隧道三台阶七步开挖施工工法
高传伟
摘要：铁路大断面隧道三台阶七步法（以下简称“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。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。
关键词：三台阶七步开挖工法
一.工法特点
1.1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；
1.2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；
1.3适应不同跨度和多种断面形式，初期支护工序操作便捷；
1.4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；
1.5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；
二.适用范围
本工法适用于开挖断面为100～180 m2，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、洞口浅埋偏压段（但经过反压处理或施做超前大管棚后可采用）。
三.施工工艺
“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。
三台阶七步开挖法在施工的各阶段，均应进行现场量测，及时提出可靠的测量信息，反馈指导施工和修改支护参数。
四.施工工艺流程及操作要点
4.1施工工艺流程施作仰拱
图4.1-1施工工艺流程图
4.2三台阶七步开挖发施工步骤
施工步骤见附图4.2-1，开挖透视见附图4.2-2，施工工序见附图4.2-3
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，
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。
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4.2-2开挖透视
施工工序纵断面示意图施工工序正面示意图
附图4.2-3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 。
4.3三台阶七步开挖法施工要点
4.3.1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。
4.3.2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。
4.3.3三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。
五.材料与设备
5.1材料：本工法使用的材料都是常用的。
5.2设备：本工法操作简单，单作业面施工机具配备见表5-2-1，可根据施工现场情况酌情调整。
5-2-1 单作业面施工机具配备
六.质量控制
6.1工程质量控制标准
本工法以《铁路隧道施工技术规范》，《铁路工程质量检验评定标准》进行质量控制。
6.2质量保证措施
6.2.1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。
6.2.2三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。
6.2.3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。
6.2.4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。
6.2.5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。
6.2.6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。
6.2.7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。
6.2.8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。
七.安全措施
7.1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。
7.2三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。
7.2.1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；
7.2.2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。
