三臺階七步開挖法在超大斷面扁平隧道的應用

陳國政 CHEN Guo-zheng；孟陳祥 MENG Chen-xiang；萬波 WAN Bo；張城 ZHANG Cheng

（上海隧道工程有限公司，上海 200032）

0 引言

隧道在市政道路工程交通建設中占比越來越高，相關的施工技術依據地層不同也有不同的施工方法。以礦山法隧道施工為例，主要施工工藝包括測量放樣、爆破開挖、洞渣運輸、初期支護、二次襯砌等。近些年，不斷有學者對礦山法隧道開挖工序和工法開展了優化研究。本次研究基于開挖隧道山體地質力學特征進行詳細勘察，針對隧道的不同圍巖等級進行穩定性分析和監測，通過數值模擬隧道圍巖沉降、位移和埋深的關系，指導隧道三臺階七步開挖工法開挖過程中在保證安全質量前提下提高工效。

因各工法在大斷面隧道開挖中的適宜性、經濟性目前尚不明確，因此，在降低開挖風險，確保圍巖穩定的前提下，探索施工經濟性好、與隧道地質及斷面相適宜的隧道開挖方法有較高的工程價值。[1]現階段特大斷面隧道開挖不局限于某種方法。各種開挖工法在超大斷面扁平結構中的安全性、高效性及穩定性亟待進一步研究。

以新建城市快速路中一段穿山越嶺的礦山法隧道作為依托工程，該隧道內輪廓采用三心圓，拱部半徑為10.0m，邊墻半徑為5.8m，仰拱半徑為22m，隅角半徑1.5m。隧道最大凈寬18.762m，隧道最大凈高11.542m，最大開挖面積232.45m2。采取數值模擬根據隧道工程地質條件對隧道進行施工階段模擬。

本著安全穩定且高效原則采用三臺階七步開挖法對洞身Ⅳ級圍巖段進行洞身開挖施工。該項開挖工法其作業空間變大，大型施工機械可以在上臺階斷面進行有效施工，各項施工工序采用機械化作業時間占比更多，掌子面裸露圍巖處作業人員數量及作業時間也同比減少，極大降低施工風險。

1 三臺階七步開挖法工藝原理

“三臺階七步開挖法”是一種以弧形導坑開挖預留核心土為基本模式，整個開挖斷面分成上、中、下三個臺階七個開挖面（圖1），各斷面開挖與支護作業沿隧道縱向錯開一定間距，平行推進作業的隧道施工方法。[2]這項開挖工法集合了上下導坑法、雙側壁導坑法、臺階法和全斷面開挖法的優勢特點，針對前方圍巖變化可隨時調整和轉換的開挖工法。

圖1 三臺階七步開挖法開挖順序圖

針對本工程圍巖結構特點及隧道輪廓設計特點對三臺階七步開挖法進行研究，各開挖面相互縱向錯開并平行推進施工，該項開挖工法有以下特點：

①該開挖工法具有較多施工作業面，通過臺階分部前后開挖提升掌子面整體安全性能，同時利于加大資源投入，有效提高洞身開挖效率。

②有效避免雙側壁導洞法、中隔壁法及交叉中隔壁法等需要拆除臨時支護及受力轉換造成的不安全因素，同時在爆破出渣后作業面增加，方便機械化施工，利于施工工序轉換；適應不同跨度和多種斷面形式，初期支護工序操作便捷。[3]

③有效提高空間和時間利用率，在中下臺階預留核心土能夠有效借助核心土重力來抵抗周邊圍巖的壓力，還能夠有效支撐工作面，避免兩側圍巖收斂。導洞受力均勻，成環快，不會產生導洞偏壓現象；作業空間大，在面對突發應急事件時，逃生方式選擇較多，靈活性、機動性較強。[4]

④該工法應用于現場施工中，工序更為簡單，操作更加靈活。針對前方圍巖發生改變需進行工法轉變時，在不影響后續施工工序和要求情況下及時作出工法轉變和工序調整，施工效率得到有效提高。

