铁路隧道开挖工程中的三台阶段法施工关键技术

铁路隧道开挖工程中的三台阶段法施工
关键技术
摘要：三台阶隧道开挖法是一种常见的隧道开挖技术，具有操作灵活、工期
短及施工效率高等突出优势。

为加深对三台阶法开挖技术的认识，文章依托某铁
路隧道开挖工程，先介绍三台阶法的工法特点，再着重分析三台阶段法施工关键
技术，阐述具体作业要点。

关键词：三台阶法；隧道开挖；预留核心土
1.工程概况
隧道起讫里程:DK185+427～DK186+940.33，全长1513.33m，为单洞双线隧道。

隧道最大埋深135m，最小埋深1.7m,进、出口段落浅埋。

DK185+427～+870为3‰的上坡、DK185+870～DK186+800为10.5‰的上坡、DK186+800～+940.33为16.5‰的上坡；其中，隧道左线DK185+427～+697.596的区域处于R-8000m左偏曲线上，而DK185+993.542～DK186+940.33区域则处于R-10000m的右偏曲线上,其余均位
于直线上。

2.台阶法工法特点
在隧道开挖作业中采用台阶法进行施工，开挖作业面较大，有利于机械操作，也可适用于多平面同时作业，有利统筹各项施工资源，提高开挖效率；同时还能
够根据不同的地质环境调整开挖方案，反映迅速，可有效预防窝工和怠工现象的
出现；台阶法开挖作业会在作业面中预留核心土，左右错开开挖，对围岩的干扰
较小，施工安全性较高；适用范围广可适应不同跨度和多种断面形式的隧道围岩
开挖作业，即使面对围岩变形严重的环境，还是能够在保证开挖质量的基础上缩
短工期，为后续施作支护奠定良好的基础。

3.三台阶法
3.1施工工艺及工序
三台阶法施工工序示意见图1。

图1三台阶法施工工序示意图
3.2施工方法
三台阶法施工方法为：
1)充分发挥前一循环架立钢架的作用，施作超前支护；2）掘进开挖，施作
上台阶初期支护；3）继续开挖，对中台阶两端进行支护；4）继续前进，对下台
阶两端进行支护；5）继续开挖作业，施作仰拱和填充仰拱；6）密切关注台阶两
侧的支护效果，检查初期支护的效果；7）直至初期支护收敛后，即可进入下一
道施工工序，采用衬砌模板台车一次性浇筑二次衬砌。

3.3施工要点
三台阶法施工技术要点有：
1)选择φ42钢管制作锁脚锚，钢管全长为4m，壁厚为5mm，按照45°斜下
的角度布置在钢架连接点处，每个连接点布置2根，严格按照施工规范进行作业；2）钢架之间的纵向连接钢筋应根据设计要求焊接牢固；3）钢架两侧脚部预留部
分土体，保持钢架的稳定性，避免因钢架两侧脚部悬空而导致钢架摇晃或坍塌等
安全事故；4）控制进尺深度，其中上台阶和边墙每一循环进尺的深度不得超出2
榀钢架间距的长度，仰拱开挖每一循环进尺深度不得超出3m；5）根据不同的地
质情况调整支护方案，二次衬砌距离掌子面的距离应控制在90m以内。

3.3.1三台阶法加临时仰拱
考虑到本铁路隧道工程的围岩稳定性较差，又存在破碎带、水平岩层等不良地质情况，因而在三台阶法的基础上增加临时仰拱。

在开展上台阶开挖和施作两侧支护时，增设I18临时钢架作为临时仰拱。

I18临时钢架选择热轧普通工字钢制作而成，其布置的间距与原钢架纵向间距隔榀布设。

另外，在距离上台阶一定距离后，遵循分部的原则，继续开挖中、下台阶。

三台阶法加临时仰拱施工工艺流程见图2。

图
2三台阶临时仰拱法开挖施工工艺流程图
施工人员在进行施工之前需要先做好支护工作，施工
人员可以按照台阶法开展施工。

在进行施工之前，施工人
员应分析围岩性质，合理安排施工流程，确保相邻台阶之
间距离适当。

开始开挖之后，施工人员应先对岩面进行初
喷，做好临时的支护工作；待钢架安装结束之后，应立即
安设锁脚锚管，及时进行仰拱，令其形成封闭环，以便提
升整体结构的稳定性。

3.3.2上台阶开挖支护
（1）由施工人员在拱部120°范围安设 42的超前小导管，导管具体参数数据如下：导管壁厚、长度分别为3.5mm、3.5m，环向间距设为0.4cm，外插角维持在5~10°之间，搭接长度必须超过1.5m。

