潼洛川隧道三台阶七步开挖法施工技术

摘要：三台阶七步开挖法是以弧形导坑开挖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。该施工方法规避了侧壁导坑法、中隔壁法及交叉中隔壁法等需要拆除临时支护及受力转换造成不安全的因素，利于施工工序转换，适应不同跨度和多种断面形式，提高了施工进度 。

关键词：隧道工程三台阶七步开挖方法

1.工程概况

潼洛川隧道位于陕西省潼关县，隧道进口位于潼关县潼沟河下游苏家村附近，出口端位于黄土塬边。隧道位于潼关I级黄土台塬区，塬面地形平坦，高程545～555m；进口位于潼沟河左岸，岸坡地形较陡，相对高差20～70m，冲沟发育；出口端位于黄土塬边，地形起伏，冲沟发育，相对高差15～50m。塬顶为农田，多有村庄、道路分布。

隧道起讫里程DK341+303～DK345+120，长度3817m，为双线黄土隧道，除出口段位于R-8000m的曲线地段外，其余洞身位于直线上。洞身进口段纵坡为+6.5‰，出口段纵坡为-2‰。

2.设计参数

隧道内轮廓采用铁道部新近优化后的时速350km客运专线隧道内轮廓，轨面以上有效内净空面积按100m2设计，并满足救援通道、安全空间及洞内设施的布设要求。隧道衬砌采用曲墙带仰拱的封闭结构，二衬和仰拱均采用C35防水钢筋混凝土，暗挖段采用复合式衬砌。

进口端DK341+303～+317、出口端DK345+106～+120段采用斜切段衬砌断面，出口端DK345+093～+106段采用明洞衬砌断面。进口DK341+317～+345、出口DK344+870～DK345+093段为Ⅴ级围岩浅埋段，喷锚初期支护，全断面设I25a型钢钢架，间距1榀/0.6m，拱部设φ42超前小导管（l-4.5m，环向间距40cm，外插角5～10°，搭接长度≥1.5m），小导管内充填M20水泥砂浆。

洞身DK341+345～DK341＋725段为Ⅳ级围岩加强地段，全断面设1榀/0.8m工22a型钢钢架，局部含水量较大地段拱部设φ42超前小导管（l-3.5m，环向间距40cm，外插角5～10°，搭接长度≥1.5m），小导管内充填M20水泥砂浆；DK341+725～DK344+870段为Ⅳ级围岩地段，穿越地层为第四系下更新统砂质黄土、黏质黄土（夹有弱膨胀土），全断面设1榀/0.8m工20a型钢钢架，局部含水量较大地段拱部设φ42超前小导管（l-3.5m，环向间距40cm，外插角5～10°，搭接长度≥1.5m），小导管内充填M20水泥砂浆

隧道明暗分界及深浅埋分界处二次衬砌均设置变形缝，变形缝缝宽2cm，中间填塞沥青麻筋。

3.施工方法及工艺

3.1施工工艺流程

三台阶七步开挖法可分为以下主要步骤：

⑴ 上部弧形导坑环向开挖，施作拱部初期支护；

⑵ 中、下台阶左右错开开挖，施作墙部初期支护；

⑶ 中心预留核心土开挖，隧底开挖，施作隧底初期支护。

每部开挖后均应及时支护，隧底初期支护后应及时施作仰拱，尽早封闭成环。

三台阶七步开挖法的施工工艺流程见图1。

3.2 施工作业

⑴ 根据潼洛川隧道的水文地质条件，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。

⑵ 弧形导坑应沿开挖轮廓线环向开挖，预留核心土，以人工开挖为主，机械开挖为辅，开挖后及时支护；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；仰拱紧跟下台阶，及时闭合构成稳固的支护体系。

⑶ 施工过程通过监控量测，掌握围岩和支护的变形情况，及时指导调整支护参数和预留变形量，保证施工安全；

⑷ 三台阶七步开挖法施工步骤见图4.2-1，开挖透视图见4.2-2。

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1.5 m，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1.5 m，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。

⑸ 三台阶七步开挖法的初期支护由喷射混凝土、锚杆（管）、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，以保护围岩的自然承载力，其施工工艺流程见图2。

3.3 仰拱施工

⑴ 隧底开挖采用全幅分段施工，上面铺设仰拱栈桥，每循环开挖长度宜控制在2～3m。当仰拱施工滞后下部台阶开挖面30～40m时，采用短距离跳槽进行隧底开挖。

⑵ 隧底开挖后，及时清除虚碴、杂物、泥浆、积水，立即初喷3～5cm厚混凝

土封闭岩面，按照设计要求安装仰拱钢架，复喷射混凝土至设计厚度，使初期支护及时闭合成环。

⑶ 仰拱超前拱墙衬砌，每循环浇筑长度宜为4～6m，仰拱采用浮放模板支架成型。仰拱混凝土分段全幅浇筑，一次成型，不留纵向施工缝，仰拱施工缝和变形缝设置止水带。仰拱表面平顺，不积水。

⑷ 仰拱填充混凝土在仰拱混凝土终凝后浇筑，浇筑前清除仰拱表面的杂物和积水，连续浇筑，一次成型，不留纵向施工缝。填充混凝土强度达到5MPa后允许行人通行，达到设计强度的100％后允许车辆通行。仰拱填充表面坡度符合设计要求，平顺、排水通畅、不积水。

4. 施工控制要点

4.1 隧道进洞前，及时做好洞顶及洞口防排水系统。洞顶及洞口排水沟采用铺砌，用砂浆抹面，防止地表水及施工用水下渗，影响结构安全。

4.2三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。

4.3 二次衬砌距仰拱保持2倍以上衬砌循环作业长度，但不得大于30m。

4.4在满足作业空间和台阶稳定的前提下，尽量缩短台阶长度，核心土长度应控制在3～5m，宽度为隧道开挖宽度的1/3～1/2。

4.5 三台阶七步开挖法施工应严格控制开挖长度，根据潼洛川隧道围岩地质情况，合理确定循环进尺，每次开挖长度不得超过1.0m；开挖后立即初喷3～5cm混凝土，以减少围岩暴露时间。

4.6 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。

4.7 隧道周边部位预留30cm人工开挖，其余部位采用机械开挖，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。

4.8 钢架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，并加垫槽钢，严禁拱（墙）脚悬空或采用虚土回填。钢架应与锁脚锚杆焊接牢固。

4.9 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。

4.10 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，在上台阶开挖工作面附近开挖横向水沟，将水引至隧道两侧排水沟排出洞外。反坡施工时，设置集水坑将水集中抽排。

4.11 确保隧道施工的洞内通风，保证作业环境符合职业健康及安全标准。

5、结论与体会

⑴ 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。

⑵ 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。

⑶ 三台阶七步开挖法规避了侧壁导坑法、中隔壁法及交叉中隔壁法等需要拆除临时支护及受力转换造成不安全的因素，及时调整闭合时间，方便机械化施工，利于施工工序转换。适应不同跨度和多种断面形式，初期支护工序操作便捷。

⑷ 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。

⑸ 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。

参考文献：

[1]铁道第一勘察设计院.郑西客运专线新建工程施工图-潼洛川隧道设计图

[2]《客运专线铁路隧道工程施工技术指南》（TZ214-2005）

[3]《客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准》铁建设[2005]160号