2 三臺階七步開挖法三維數值模擬

2.1 礦山法隧道爆破開挖圍巖穩定性分析

影響隧道圍巖穩定性的因素有很多，大體可分為三類。第一類是地質環境因素，包括隧道埋深和隧道圍巖含水量等因素；第二類是隧道尺寸因素，包括開挖面高度和開挖面寬度等因素；第三類是隧道施工管理因素，包括開循環進尺、初期支護拱架間距、隧道開挖與支護間隔時間、初支噴射混凝土所用混凝土強度以及混凝土噴射厚度等因素。

圍巖變形是一個非線性且不可逆過程，在隧道洞身施工作業中對初襯背后圍巖連續監測數據進行回歸分析，可以判斷圍巖形變是否達到穩定，從而反映巖石內部應力是否重新平衡。在裂隙發育的圍巖中，變形大小受圍巖自身不連續面的方向、頻率、強度、結構及賦存環境的綜合影響，所以圍巖強度（形變）必須綜合考慮以上因素來評估實際圍巖特性及變形參數以保證隧道正常開挖。[5]

2.2 隧道開挖數值模擬結果

初始模型選取隧道Ⅳ級圍巖段作為研究對象，通過FLAC3D 建立的三維數值模型在開挖方向上的長度為30m，設計循環進尺為10m。根據地質條件、斷面形狀和施工條件等因素，采用三臺階七步開挖法對隧道進行數值模擬計算。（圖2、表1）

表1 圍巖物理參數表

圖2 三臺階七步開挖法豎向位移云圖

由圖2 可知，三臺階七步開挖法在上臺階開挖過程中拱頂沉降量迅速增加，由于開挖斷面較臺階法小，曲線比臺階法的略微平緩，但施工步驟較多，圍巖受人為擾動的影響更為顯著，拱頂沉降量不斷累積，最終達到6.865mm。

3 三臺階七步開挖法實際施工應用

3.1 三臺階七步開挖法在大斷面扁平結構中的應用施工流程（見圖3）

圖3 三臺階七步開挖施工工藝流程

3.2 三臺階七步開挖步驟

①第一步：拱部及掌子面超前支護。

在已支護的拱架上施打超前管棚，并按要求加工成設計圖形狀。超前管棚施作時應從鋼拱架上方過，超前管棚直徑較大，應避免從型鋼腹部穿過，以免影響鋼拱架完整性及其受力。

②第二步：上部弧形臺階開挖及初支。

在上部超前管棚及掌子面玻璃纖維筋等超前預加固施工完成后，采用弱爆破配合機械開挖上部弧形導坑，爆破開挖輪廓富裕0.1m，以便于施工作業。

上臺階機械設備通過斜坡進入作業面，通過挖掘機及裝載機配合自卸車出渣，掌子面開挖完成及時完成噴錨支護。必要情況下針對開挖掌子面進行初噴混凝土處理提升隧道結構的整體穩定性。

③第三、四步：右側中下臺階開挖及初支。

當上臺階掌子面領先40m 后施工右側中下臺階，中下臺階上下錯開應≥8m，開挖進尺應與上臺階進尺一致，先開挖中臺階，當中臺階推進≥8m 后再推進下臺階，后續初期支護同上臺階不再贅述，中下臺階鋼拱架應按要求與上臺階鋼拱架連接，并施打中臺階及下臺階鎖腳錨管。

④第五、六步：左側中下臺階開挖及初支。

當右側中臺階掌子面領先左側中臺階掌子面≥16m后施工左側中下臺階，中下臺階上下錯開應≥8m，開挖進尺應與上臺階進尺一致，但局部圍巖破碎區域可根據現場實際情況進行調整，先開挖中臺階，當中臺階推進≥8m 后再推進下臺階，中下臺階掌子面開挖完成后立即初噴6cm 厚混凝土，后續初期支護同右側中下臺階施工一致。

⑤第七步：中部下臺階（斜坡通道）開挖。

6#導坑即中部下臺階（斜坡）作為機械設備、人員進入上臺階通道，在左右側中下臺階開挖完成后再行開挖，推進速度應與兩側中下臺階進尺一致，開挖時主要采用機械設備開挖，適當配合弱爆破進行推進，推進后斜坡通道頂應位于上臺階處，斜坡底應位于下臺階底處。

