三台阶七步开挖法在三车道公路隧道施工中的应用

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1.概述
随着社会经济的发展和公路建设标准的提高以及高速公路逐步向崇山峻岭延伸，三车道大跨径和特长公路隧道越来越多。

通常，这类隧道断面呈扁坦状，开挖跨度大，围岩易失稳，施工难度较大，特别是洞口段围岩一般比较差。

三车道公路隧道开挖设计上一般采用双侧壁导坑法、交叉中隔壁法（CRD法）、中隔壁法（CD法）等，但这些工法存在一定的局限性。

主要表现在：一是工作面狭小，限制了大型施工机械的使用，工效低，进度均较慢，难以满足工期要求；二是工序多，衔接性差，施工干扰大，质量无法保证；三是临时支护多，成本投入大；四是初支封闭成环时间长，临时支护拆除和受力转换容易引起初支出现大的变形，存在安全风险等。

为了有效规避传统工法的局限，借鉴近几年来高铁大断面隧道建设的成功经验，对三车道公路隧道Ⅴ级和Ⅳ级围岩段的开挖采用“三台阶七步开挖法”。

现结合“三台阶七步开挖法”在沈海复线宁德漳湾至连江浦口高速公路油车岭隧道施工中的应用实践，介绍“三台阶七步开挖法”的施工步骤、工艺流程和控制要点等，供类似工程参考。

2.工程概况
油车岭隧道位于沈海复线宁德漳湾至连江浦口高速公路福建宁德与福州的交界处，起讫桩号为左洞ZK28+457～ZK34+211，右洞YK28+ 439～YK34+165。

左洞长5754m，右洞长5726m，属于特长隧道。

设计行车速度为100km/h，采用分离式双洞布置，单洞三车道，开挖跨度为17.5m、高度为12.5m，断面面积为187m2，在ZK30+520处设置一深373m 的排烟竖井，开挖断面大，施工难度高，工期紧。

2.1工程地质
该隧道隧址地形波状起伏，洞身最高点海拔约520m，最大埋深约440m。

工程地质复杂，围岩级别为Ⅱ～Ⅴ级，断层和节理裂隙密集带多。

水文地质复杂，隧道顶路线外800m有一罗源半岭水库，标高170m，面积36700m2。

隧道进洞段为Ⅴ级围岩，围岩为坡积粉质粘土、残积砂质粘土、全风化凝灰熔岩、砂土状-碎块状强风化凝灰熔岩，岩体破碎，[BQ]<250，开挖中地下水多呈淋雨状。

2.2复合式支护设计参数
（1）Ⅴ级围岩段设计主要支护参数为：初期支护混凝土为湿喷C25早强混凝土，厚度为30cm；直径25mm的中空锚杆，长度4m、间距1m；直径8mm的钢筋网，间距20cm，工22b钢架，间距70cm，仰拱初支为工22b 钢架，间距70cm，C25混凝土，二衬（包括仰拱和拱墙）为C25钢筋混凝土。

（2）Ⅳ级围岩段设计主要支护参数为：初期支护混凝土为湿喷C20早强混凝土，厚度为24cm；直径25mm的砂浆锚杆，长度3.5m、间距1m；直径8mm的钢筋网、间距20cm，工18钢架，间距70cm，仰拱初支为工18钢架，间距70cm，C25混凝土，二衬（包括仰拱和拱墙）为C25钢筋混凝土。

3.三台阶七步开挖法基本定义
3.1三台阶七步开挖法分类
三台阶七步开挖法根据围岩状况可分为三台阶预留核心土法、三台阶上导坑预留核心土法和三台阶不留核心土三种方法。

3.2三台阶七步开挖法定义
三台阶七步预留核心土开挖法（以下简称“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。

3.3三台阶七步开挖法适用范围
三台阶七步开挖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。

Ⅳ、Ⅴ级围岩地质主要有黄土、强风化岩层等，不适用条件有围岩地质为流塑状态、洞口浅埋偏压段（但经过反压处理或施作超前大管棚后可采用）。

4.三台阶七步开挖法的特点
（1）施工空间大，方便机械化施工，可以多作业面平行作业，可以形成纵向流水作业。

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。

（6）三台阶七步开挖法规避了双侧壁导坑法、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，并能及时调整闭合时间，方便机械化施工，有利于施工工序转换。

5.三台阶七步开挖法的施工工艺
5.1三台阶七步开挖法施工工序
（1）三台阶七步开挖法可分为以下主要步骤：
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。

（2）三台阶七步开挖法施工工序透视图，见图1。

图1施工工序透视图
5.2三台阶七步开挖法的施工工艺流程，见图2
图2施工工艺流程图
6.三台阶七步开挖法施工控制要点
6.1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。

6.2三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，仰拱紧跟下台阶，及时封闭构成稳固的支护体系，全断面初期支护闭合时间宜控制在10~15天左右。

（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）二次衬砌距仰拱宜保持2倍以上衬砌循环作业长度，但不得大
三台阶七步开挖法在三车道公路隧道施工中的应用
宁德沈海复线宁连高速公路有限公司陈成仕
［摘要］本文针对油车岭特长三车道公路隧道工期紧、施工难度大等施工难点，通过优化施工方法，结合工程实例详细介绍了三台阶七步开挖法在特长三车道公路隧道软弱围岩中的施工工序、施工步骤与工艺流程，并总结出了三台阶七步开挖法施工中的控制要点，供类似工程施工参考。

