三台阶七步法在浅埋隧洞中的应用

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中图分类号：TV554文献标识码：A 文章编号：

引言

隧洞开挖工法的选择需综合考虑工程地质、水文地质条件、开挖断面大小、隧道埋深、结构形式、隧道长度、工序转化、机械设备配置、工期要求以及环境保护等，隧道开挖工法有全断面法、台阶法、中隔壁法、双侧壁导坑法。三台阶七步法是以弧形导坑开挖留核心土为基本模式，分上、中、下三个台阶七个开挖面，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。三台阶七步法开挖法自确立以来以不需要临时支护、方便机械化施工、利于施工工序转换等特点在Ⅳ、Ⅴ级围岩，黄土和强风化岩层等地质较差的隧洞运用越来越广。随着高铁铁路的迅速发展，三台阶七步开挖工法在隧道应用中也不断发展。

1、工程概况

由水电建设集团路桥公司承建的贵广铁路十标段线路位于广东省肇庆市怀集、广宁县境内，线路全长58.436km。标段隧道位于剥蚀低山丘陵区，地形绵延起伏，沟谷深切。丘坡自然坡度25～40°，植被发育，相对高差100～7O0m。区域地质构造单元属于新华夏构造体系和中华夏构造体系影响带。隧道穿越的地层主要有第四系残坡积层粉质黏土和寒武系八村群第二、三亚群砂岩、泥质砂岩、粉砂岩、页岩及白垩系红层粉砂岩、砂砾岩、泥岩等，寒武系与白垩系地层呈角度不整合接触。隧道地质条件复杂。王布一号隧道、坳仔三号隧道、旧屋一号隧道、坳仔四号隧道为其中的4条。

铁路等级：I级；正线数目：双线；设计速度：300km/h；隧道的开挖断面为140m2。

2、三台阶七步法开挖的应用

王布一号隧道、坳仔三号隧道、旧屋一号隧道不管是从地址条件复杂多变、断面大小等方面考虑三台阶七步法都是不错的选择。而标段能保证超前地质预报和监控量测的进行等保证三台阶七步法的施工安全和工程质量。

2.1隧道工程概况

王布一号隧道隧道全长181m全部为Ⅴ级围岩，的起讫里程为DK670+366～DK670+547。坳仔三号隧道隧道全长174m全部为Ⅴ级围岩，起讫里程DK676+280～Dk676+454。旧屋一号隧道隧道全长142m，Ⅴ级97m、Ⅳ级45m，起讫里程为DK676+510～DK676+652。三条隧道地质情况均为地表地质为第四系残坡积粉质黏土。王布一号隧道穿越地层主要为全风化～强风化层，岩体破碎，地下水为少量基岩风化裂隙水。坳仔三号隧道隧道岩层软节理裂隙发育，岩体较破碎，受构造影响，本隧道有少量基岩风化裂隙水，岩体完整性较差。旧屋一号隧道隧道洞身大部分位于全风化~强风化地层中，围岩完整~破碎；发育少量基岩裂隙水。

2.2三台阶七步法开挖工序

三台阶七步法适用于断面100~180m2，是根据以往大断面隧道施工及郑西客运专线张茅隧道、交口隧道等施工的经验确定的。三台阶七步法隧道施工基本原则“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”。三台阶分层高度一层约3.7m、二层约3.6 m、三层约3.0m；开挖循环进尺为0.8~1.0m。项目部旧屋一号隧道、王布一号隧道和坳仔三号隧道选择三台阶七步开挖工法开挖，综合考虑围岩级别、隧道开挖断面大小和隧道资源配置等因素。

1、（1）利用上一循环架立的钢架施作隧道超前支护。（2）弱爆破分部开挖①部，同时每循环进尺一次，掌子面喷5cm厚混凝土封闭。（3）分部施作①部导坑周边的初期支护，即初喷4cm厚混凝土，架立钢架。（4）施作锁脚钢管（Ф50mm，壁厚3.5mm，长4.5m，一处2根，共4根）,采用Φ22钢筋制作成U型卡，卡在锁脚钢管与工字钢上并焊接牢固。（5）钻设系统锚杆后复喷混凝土至设计厚度。系统锚杆拱部为带排气装置的注浆锚杆，环向间距1.2m，梅花形布置，每环有带排气装置的注浆锚杆。

