三臺階七步法開挖大斷面隧道控制要點

聶 永 崗

(山西省晉中路橋建設集團有限公司，山西 晉中 030600)

新奧法掘進是一種先進的隧道設計和施工方法。在新奧法施工掘進中，主要有全斷面法、臺階法、環形開挖留核心土法、雙側壁導坑法、單側壁導坑法、交叉中隔壁法等隧道掘進方式。在選擇隧道掘進方式時，應綜合考慮圍巖條件、隧道長度、斷面結構、支護襯砌、工期要求、機械設備等施工現場實際情況合理確定。

三臺階七步開挖法是臺階法的一種。與側壁導坑法、中隔壁法及交叉中隔壁法等相比較，三臺階七步開挖法無需進行臨時支護拆除，避免了受力轉換中容易出現的不安全因素等問題，有利于及時進行閉合時間的調整，便于根據地質條件轉換施工工序，機械施工方便，能在確保施工安全的前提下提高施工進度。在我國隧道施工中，三臺階七步開挖法在大斷面隧道施工中應用較多，適用于進行有一定自穩條件的Ⅳ,Ⅴ級圍巖段的洞體開挖作業。

1 概述

采用三臺階七步開挖法進行大斷面隧道洞體掘進時，以弧形導坑進行開挖后留核心土，臺階分上、中、下三層共計形成七個開挖面，沿隧道進行各部位開挖并及時進行支護，要求做到縱向相互錯開、平行開挖推進。在大斷面隧道施工中，使用三臺階七步法進行洞體開挖具有以下技術優勢：

1)以機械開挖為主，可以多個作業面平行推進。在部分軟巖地段進行施工時，為將圍巖的擾動有效降低，還可用挖掘機進行下半部斷面的直接開挖。2)進行轉換施工方法或工序靈活，洞體掘進進度穩定。該優勢在結構復雜、軟硬圍巖相間的地質條件下非常明顯，有利于保證工期進度。3)施工中無需進行臨時支護的拆除，能適應不同的跨度和多種斷面形式，經濟性顯著。4)仰拱作業能夠超前施作，有利于及時閉合初期支護。5)防水層和灌注混凝土襯砌全斷面一次性施作完成，有利于確保襯砌質量。6)施工中特殊設備無需添加，施工工藝簡單，易推廣。

在施工中，為確保施工質量和安全，應重視超前地質預報，以便于根據地質變化情況及時進行各部臺階長度或工法調整。

2 施工工藝

在某隧道工程中，隧道全程5.7 km，洞門采用端墻式門，開挖斷面為150 m2，洞體的覆土較薄。洞口段圍巖Ⅴ級，巖質軟弱破碎、成拱困難，使用拱部套拱和大管棚預支護確保順利進洞。為確保洞體施工安全，隧道開挖作業采用三臺階七步法進行。

2.1 三臺階七步開挖

在采用三臺階七步開挖法進行洞體開挖時，可分成上、中、下三層臺階和仰拱共四部分，見圖1。使用環形開挖拱部后，須預留核心土具有對掌子面施壓的效果。為確保掌子面的穩定，在中部及下部臺階上，先進行兩側土體的開挖，嚴禁對開，還須保持中部土體不動。在洞體開挖過程中，要求七個開挖面做到“相互錯開、同時開挖、同時支護”，形成循環流水作業，逐步向前掘進。

洞體開挖的主要步驟是：先環向開挖上部的弧形導坑，跟進進行仰拱初期支護的施工；在中層和下層臺階上，進行左右側開挖面的開挖，要求左右面須錯開2 m～3 m，及時進行墻部初期支護施工；最后進行預留核心土及隧底開挖后，做好隧底初期支護施作。在開挖過程中，為盡早封閉成環確保安全施工，要采取措施確保各部初期支護施工及時進行，仰拱施工作業應在隧底初期支護完成后及時進行。

洞體開挖以機械為主(見圖2)，人工輔助修邊(見圖3)。在確保施工安全的情況下，嚴格控制開挖長度，合理確定循環進尺，嚴格按確定的臺階長度、核心土與拱頂距離、兩側開挖長度及錯開長度等指標進行，以減少圍巖暴露時間。

2.2 初期支護施工

在隧道施工中，初期支護作為主要的受力結構，須做到嚴格規范施工。研究表明：在隧道洞體開挖后，初期支護在Ⅳ級以上圍巖中承受全部的圍巖應力，二襯只作為安全儲備；在Ⅳ級以下圍巖里初期支護承受80%以上的圍巖應力，二襯只承受20%左右圍巖應力。

初期支護的目的在于保護圍巖的自然承載力，在開挖后應立即進行初期支護施工。初期支護主要由混凝土、錨桿、鋼筋網和鋼架等聯合受力，確保對圍巖形成穩定的支護性能。要求將初期支護實現全斷面的閉合時間控制在15 d左右，有條件時應盡量縮短。