⑥第八步：仰拱開挖及支護。

仰拱開挖應分段分節開挖，開挖出渣完成后人工修整開挖輪廓線并及時支護，保證臨時鋼拱架安裝完成后和拱頂的邊墻鋼拱架連接成一個整體。

4 三臺階七步開挖法施工工效分析

本工程原設計Ⅳ級圍巖采用CD 法施工，該方法施工工序較多，相互影響較大，由于中隔墻易發生失穩，拆除時機難以把握。[6]

通過技術理論支撐作為指導現場施工的依據，在安全質量可控的前提下，隧道開挖進尺速率取決于穩定有效施工天數和單次循環進尺長度。

本工程通過實地勘測及邀請專家論證通過后實行三臺階七步開挖法進行洞身開挖施工，全斷面每月平均掘進60m，若無火工品供給不足或隧道出渣不及時等影響洞身爆破開挖進度最多可達80m/月。同等圍巖等級條件下采用CD 法進行施工單月掘進速率為30-40m/月，因此采用該工法進行施工能加快一倍施工效率，能極大滿足現場施工進度要求。

5 超欠挖控制效果

隧道爆破開挖施工大多在原巖條件下進行，不同類型的原巖受內外力作用出現很多構造形式，經長時間實踐可知，地質條件對超欠挖有很大影響。當巖體較為堅硬和完整時，在爆破過程中產生的荷載給巖體介質做的功將保持均勻。若巖體過于堅硬，且未對爆破參數進行適當調整，則有可能導致爆破完成后的隧道欠挖；而若巖體較為破碎，則在爆破完成后會產生相對較大的超挖。[7]（圖4）

圖4 三臺階七步開挖法拱頂超欠挖實測圖

依據中華人民共和國行業標準《公路工程質量檢驗評定標準 第一冊 土建工程》[8]洞身開挖斷面允許超挖值如表2 所示。

表2 隧道開挖斷面允許超挖值

超欠挖隧道拱部開挖在Ⅳ級圍巖超欠挖平均控制在15cm 以內，最大超挖量控制在25cm 以內。由圖4 可以看出采用炮眼布置優化后的三臺階七步開挖法圍巖超欠挖控制在10cm 以內，極大降低超挖頻率，從而更有效地降低施工風險。同時可以通過隧道臺階法爆破圍巖損傷情況分析如何優化炮眼布置以更好控制超欠挖。[9]

采用三臺階法進行炮眼布設通過爆破試驗及炸藥消耗量調整炮眼布置。上臺階炮眼鉆孔時足夠的作業空間能使得作業臺車空間加大，炮孔鉆眼人員借助作業臺車可以實現準確完成設計炮眼的鉆孔，降低鉆孔位置偏差，最終有效把控圍巖破碎方向從而達到控制超欠挖效果。

6 結論

6.1 安全性

通過綜合分析模擬礦山法隧道三臺階七步開挖法進行施工模擬隧道洞身圍巖應力變化情況，能準確分析評估在該圍巖等級情況下采用該項工法的施工過程圍巖的穩定性。同時采用該工法施工各斷面開挖和支護時間短，其掌子面有限空間變大，有利于現場機械調頭、移動、拓寬操作員視野，機械施工時間增加，人員暴露在危險源施工時間減少；同時現場障礙物更少，逃生通道更寬廣，岀現緊急情況時，人員可快速疏散，增強逃生能力。

6.2 施工質量

三臺階七步開挖法是匯聚了多種開挖工法優勢特點的開挖工法，可以有效解決開挖過程圍巖自身結構失穩而出現的質量問題。隧道施工中開挖支護并進，支護結構及時封閉成環，各工序間銜接緊密。通過對現場監測數據及實際情況進行分析以此準確指導開挖步距的調整，保證圍巖初支結構牢固質量整體可控。

6.3 施工工效

三臺階七步開挖法施工機械化作業效率高，掌子面閉環快；對各工序工裝設備進行科學組合，配以合理、適應的勞務組織模式，使隧道內形成流水式均衡生產施工局面。施工效率相對比傳統人工作業施工效率有大幅度提升，極大加快項目施工進度。