隧道三台阶开挖施工工法

隧道三台阶开挖施工工法
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隧道三台阶法开挖施工工法
智文忠、程鹏、崔乐超
1.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，在重庆沿江高速公路隧道施工中，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。

2.工法特点
2.1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；
2.2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；
2.3适应不同跨度和多种断面形式，初期支护工序操作便捷；
2.4在台阶法开挖的基础上，预留核心土，左右侧错开开挖，利于开挖工作面稳定；
2.5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；
3.适用范围
本工法适用于开挖断面为I级公路二车道和三车道，具备一定自稳条件的Ⅳ、Ⅴ级围岩地段隧道的施工。

不适用于围岩地质为流塑状态、洞口潜埋偏压段（但经过反压处理或施作超前大管棚后可采用）。

4.施工工艺
左右错开开挖下台开挖上、中、下台分段开挖隧底，施
施作
施作围岩稳定性评判、
测量“三台阶七步开挖法”，是在隧道开挖过程中，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，以前后七个不同的位置相互错开开挖，分部及时支护，形成支护整体，缩短作业循环时间，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。

5.施工工艺流程及操作要点
5.1施工工艺流程施作仰拱
图5.1-1施工工艺流程图 5.2三台阶七步开挖发施工步骤
施工步骤见附图5.2-1，开挖透视见附图5.2-2，施工工序见附图5.2-3
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
超前上部孤形导坑开
满
断
左右错开开挖中台
124
7
135
16-16-26-3核心土
1
62
43
56
6
1
3
5
6-1
16-2
6-3
24
7
仰拱
仰拱填充
注：1、上台阶开挖高度不小于上台阶开挖跨度的0.3倍，一般为3.0-4.0m。

2、中下台阶开挖高度为隧道总开挖高度（不含仰拱）减去上台阶开挖高度后平均分配，一般为3.0-3.5m。

3、上台阶核心土长度（隧道纵向）3.0-5.0m,高度1.5-2.5m,宽度为上台阶开挖跨度的L/3-L/2。

栈桥7
初期支护
施工步骤：
第1步：施作超前支护后，开挖拱部弧形导坑，预留核心土，施作拱部初期支护； 第2、3步：开挖左右侧中台阶并施作初期支护； 第4、5步：开挖左右侧下台阶并施作初期支护； 第6步：分别开挖上、中、下台阶核心土； 第7步：开挖隧底并施作仰拱初期支护封闭成环。

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3～5cm 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。

附图5.2-1开挖步骤图
附图5.2-2开挖透视
施工工序纵断面示意图
施工工序正面示意图
3～5m ≥1.0m
超前支护
47
2
1
7
6-11
超前支护
初期支护
16-26-324
135
2～3m 2～3m 2～3m 2～3m 4-6m
15-25m
3
5
栈桥
附图5.2-3施工工序图
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3～5cm 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，开挖上、中、下台阶预留核心土：分别开挖上、中、下台阶预留的核心土，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 。

5.3三台阶七步开挖法施工要点
5.3.1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，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。

5.3.2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。

5.3.3三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。

6.材料与设备
6.1材料：本工法使用的材料都是常用的，不作说明。

6.2设备：本工法操作简单，单作业面施工机具配备见表6-2-1，可根据施工现场情况酌情调整。

6-2-1 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
7.质量控制
7.1工程质量控制标准
本工法以《公路隧道施工技术规范》，《公路隧道施工技术细则》，《公路工程质量检验评定标准》进行质量控制。

7.2质量保证措施
7.2.1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。

7.2.2三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。

7.2.3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。

7.2.4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。

7.2.5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。

7.2.6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。

7.2.7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。

7.2.8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。

8.安全措施
本工程严格执行《中华人民共和国安全生产法》和《安全生产条例》等相关法律法规。

8.1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。

8.2三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。

8.2.1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；
8.2.2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。

8.2.3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；
8.3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。

8.4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。

9.环保措施
本工法严格执行国家标准和当地的有关环保政策和有关规定。

9.1施工现场按照设计统一规划、业主要求和施工环保的要求进行实施。

9.2污水处理采用多级沉淀池过滤沉淀。

处理的工艺流程为：污水—收集系统—多级沉淀—沉淀净化处理—排入河道。

9.3严禁乱倒、乱卸。

施工现场设密闭式垃圾站，施工垃圾和生活垃圾按规定分开收集，做到每班清扫，每班清运。

9.4施工道路上要适量洒水，减少粉尘污染。

9.5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。

10.效益分析
10.1经济效益
大断面软岩隧道施工采用“三台阶七步开挖法”，在经济效益方面尤为突出，与传统的大断面隧道CRD法施工比较，主要有以下几个方面的优点：一是拓展了隧道的施工空间，可以做到大型施工机具生产效率最大化，避免了CRD法作业空间小、限制了大型施工机具使用的尴尬局面，进一步提高了单位时间内的施工产值，缩短了整个单位工程的施工工期；二是降低了人工用量和劳动强度，
节约了工费成本，由以往密集型劳力施工转变为机械化、程序化施工；三是采用“三台阶七步开挖法”施工没有临时支护环节，节约了大量的临时支护成本，减少投资浪费；四是工程质量满足验标要求，操作便捷，推广性强；
以重庆沿江高速公路古树岩1、2号隧道为例，与传统的大断面隧道CRD法施工相比，采用“三台阶七步开挖法”，有效地发挥了大型施工机具的使用效率，施工进度达到了月平均90-100m/月，经济效益显著。

10.2社会效益
古树岩1、2号隧道采用三台阶七步开挖法施工技术，领先重庆沿江高速公路全线其它重难点隧道工程，第一个顺利贯通，受到了设计单位、监理单位、其他施工单位的一致好评。

突破了大断面隧道安全风险高、施工进度慢、施工难度大这一难题，社会效益显著。

10.3环保效益
该工法施工现场按照设计统一规划、遵循业主和施工环保要求进行实施，隧道地下水及施工用水从核心土开槽引排至集水井，既不影响施工又方便污水处理。

施工现场设密闭式垃圾站，施工垃圾和生活垃圾按规定分开收集，做到每班清扫，每班清运，施工环境粉尘污染少。

该工法施工速度快、成本低，可节约大量能量资源，环保、节能效益良好。

11.工程实例
在沿江高速公路后续开工的总长6017米的新屋基特长隧道和2000米的佛儿岩隧道、塘垭口隧道、晒顶堡隧道等，均采用三台阶七步法，取得了安全、质量、进度的良好效果。