［关键词］特长隧道软弱围岩三台阶七步开挖法施工步骤
控制要点
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于50m。

6.3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。

6.4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。

6.5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。

6.6三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，每次开挖长度一般按照1~2榀钢架间距控制，且不得超过1.5m；上台阶开挖高度一般为3～4m，开挖矢跨比应大于0.3，环向弧形开挖导坑，预留核心土；开挖后立即初喷3～5cm混凝土，以减少围岩暴露时间。

6.7中、下台阶左、右侧开挖应错开，严禁对开，开挖高度一般为3～3.5m，左右侧错开距离宜为2～3m。

6.8及时落底封闭成环。

（1）隧底开挖应采用全幅分段施工，上面铺设仰拱栈桥，每循环开挖长度宜控制在3~4榀钢架距离，且不得大于3m。

（2）仰拱距开挖掌子面应控制在30m～40m的距离，如围岩变形较大，长时间难以稳定，则应进一步缩短仰拱到开挖面的距离，必要时仰拱跟至下台阶；二衬距仰拱应控制在20～30m，距开挖掌子面最大不得超过70m。

当仰拱施工滞后下部台阶开挖面30～40m时，应停止前方工作面开挖或短距离跳槽进行隧底开挖。

（3）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。

6.9仰拱应超前拱墙衬砌，每循环浇筑长度宜为4～6m，仰拱应采用浮放模板支架成型。

仰拱混凝土应分段全幅浇筑，一次成型，不留纵向施工缝，仰拱施工缝和变形缝应设置止水带。

仰拱表面应平顺，不积水。

6.10仰拱填充混凝土应在仰拱混凝土终凝后浇筑，浇筑前应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。

仰拱填充表面坡度应符合设计要求，应平顺、排水通畅、不积水。

6.11锁脚锚杆（管）对三台阶七步开挖法施工安全至关重要，可防止钢架拱脚向洞内位移和下沉。

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。

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（管），钢架应与锁脚锚杆（管）焊接牢固。

6.12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。

6.13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）脚承载力的措施控制变形。

6.14应加强超前地质预报和监控量测工作，根据预报和量测结果，合理确定循环进尺，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。

6.15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。

6.16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。

7.实施效果
沈海复线宁德漳湾至连江浦口高速公路油车岭隧道，设计为双洞分离式，单洞三车道，开挖跨度达17.5m、高度为12.5m,断面面积为187 m2。

洞口320m段为Ⅴ级和Ⅳ级围岩，围岩为坡积粉质粘土、残积砂质粘土、全风化凝灰熔岩、砂土状-碎块状强风化凝灰熔岩、中风化凝灰熔岩，岩体破碎，[BQ]<250，开挖中地下水多呈淋雨状。

Ⅴ级围岩设计为双侧壁导坑开挖法，套拱加超前大管棚辅助进洞，Ⅳ级围岩开挖设计采用交叉中隔壁法（CRD法）。

在进洞时按照设计的双侧壁导坑法开挖，因工作面小，无法机械化作业，工序多、衔接性差、施工干扰大，无法形成循环，导致开挖面做做停停，造成严重窝工，月平均进尺不到20m，严重影响工程进度。

采用双侧壁导坑开挖穿过了大管棚后，掌子面揭露出围岩优于Ⅴ级，接近Ⅳ级。

经参建各方共同研究，改为“三台阶七步开挖法”施工，支护参数维持原设计不变，月进尺平均在115m左右，超过了国内同类围岩月平均进尺45m的水平，安全、质量情况良好，工序紧凑、循环顺畅、节约了施工成本，取消了临时支撑，降低了工程投资。

8.结语
三台阶七步开挖法是弧形导坑留核心土开挖法和台阶开挖法的综合与发展，是在对新奥法的认识和探索过程中，为解决软弱围岩的稳定与工期矛盾开发出的一种新的施工方法。

三台阶七步开挖法施工，遵循“先预报、管超前、后开挖、强支护、弱爆破、小分块、短台阶、多循环、快封闭、勤量测”的施工原则，自上而下步步为营，随挖随撑，及时做好初期支护，快速封闭成环，待初支变形稳定后，施行施工防排水和二衬。

其工法安全、可靠，工序紧凑、横向平行作业、纵向流水作业、操作性强，施工机械化程度高、进度快、工效高、质量有保证、经济，已成为大断面软弱围岩三车道公路隧道施工的成熟工法。

参考文献
［1］公路隧道施工技术规范JTGF60-2009.北京:人民交通出版社, 2009.
［2］公路隧道施工技术细则JTG/TF60-2009.北京:人民交通出版社,2009.
［3］铁路大断面隧道三台阶七步开挖法施工作业指南经规标准［2007］119号.北京:中国铁道出版社，2007.
［4］龚成术.浅谈大断面黄土隧道三台阶七步开挖法［J］.铁道建筑技术,2009（6）:71-74.
［5］闻庆权.三台阶七步开挖法在离石隧道施工中的应用［J］.现代隧道技术,2009（6）:106-125.
3.5陷落柱对瓦斯赋存的影响
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