噴射混凝土作為錨噴支護的重要組成部分，其施工質量的好壞對支護效果能起到控制性的作用。初噴混凝土封閉巖面在開挖后立即進行，見圖4。分段分片進行噴射，從拱腳自下而上開展作業?；炷羾娚鋺龊脧姸?、厚度及其與巖面粘結性能的控制。

初噴混凝土后應及時施作錨桿，錨桿必須設置墊板。

鋪設的鋼筋網應與錨桿、鋼架連接牢固。采用焊接方式連接鋼筋網片，相鄰兩幅間的搭接長度為1個～2個網格。

進行鋼架安裝時，拱、墻部鋼架單元宜采用栓接的方式連接。鋼架拱腳應架設在穩固的基巖上或底部鋪墊的槽鋼上，嚴禁拱腳懸空或采用虛渣回填，以保證基礎穩固。須將鋼架間距、橫向位置和高程的偏差及垂直度偏差控制在允許范圍以內。設專人進行鋼架與縱向筋、鎖腳錨桿的焊接質量檢測，確保連接牢固，確保鋼架整體穩定。安裝完畢的鋼架與圍巖間隙應控制在5 cm以內。

在施工中，為避免出現基腳變形，可將與鋼架栓接(如圖5所示)的鎖腳錨桿尾部加工成“L”狀，以確保焊接牢固，須重視做好鎖腳錨桿的施工質量控制。

噴射混凝土(如圖6所示)厚度不得小于設計要求，表面應平順，不存在空鼓、裂縫、酥松等質量問題。

2.3 仰拱施工

應盡量超前進行仰拱施作，將仰拱與上臺階開挖面的距離按30 m～40 m進行控制，須及時跟進后續的防水板鋪設、二襯施工等工序。將二次襯砌施工與仰拱的距離保持在2倍以上的襯砌循環作業長度，但不得大于50 m。

采用全幅分段進行隧底開挖作業，按2 m～3 m進行一個開挖循環的長度控制。在隧底開挖作業中，將虛渣、泥漿等雜物及時進行清除后，須立即進行混凝土噴射封閉巖面，噴射厚度控制在3 cm～5 cm。進行仰拱鋼架安裝(如圖7所示)時，須嚴格按設計規格和要求進行，再噴射一定厚度的混凝土確保支護閉合成環。

在進行仰拱混凝土澆筑時，采用分段全幅澆筑的方法，按4 m～6 m為一個循環段進行澆筑，確保一次成型。待仰拱混凝土終凝后，將表面雜物和積水清除，進行仰拱填充混凝土的澆筑，應連續澆筑仰拱填充混凝土，確保一次成型。

待填充的混凝土強度達到設計強度后，允許車輛通行。

2.4 監控量測

在隧道開挖過程中，須做到監控量測工作的全工程參與，要求緊跟開挖支護開展監控量測作業。

在監控量測過程中，通過進行布點和監測，及時進行監測數據分析，指導洞體開挖作業及支護參數調整，以保證施工安全。

3 控制要點

采用三臺階七步進行隧道施工時，初期支護及仰拱須及時施作，確保閉合成環，以有效抑制圍巖變形。在施工中，為確保施工質量和安全，須做好以下控制要點：

1)隧道進出洞是隧道施工中的一個難點，特別是在進出洞地質條件較差時，須高度重視隧道進出口設計和施工。

2)在隧道進洞前，須采取有效的洞頂及洞口防排水措施。為避免地表水及施工用水下滲影響隧道結構安全，設置的排水溝應進行砂漿抹面硬化。在開挖過程中，為避免影響基底承載力狀況的出現，須及時搭設或完善洞內防排水設施。

3)重視工前培訓，保證施工人員明確崗位職責，保證各工序間的有序銜接，做好施工組織，盡量縮短圍巖暴露的時間。

4)在洞體開挖過程中，以機械開挖為主，洞體周邊預留30 cm人工進行開挖。要使用爆破時，須采用弱爆破，將對圍巖的擾動盡量降低。

5)嚴格按設計要求進行超前支護施工，保證隧道開挖的施工安全。

6)對隧道出現的超挖部位，須回填密實或是充填注漿，確保支護與圍巖緊密相貼。

7)重視監控量測工作，必要時進行支護參數調整，重視信息化在施工管理中的重要作業。

在我國，隨著公路交通事業的迅速發展，特別是高速公路向中西部地區的擴展，長大隧道施工越來越多。在長大隧道中，采用三臺階七步開挖法，有利于保護圍巖天然承載力，有效抑制圍巖變形，提高施工進度，確保施工安全。同時，還須注意到，該施工工藝的工法并不是一成不變的，須根據隧道的具體地質條件，及時進行改進，確保隧道施工更安全，施工進度更高效，施工質量更好。