2、（1）在滞后①部一段距离后，弱爆破左右交错开挖②、③部。（2）喷5cm厚混凝土封闭掌子面。（3）导坑周边部分初喷4cm厚混凝土，施作钢架，并设锁脚钢管。（4）钻设系统锚杆后复喷混凝土至设计厚度。

3、（1）在滞后③部一段距离后，弱爆破左右交错开挖④、⑤部。（2）导坑周边部分初喷4cm厚混凝土，施作钢架，并设锁脚钢管。（3）钻设系统锚杆后复喷混凝土至设计厚度。

4、分台阶开挖⑥部。

5、（1）开挖⑦部。（2）隧底周边部分喷4cm厚混凝土，施作钢架。（3）复喷混凝土至设计厚度。

6、灌注Ⅶ部仰拱及隧底填充。

7、根据监控量测结果分析，待初期支护收敛后，利用衬砌模板台车一次性浇筑Ⅸ部衬砌。

2.3三台阶七步开挖施工特点

王布一号隧道、坳仔三号隧道、旧屋一号隧道的施工成功解决了偏压、围岩差等困难，确保了施工安全、工程质量和工期。施工过程中三台阶七步法的特点很突出，项目部很好的发挥了其优点。

1、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。

2、在台阶法开挖的基础上，预留核心土，左右错开开挖，利于开挖工作面稳定。

3、加快闭合时间。当围岩变形较大或突变时，可以确保施工的安全。

2.4三台阶七步开挖施工中常出现的问题

三台阶七步开挖法在实际施工中也有不足之处。

2.4.1 一步开挖高度影响开挖速度

一步开挖高度设计为3m，而三台阶七步法开挖的特点是在部分软岩或土质地段可以采用挖掘机直接开挖工效高，由于高度不足空间不大使得挖掘机工作起来不舒展，直接影响一步开挖速度。

2.4.2 六步开挖出渣较慢影响下一循环开挖

在六步施工中6-1步长3~5m高1.5~2.5m，6-2长4~6m高3m。出渣时，自卸车停至6-3台阶上挖掘机停至6-2进行出渣，由于出渣空间大造成效率很慢，影响下一循环开挖。

2.4.3 一步开挖高度影响锚杆钻孔施工

Ⅴ级围岩系统锚杆采用的是4m长，拱部为带排气装置的注浆锚杆，边墙为砂浆锚杆，一步开挖以后施作锚杆时由于一步开挖高度不足，钻孔施工空间较小，影响锚杆钻孔施工。

2.4.4 二三步开挖与核心土的距离影响边墙锚杆钻孔施工

二三步开挖与6-2核心土的距离太小影响到了边墙锚杆钻孔施工。

3、新三台阶七步开挖在坳仔四号隧道中的应用

施工总计划要求坳仔四号隧道贯通以后修便道至木空良一号和木空良中桥。坳仔四号隧道的贯通时间直接影响木空良一号隧道的开工时间，保证坳仔四号的贯通日期很重要，项目部结合坳仔四号隧道自身特点、工期、人员设备配置等因素，在三台阶七步法的基础上加以改变形成了适合坳仔四号隧道的新三台阶七步法。

3.1坳仔四号隧道工程概况

坳仔四号隧道隧道位于剥蚀丘陵区，山脊呈长条状；地形陡峭，丘陵自然坡度一般15~45°，植被发育。本隧道所处地质表层为第四系残坡积粉质黏土，灰褐色、硬塑，厚度1～3.0m；下覆基岩为寒武系八村群第二亚群粉砂岩、砂岩及页岩，全～弱风化，灰黄色，岩层结构单一，隧道洞身大部分位于全风化～强风化地层中，附近地层主要产状为150°∠65°；全风化层2~4m，强风化层厚大于10m，隧道洞身大部分位于全风化~强风化地层中，围岩完整~破碎；发育少量基岩裂隙水。本隧道围岩类别为Ⅴ级97m、Ⅳ级45m。

3.2新三台阶七步法

3.2.1坳仔四号隧道三台阶七步法的工序

三台阶七步开挖工法基本原则“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”不变。三台阶分层高度一层4.15m、二层3.15～3.9 m、三层2.19m。