三臺階七步開挖法在大中山隧道的應用

趙淑保

（中鐵十六局集團第二工程有限公司，天津 300162）

三臺階七步開挖法在大中山隧道的應用

趙淑保

（中鐵十六局集團第二工程有限公司，天津 300162）

為了解決復雜環境下，大斷面軟弱地質隧道施工的技術問題，確保隧道施工的安全和整體結構的穩定，提高工程質量，結合墨江至臨滄高速公路大中山隧道，重點介紹了三臺階七步開挖的施工工法，該施工工法適合于工程水文地質復雜、可變性大的地質結構中，能較大限度的發揮施工機械優勢，加快施工進度，該工法成功的應用為類似工程提供了寶貴的經驗。

隧道；三臺階七步開挖；施工工序

1 工程概況

1.1 隧道概述

新建大中山隧道位于云南省普洱市鎮沅縣境內，大中山隧道線路等級為高速公路，設計荷載為公路-I級，設計行車速度80 km／h，按分離式雙向四車道隧道設計。左線隧道進口樁號Z3K88+246，出口樁號Z3K93+883，長5 637m；右線隧道進口樁號K88+245，出口樁號K93+860，長5 615 m，屬于特長隧道。該隧道全部位于直線上，隧道內最大縱坡3%，最小縱坡0. 3%。隧道區海拔高程1 198.58～1 939.63 m，相對高差741.05m，屬中高山地貌，地形較為陡峻。地貌受構造及巖性控制，沿斷層破碎帶形成侵蝕溝槽。泥巖層薄，多形成小溝槽、緩坡地形。自然坡度15°～20°，地表植被發育茂盛，附近有縣道X38、鄉村道路等通過，交通條件較差。

1.2 隧址地質

本隧道區位于云南山字形構造前弧和青、藏、滇、緬“歹”字型構造中段的復合部位，主要構造為者干河褶斷帶中的大文莊斷裂（區域編號F5）、當坑斷裂（區域編號F6），隧址區出露兩套地層，上覆為第四系滑塌堆積（Qdel4）粉質粘土、第四系殘坡（Qel+dl4）積粉質粘土、碎石等，下伏為侏羅系上統（J3）泥質砂巖、中統（J2）泥質砂巖、砂巖。

1.3 水文地質

本隧道隧址區地表水主要為山體巖石裂隙滲出水。隧址區內含水介質透水性不一，加之斷層的阻、導水作用，因此隧道穿越地各區段含水層具較大差異，據各含水層賦水特征，可將區內含水層劃分為第四系松散層孔隙含水層、基巖裂隙含水層等兩個含水系，相對應的，其地下水類型包括第四系松散堆積層孔隙潛水、基巖裂隙水等。

2 隧道施工的重點和難點

大中山隧道隧址區不良地質作用主要為斷層、滑塌、高低應力以及高低應力下的軟質巖大變形。隧道進口以粉質粘土、碎石及強風化泥質砂巖為主，洞身主要為砂巖、泥質砂巖。因此，加強超前地質預報及軟弱圍巖施工是本隧道施工的重點、難點，采用三臺階七步開挖工法成為隧道施工的關鍵技術。

3 三臺階七步開挖法施工技術

3.1 三臺階七步開挖法的概念

三臺階七步開挖法，是以弧形導坑預留核心土法為基本模式，共分三個臺階，七個步驟，所謂三臺階即上、中、下臺階，七個步驟分別為上臺階、中臺階左側、中臺階右側、下臺階左側、下臺階右側、中部核心土及仰拱。各部位的開挖與支護沿隧道縱向錯開，平行推進。

3.2 采用三臺階七步開挖法的施工進度

以大中山隧道右線進口段K88+245～K88+ 350為例，圍巖分級劃分為V級，主要為粉質粘土、碎石及強風化泥質砂巖，巖體完整性較差，自穩能力較弱，采用三臺階七步施工作業法后，每個循環開挖0.6 m左右，架立一榀鋼拱架。上臺階開挖進入30 m以后，三臺階七步作業法的步距形成，洞頂覆蓋層達到了10 m，上臺階開挖每個循環根據圍巖情況施工1～2榀鋼拱架。盡管如此，大中山隧道右線進口段在前兩個月平均每月開挖都在50 m左右，有效的保證了工程進度。

與此相比，中隔壁法（CD法）、交叉中隔壁法（CRD法）及比較保守的雙側壁導坑法由于采用了臨時支護，所以進度方面不太理想，每個月的進尺一般在30～40 m左右。況且型鋼鋼拱架及錨桿、鋼筋網的數量也比設計增加很多。

