防排水系统。

4 施工安全、质量控制措施

4.1 洞顶、洞口防排水系统要在隧道进洞前就设置妥当。铺砌洞口和洞顶的排水沟，并用砂浆抹面，以免下渗的施工用水及地表水对结构安全造成破坏。

4.2 运用三台阶七步开挖法开展隧道施工活动，为防止长时间暴露而影响围岩稳定性，上下工序必须紧密衔接。

4.3 台阶不宜过长，开挖时要预留3～5m的核心土，其宽度最好占隧道开挖宽度的1/3～1/2。

4.4 运用三台阶七步开挖法进行隧道开挖，必须按设计要求确定开挖长度，一般控制在1.5m以内，循环进尺长度要按实际围岩地质状况而定；开挖后初喷3～5cm混凝土，避免围岩长时间暴露。

4.5 超前支护必须符合施工要求，其外插角的控制是重点，按注浆工艺加固地层，做好超前支护后再进行隧道开挖。

4.6 中、下台阶左、右侧错开2～3m再开挖，不允许对开。

4.7 人工开挖隧道四周预留的30cm的地方，然后用机械进行其余部位的开挖；开挖时通过弱爆破的方法进行局部爆破，为避免对围岩造成大的扰动，注意不要超挖。

4.8 根据施工要求制作钢架。在坚实基面上架设钢架，注意不要用虚碴回填拱（墙）脚或使其悬空，牢固焊接锁脚锚杆（管）和钢架。

4.9 超挖的部分一定要回填密实，初期支护背后不允许有空洞。为确保围岩和初期支护密贴，也可采用注浆回填。

4.10 开挖时可通过扩大拱（墙）脚初期支护基础，安装拱（墙）脚槽钢垫板和钢架拱（墙）脚部位纵向连接筋、加强拱（墙）脚承载力、增设拱（墙）脚锁脚锚杆（管）等施工方法对变形进行有效的控制。

4.11 根据施工要求严格进行监测工作，并参照监测数据对支护参数做出适当的调整，合理安排二次衬砌的施作时间，推行信息化施工管理。

4.12 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。

4.13 进一步完善洞内临时防排水系统，注意防止拱（墙）脚被积水浸泡或隧道开挖现场积水漫流而影响基底承载力。反坡施工时，应设置集水坑将水集中抽排。如果地层含水较多，最好在上台阶开挖工作面周围增设一条横向水沟，使水沿两侧的排水沟或由隧道中部排出；还可以结合井点降水等方法，使地下水位下降到隧道仰拱以下，以确保正常开展施工活动。

5 监控量测

隧道按照《喷锚构筑法技术规范》的要求以量测资料为基础及时修正初期支护参数，实施动态设计、施工。围岩量测采用BJSD-2型激光隧道限界检测断面仪和NA28水准仪等进行周边水平收敛和拱顶下沉量测。将洞内外观察、净空水平收敛量测和拱顶下沉量测列为必测项目，必要时在隧底增设隧底上鼓量测及地表沉降量测项目。量测断面间距5～10m。

6 结语

对大断面浅埋偏压隧道施工特点进行分析之后，根据理论计算，施工单位决定利用三台阶七步开挖法开挖老寨隧道。这种施工方法后帮助施工单位攻克了多项技术难题，施工中有助于对各道工序进行有效的控制，提高了作业安全系数、保证工期的前提下，也取得了预期的施工效果；施工月平均进尺85m，真正做到了大断面隧道快速掘进。这项工程也能为其他地质复杂的大断面软岩隧道开挖提供有借鉴价值的资料。

参考文献:

[1]赵勇.高速铁路隧道[M].北京：中国铁道出版社，2006.

[2]《公路隧道施工技术规范》.(JTJ042-94).