三台阶七步开挖法在超大断面扁平隧道的应用

陈国政 CHEN Guo-zheng；孟陈祥 MENG Chen-xiang；万波 WAN Bo；张城 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设中占比越来越高，相关的施工技术依据地层不同也有不同的施工方法。以矿山法隧道施工为例，主要施工工艺包括测量放样、爆破开挖、洞渣运输、初期支护、二次衬砌等。近些年，不断有学者对矿山法隧道开挖工序和工法开展了优化研究。本次研究基于开挖隧道山体地质力学特征进行详细勘察，针对隧道的不同围岩等级进行稳定性分析和监测，通过数值模拟隧道围岩沉降、位移和埋深的关系，指导隧道三台阶七步开挖工法开挖过程中在保证安全质量前提下提高工效。

因各工法在大断面隧道开挖中的适宜性、经济性目前尚不明确，因此，在降低开挖风险，确保围岩稳定的前提下，探索施工经济性好、与隧道地质及断面相适宜的隧道开挖方法有较高的工程价值。[1]现阶段特大断面隧道开挖不局限于某种方法。各种开挖工法在超大断面扁平结构中的安全性、高效性及稳定性亟待进一步研究。

以新建城市快速路中一段穿山越岭的矿山法隧道作为依托工程，该隧道内轮廓采用三心圆，拱部半径为10.0m，边墙半径为5.8m，仰拱半径为22m，隅角半径1.5m。隧道最大净宽18.762m，隧道最大净高11.542m，最大开挖面积232.45m2。采取数值模拟根据隧道工程地质条件对隧道进行施工阶段模拟。

本着安全稳定且高效原则采用三台阶七步开挖法对洞身Ⅳ级围岩段进行洞身开挖施工。该项开挖工法其作业空间变大，大型施工机械可以在上台阶断面进行有效施工，各项施工工序采用机械化作业时间占比更多，掌子面裸露围岩处作业人员数量及作业时间也同比减少，极大降低施工风险。

1 三台阶七步开挖法工艺原理

“三台阶七步开挖法”是一种以弧形导坑开挖预留核心土为基本模式，整个开挖断面分成上、中、下三个台阶七个开挖面（图1），各断面开挖与支护作业沿隧道纵向错开一定间距，平行推进作业的隧道施工方法。[2]这项开挖工法集合了上下导坑法、双侧壁导坑法、台阶法和全断面开挖法的优势特点，针对前方围岩变化可随时调整和转换的开挖工法。

图1 三台阶七步开挖法开挖顺序图

针对本工程围岩结构特点及隧道轮廓设计特点对三台阶七步开挖法进行研究，各开挖面相互纵向错开并平行推进施工，该项开挖工法有以下特点：

①该开挖工法具有较多施工作业面，通过台阶分部前后开挖提升掌子面整体安全性能，同时利于加大资源投入，有效提高洞身开挖效率。

②有效避免双侧壁导洞法、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的不安全因素，同时在爆破出渣后作业面增加，方便机械化施工，利于施工工序转换；适应不同跨度和多种断面形式，初期支护工序操作便捷。[3]

③有效提高空间和时间利用率，在中下台阶预留核心土能够有效借助核心土重力来抵抗周边围岩的压力，还能够有效支撑工作面，避免两侧围岩收敛。导洞受力均匀，成环快，不会产生导洞偏压现象；作业空间大，在面对突发应急事件时，逃生方式选择较多，灵活性、机动性较强。[4]

④该工法应用于现场施工中，工序更为简单，操作更加灵活。针对前方围岩发生改变需进行工法转变时，在不影响后续施工工序和要求情况下及时作出工法转变和工序调整，施工效率得到有效提高。

2 三台阶七步开挖法三维数值模拟

2.1 矿山法隧道爆破开挖围岩稳定性分析

影响隧道围岩稳定性的因素有很多，大体可分为三类。第一类是地质环境因素，包括隧道埋深和隧道围岩含水量等因素；第二类是隧道尺寸因素，包括开挖面高度和开挖面宽度等因素；第三类是隧道施工管理因素，包括开循环进尺、初期支护拱架间距、隧道开挖与支护间隔时间、初支喷射混凝土所用混凝土强度以及混凝土喷射厚度等因素。