3.3 三臺階七步作業法的施工工序

三臺階七步作業法，又稱環形開挖留核心土法，分三個臺階、七個步驟，每開挖一步均應及時施作錨噴支護、安設鋼拱架。上部留核心土支擋開挖工作面，利于及時施作拱部初期支護以增強工作面的穩定，核心土及下步開挖在拱部初期支護保護下進行，施工安全性好。

圖1 三臺階七步開挖法主要施工步驟

大中山隧道進口段V級圍巖二次襯砌設計最大凈寬為12.5 m，公路路面以上有效凈空面積為93.43 m2，因此針對該斷面尺寸開挖步驟如下：

第1步，大中山隧道進口段上臺階拱部開挖；在拱部超前支護后進行，環向開挖上部弧形導坑，預留核心土，核心土長度宜為3～5 m，寬度為隧道開挖寬度的1／3～1／2，即為4.17～6.25 m。開挖后及時施作拱部初期支護以增強開挖工作面的穩定。

第2步，大中山隧道進口段右側中臺階開挖：開挖長度不應過長，初期支護I18鋼拱架間距為60 cm（大中山隧道V級圍巖淺埋段），開挖進尺應根據該間距確定，不應大于1.5倍拱架間距為宜即每循環最大進尺不得超過0.9 m，開挖高度為3.35 m，開挖寬度一般為3～5 m，開挖后立即初噴3～5 cm混凝土封閉圍巖外露面，及時施作Ф25中空注漿錨桿L=300 cm（間距100 cm×60 cm）并掛設φ8鋼筋網（間距20 cm×20 cm）、安裝I18鋼拱架，噴射C25混凝土厚25 cm，鋼拱架必須放在牢固的基礎上，必要時用同等級砼加固基底，或者底部鋪墊槽鋼，并在右側拱腰接頭處沿向下傾角15°設置2根長4.5 m的Ф42鎖腳小導管，復噴混凝土至設計厚度。

第3步，大中山隧道進口段左側中臺階開挖：開挖應錯開右側中臺階開挖2～3 m，開挖進尺不應大于1.5倍拱架間距為宜即每循環最大進尺不得超過0.9 m，開挖高度為3.35 m，開挖寬度一般為3～5 m，開挖后初噴3～5 cm混凝土封閉圍巖外露面，及時施作Ф25中空注漿錨桿L=300 cm（間距100 cm×60 cm）并掛設φ8鋼筋網（間距20 cm× 20 cm）、安裝I18鋼拱架，噴射C25混凝土厚25 cm，鋼拱架必須放在牢固的基礎上，必要時用同等級混凝土加固基底，或者底部鋪墊槽鋼，并在左側拱腰接頭處沿向下傾角15°設置2根長4.5 m的Ф42鎖腳小導管，復噴混凝土至設計厚度。

第4部，大中山隧道進口段右側下臺階開挖：開挖進尺不應大于1.5倍鋼拱架間距為宜即每循環最大進尺不得超過0.9 m，開挖高度為3.35 m，開挖寬度一般為3～5 m，開挖后初噴3～5 cm混凝土封閉圍巖外露面，及時施作Ф25中空注漿錨桿L =300 cm（間距100 cm×60 cm）并掛設φ8鋼筋網（間距20 cm×20 cm）、安裝I18鋼拱架，噴射C25混凝土厚25 cm，鋼拱架必須放在牢固的基礎上，必要時用同等級砼加固基底，或者底部鋪墊槽鋼，并在右側拱腳接頭處沿向下傾角15°設置2根長4.5 m的Ф42鎖腳小導管，復噴混凝土至設計厚度。

第5部，大中山隧道進口段左側下臺階開挖：開挖進尺不應大于1.5倍鋼拱架間距為宜即每循環最大進尺不得超過0.9 m，開挖高度為3.35 m，開挖寬度一般為3～5 m，開挖后初噴3～5 cm混凝土封閉圍巖外露面，及時施作Ф25中空注漿錨桿L =300 cm（間距100 cm×60 cm）并掛設φ8鋼筋網（間距20 cm×20 cm）、安裝I18鋼拱架，噴射C25混凝土厚25 cm，鋼拱架必須放在牢固的基礎上，必要時用同等級混凝土加固基底，或者底部鋪墊槽鋼，并在左側拱腳接頭處沿向下傾角15°設置2根長4.5 m的Ф42鎖腳小導管，復噴混凝土至設計厚度。

第6步，上臺階、中臺階、下臺階預留核心土：每個臺階預留的核心土，其開挖進尺與各臺階循環進尺相一致。

第7步，大中山隧道進口段隧底開挖：V級圍巖每循環開挖長度宜為2～3 m，開挖后及時施作仰拱初期支護，完成隧底開挖，支護循環后，及時施作仰拱，仰拱分段長度宜為4～6 m。