（2）项目单位严格依照三台阶七步开挖法开展施工，施工人员可驾驶挖掘机进行上台阶的开挖，需要注意将循环开挖的长度维持在80-100cm之间，通常循环开挖的长度设为一榀钢架的间距。

开挖结束后，施工人员应立即进行修边，及时做好支护、封闭处理。

（3）待混凝土完全施工结束后，即可开始挂设系统锚杆、钢筋网片。

通常，项目团队选择使用 22砂浆锚杆充当系统锚杆的材料，其长度设为4m，相邻锚
杆的间距控制为1m×1m，整体严格参照梅花型进行布置。

（4）项目团队选择I20a型钢作为钢架的主要材料，划分成三节组装所有台阶，并使用钢板螺栓将所有钢板环向连接在一起。

（5）待钢架安装完成之后，施工人员应立即完成锁脚锚管的施工，本项目
所使用的锁脚锚管同样由 42的钢管制成，长度设为4m。

（6）待锚杆、钢筋网、钢架等构件全部施工结束之后，即可在其表面喷射
C25强度大小的混凝土，确保喷射厚度达到设计规定的标准，且上台阶全部施工
完成之后，组成承载拱。

3.3.3中台阶左侧和下台阶右侧边墙开挖支护
（1）待施工人员施工至上台阶超前中台阶3-5m左右的位置之后，即可开始
按照交错开挖的方法对对中台阶左端、下台阶右端进行交错开挖。

（2）当中台阶修边工序处理技术后，需要立即在其表面喷涂4cm厚的混凝土，以便将整个作业面封闭起来。

初喷结束后施工人员即可在其表面挂设系统锚杆、钢筋网片等内容。

其中，项目使用的系统锚杆由 22砂浆锚杆制成，长度
设为3.5m，相邻锚杆之间维持1m×1m的间距，严格依照梅花型摆放。

（3）上述操作完成之后，即可开始安装拱架。

需要注意的是，中台阶长度
应维持在3-4m之间。

（4）项目单位可按照同样的方法对中台阶右端、下台阶左端进行施工，并
及时进行支护。

（5）在对中部位置进行开挖的时候，项目单位应提前预留出核心土。

（6）仰拱开挖支护：当项目单位开挖至下台阶的25m距离时，即可切换成
仰拱开挖的方法开展施工。

其中，每次开挖长度控制在3m左右，开挖完成后应
立即进行初期支护，支护完成后才可以开始进行掌子面的开挖工作。

3.4三台阶法隧道施工注意事项
为保证隧道开挖的质量和安全，在隧道开挖作业前应进行地质勘察，加强超
前地质预报，并根据超前地质预报报告调整施工方案和施工技术，确保初期支护
参数和二次衬砌厚度设计的合理性。

严格执行隧道开挖作业标准，弧形导坑如果
需要弱爆破，应及时与技术人员做好沟通，进行技术交底，采取导爆索光面爆破
的方式，同时还要加强现场的安全管理，以免影响施工人员的安全。

重视隧道开
挖施工的监控和管理，更新围岩和支护数据，降低开挖作业对周围围岩的干扰，
避免出现超欠挖和坍塌现象。

4.效益分析
4.１经济效益
相较于目前常见的CRD隧道开挖技术，本项目决定使用与传统的CRD隧道开
挖技术相比，本铁路隧道工程采用三台阶法隧道开挖施工工法，对于保证施工企
业获得充分的经济效益有明显作用。

具体体现在以下三个方面：（1）隧道施工
空间大，便于大型施工设备的进入和操作，极大地提升单位时间内的开挖数量，
施工进度快，达到了月平均90—100m/月，有利缩短施工工期；（2）节约了劳动
力成本，为机械开挖为主，辅助人工开挖的方式大大降低了人工用量和劳动力强度；（3）临时支护的压力较小，只需要设置临时的仰拱支护，控制了支护成本，并且能够达到较为理想开挖和支护效果。

4.2环保效益
三台阶法隧道开挖施工工法是基于施工技术的规律、特点和施工现场的情况
所确定的，环保、节能效益良好，排水系统工作效率高，兼顾管理施工用水和排
出隧道地下水双重功能。

同时，也是能够满足业主单位需求，浪费能量资源较少，能够在规定工期内保质保量完成开挖支护作业，为其他工序的施工争取时间，经
济环保。

5.结语
综上所述，三台阶法隧道开挖施工工法具有较多优势，能够有效解决隧道工
程中软弱围岩施工的难题，可以达到理想的隧道开挖和支护效果，值得在类似隧
道工程中推广应用。

参考文献
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[3]马永昌,郭建勇,刘颖,等.三台阶七步法下穿既有铁路的沉降控制技术研
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作者简介：刘珍（1987年1月10日），男，吉林榆树人，汉族，本科毕业，工程师，从事施工技术管理工作。