围岩变形是一个非线性且不可逆过程，在隧道洞身施工作业中对初衬背后围岩连续监测数据进行回归分析，可以判断围岩形变是否达到稳定，从而反映岩石内部应力是否重新平衡。在裂隙发育的围岩中，变形大小受围岩自身不连续面的方向、频率、强度、结构及赋存环境的综合影响，所以围岩强度（形变）必须综合考虑以上因素来评估实际围岩特性及变形参数以保证隧道正常开挖。[5]

2.2 隧道开挖数值模拟结果

初始模型选取隧道Ⅳ级围岩段作为研究对象，通过FLAC3D 建立的三维数值模型在开挖方向上的长度为30m，设计循环进尺为10m。根据地质条件、断面形状和施工条件等因素，采用三台阶七步开挖法对隧道进行数值模拟计算。（图2、表1）

表1 围岩物理参数表

图2 三台阶七步开挖法竖向位移云图

由图2 可知，三台阶七步开挖法在上台阶开挖过程中拱顶沉降量迅速增加，由于开挖断面较台阶法小，曲线比台阶法的略微平缓，但施工步骤较多，围岩受人为扰动的影响更为显著，拱顶沉降量不断累积，最终达到6.865mm。

3 三台阶七步开挖法实际施工应用

3.1 三台阶七步开挖法在大断面扁平结构中的应用施工流程（见图3）

图3 三台阶七步开挖施工工艺流程

3.2 三台阶七步开挖步骤

①第一步：拱部及掌子面超前支护。

在已支护的拱架上施打超前管棚，并按要求加工成设计图形状。超前管棚施作时应从钢拱架上方过，超前管棚直径较大，应避免从型钢腹部穿过，以免影响钢拱架完整性及其受力。

②第二步：上部弧形台阶开挖及初支。

在上部超前管棚及掌子面玻璃纤维筋等超前预加固施工完成后，采用弱爆破配合机械开挖上部弧形导坑，爆破开挖轮廓富裕0.1m，以便于施工作业。

上台阶机械设备通过斜坡进入作业面，通过挖掘机及装载机配合自卸车出渣，掌子面开挖完成及时完成喷锚支护。必要情况下针对开挖掌子面进行初喷混凝土处理提升隧道结构的整体稳定性。

③第三、四步：右侧中下台阶开挖及初支。

当上台阶掌子面领先40m 后施工右侧中下台阶，中下台阶上下错开应≥8m，开挖进尺应与上台阶进尺一致，先开挖中台阶，当中台阶推进≥8m 后再推进下台阶，后续初期支护同上台阶不再赘述，中下台阶钢拱架应按要求与上台阶钢拱架连接，并施打中台阶及下台阶锁脚锚管。

④第五、六步：左侧中下台阶开挖及初支。

当右侧中台阶掌子面领先左侧中台阶掌子面≥16m后施工左侧中下台阶，中下台阶上下错开应≥8m，开挖进尺应与上台阶进尺一致，但局部围岩破碎区域可根据现场实际情况进行调整，先开挖中台阶，当中台阶推进≥8m 后再推进下台阶，中下台阶掌子面开挖完成后立即初喷6cm 厚混凝土，后续初期支护同右侧中下台阶施工一致。

⑤第七步：中部下台阶（斜坡通道）开挖。

6#导坑即中部下台阶（斜坡）作为机械设备、人员进入上台阶通道，在左右侧中下台阶开挖完成后再行开挖，推进速度应与两侧中下台阶进尺一致，开挖时主要采用机械设备开挖，适当配合弱爆破进行推进，推进后斜坡通道顶应位于上台阶处，斜坡底应位于下台阶底处。