開挖時中臺階、下臺階左右側的開挖順序可以根據實際圍巖情況調整開挖的先后順序，先開挖圍巖情況較差的一邊，待左右側拉開3 m左右，即可開挖另一側圍巖情況較好的一邊。

3.4 施工過程中的工序銜接

三臺階七步開挖法工序繁瑣，機械開挖是主要的施工方式，必要時根據地質情況鋪以弱爆破。各分部平行作業，平行施作初期支護。施工過程嚴格控制超、欠挖，初期支護應及時可靠，二次襯砌應根據監控量測結果適時施工，盡早封閉成環。右線進口段K88+245～K88+350在施工中要堅持“弱爆破、短開挖、強支護、早閉合、襯砌緊跟”的原則，防止巖體坍塌，各工序緊跟，不能脫節。二次襯砌主要采用整體式模板臺車模筑混凝土的機械化施工方案，確保二次襯砌質量達到內實外光，切實做好圍巖監控量測工作，及時反饋信息和優化調整設計參數，以確保結構穩定和施工安全。

3.5 施工過程中核心土的開挖

三臺階七步作業法，核心土尤為重要，起到反壓作用，核心土地開挖直接影響施工進展。

上臺階的核心土長度一般在3～5 m，開挖時和上臺階一次性同時挖掉，即一個循環開挖一次，一次開挖長度和循環進尺長度相等。

中、下臺階及時緊跟，靠前一側的中臺階要跟到上臺階核心土的尾部，施工時上臺階核心土和該臺階的土體可以同時挖掉，然后噴錨網支護。

上、中、下臺階開挖時要先開挖兩側拱腳，最后挖掉核心土，實在有困難中、下臺階不得不挖掉核心土時，必須保證拱架的底部至少1 m范圍內要土體反壓覆蓋。

上、中、下臺階的長度不宜過長，過長了不僅對開挖、加快工序循環不利，而且對支護造成一定程度的影響。噴射混凝土可以利用中臺階中部的平臺堆放噴錨料，同時噴錨3個臺階，若距離過長上、下臺階都不能兼顧。

4 施工過程中的圍巖量測

為了及時掌握圍巖在開挖過程中的動態變化和支護結構的穩定狀態，提供隧道施工全面、系統的信息資料，結合本隧道施工要切實做好地質超前預報和監控量測工作，利用相關數據合理調整支護參數，指導施工，量測數據經分析處理與必要的計算和判斷后，進行預測和反饋，以確保隧道施工安全和結構穩定。做好地質超前預報和監控量測工作，為隧道工程的快速掘進、支護材料的提前準備以及災害事故的有效預防提供可靠的資料和信息，實現隧道施工的“信息化，動態化”。

5 結 論

大中山隧道進口段采用三臺階七步開挖工法后順利地通過了洞口的淺埋段，并成功地消除了不良地質對施工造成的不利影響，有效地保證了安全，確保了施工質量。三臺階七步開挖工法具有機械化施工工效高、在地質條件發生變化時便于靈活及時地轉換施工工序和調整施工方法、安全性較高等技術特點，因此，對于類似工程地施工具有重要的借鑒意義。

［1］ 中交第一公路勘察研究院設計有限公司.玉溪至臨滄高速公路新增控制性工程試驗段兩階段施工圖設計［Q］.西安：中交第一公路勘察研究院設計有限公司，2016，1-20.

［2］ 孫韶峰.古跡坪隧道進口淺埋黃土層進洞施工技術［J］.現代隧道技術，2012，（4）：83-88

［3］ 夏凌.隧道三臺階七步開挖法施工技術［J］.黑龍江交通科技，2013，（11）：72

Application of the Three-Bench Seven-Step Excavation Method in Dazhongshan Tunnel

ZHAO Shu-bao
（The 2nd Engineering Co.，Ltd.of China Railway 16th Bureau Group，Tianjin 300162，China）

In order to solve the complex environment，technical problems of large section softgeological tunnel construction，ensure the safety of tunnel construction and the stability of overall structure，improve the quality of the project，combined with the Mojiang-Lincang Expressway to the Dazhongshan Tunnel，introduces the construction method of the three-step seven-step excavation，the construction method is suitable for engineering complex hydrogeology，variability the geological structure，tomaximize the role of constructionmachinery advantages，accelerate the construction progress，provides valuable experience of successful application of themethod for similar projects.

tunnel；three-bench seven-step excavation method；construction process

U455.4

C

1008-3383（2017）01-0124-03

2016-05-11

趙淑保（1983-），男，內蒙古包頭人，工程師，從事土木工程技術管理和施工管理。