⑥第八步：仰拱开挖及支护。

仰拱开挖应分段分节开挖，开挖出渣完成后人工修整开挖轮廓线并及时支护，保证临时钢拱架安装完成后和拱顶的边墙钢拱架连接成一个整体。

4 三台阶七步开挖法施工工效分析

本工程原设计Ⅳ级围岩采用CD 法施工，该方法施工工序较多，相互影响较大，由于中隔墙易发生失稳，拆除时机难以把握。[6]

通过技术理论支撑作为指导现场施工的依据，在安全质量可控的前提下，隧道开挖进尺速率取决于稳定有效施工天数和单次循环进尺长度。

本工程通过实地勘测及邀请专家论证通过后实行三台阶七步开挖法进行洞身开挖施工，全断面每月平均掘进60m，若无火工品供给不足或隧道出渣不及时等影响洞身爆破开挖进度最多可达80m/月。同等围岩等级条件下采用CD 法进行施工单月掘进速率为30-40m/月，因此采用该工法进行施工能加快一倍施工效率，能极大满足现场施工进度要求。

5 超欠挖控制效果

隧道爆破开挖施工大多在原岩条件下进行，不同类型的原岩受内外力作用出现很多构造形式，经长时间实践可知，地质条件对超欠挖有很大影响。当岩体较为坚硬和完整时，在爆破过程中产生的荷载给岩体介质做的功将保持均匀。若岩体过于坚硬，且未对爆破参数进行适当调整，则有可能导致爆破完成后的隧道欠挖；而若岩体较为破碎，则在爆破完成后会产生相对较大的超挖。[7]（图4）

图4 三台阶七步开挖法拱顶超欠挖实测图

依据中华人民共和国行业标准《公路工程质量检验评定标准 第一册 土建工程》[8]洞身开挖断面允许超挖值如表2 所示。

表2 隧道开挖断面允许超挖值

超欠挖隧道拱部开挖在Ⅳ级围岩超欠挖平均控制在15cm 以内，最大超挖量控制在25cm 以内。由图4 可以看出采用炮眼布置优化后的三台阶七步开挖法围岩超欠挖控制在10cm 以内，极大降低超挖频率，从而更有效地降低施工风险。同时可以通过隧道台阶法爆破围岩损伤情况分析如何优化炮眼布置以更好控制超欠挖。[9]

采用三台阶法进行炮眼布设通过爆破试验及炸药消耗量调整炮眼布置。上台阶炮眼钻孔时足够的作业空间能使得作业台车空间加大，炮孔钻眼人员借助作业台车可以实现准确完成设计炮眼的钻孔，降低钻孔位置偏差，最终有效把控围岩破碎方向从而达到控制超欠挖效果。

6 结论

6.1 安全性

通过综合分析模拟矿山法隧道三台阶七步开挖法进行施工模拟隧道洞身围岩应力变化情况，能准确分析评估在该围岩等级情况下采用该项工法的施工过程围岩的稳定性。同时采用该工法施工各断面开挖和支护时间短，其掌子面有限空间变大，有利于现场机械调头、移动、拓宽操作员视野，机械施工时间增加，人员暴露在危险源施工时间减少；同时现场障碍物更少，逃生通道更宽广，岀现紧急情况时，人员可快速疏散，增强逃生能力。

6.2 施工质量

三台阶七步开挖法是汇聚了多种开挖工法优势特点的开挖工法，可以有效解决开挖过程围岩自身结构失稳而出现的质量问题。隧道施工中开挖支护并进，支护结构及时封闭成环，各工序间衔接紧密。通过对现场监测数据及实际情况进行分析以此准确指导开挖步距的调整，保证围岩初支结构牢固质量整体可控。

6.3 施工工效

三台阶七步开挖法施工机械化作业效率高，掌子面闭环快；对各工序工装设备进行科学组合，配以合理、适应的劳务组织模式，使隧道内形成流水式均衡生产施工局面。施工效率相对比传统人工作业施工效率有大幅度提升，极大加快项目施工进度。