三台阶开挖法在软弱围岩隧道中的应用

李国栋

（山西路恒交通勘察设计咨询有限公司，山西 太原 030031）

三台阶开挖法在软弱围岩隧道中的应用

李国栋

（山西路恒交通勘察设计咨询有限公司，山西 太原 030031）

以青海省乐都县高庙镇的隧道为例，介绍了在隧道开挖过程中具体的施工概况。三台阶开挖法作为一种快速简便的隧道施工新技术，已在我国隧道施工中得到越来越多的应用，它的工作机理和计算方法的研究还不够完善，通过对高庙隧道的施工详细描述了三台阶开挖法在软岩隧道中的应用、具体施工办法及优点。根据具体施工情况，阐述了施工的开挖方法、三台阶施工法的具体施工步骤、人工配置、测量控制、监控等方面情况。

三台阶开挖法；新奥法；三结合原则

当今社会发展日新月异，高速铁路和公路的修建对线路、线形的要求越来越高，越来越追求直线化。山岭地区修建铁路想满足时速要求，就难免要修建多条隧道，许多软岩隧道仍然是施工中的难点。按照新奥法施工原理，短台阶法是软岩隧道施工的关键，由短台阶法变化而来的三台阶法用在软岩隧道中，既安全又能提高进度，是值得推广和使用的开挖方法。

三台阶法又称弧形导坑预留核心土法。核心土用来支挡开挖工作面，方便及时施作拱部初期支护，延长开挖作业面的稳定。预留的核心土及下部开挖，在拱部初期支护后才能进行，施工安全性可以得到保障。弧形导坑开挖进尺0.5～1.0m。

弧形导坑预留核心土法，能提前使支护结构形成闭合断面，优点在于可以有效地控制隧道的内空变位速度和变位量，有效控制地表下沉量。弧形导坑预留核心土法，分成上、中、下3个台阶进行施工，上、中、下断面并行施工。在并行施工中控制开挖步距，上、中台阶长度为3～5m，中、下台阶长度为5～10m。以最早形成闭合断面为前提，3个台阶长度可根据实际情况，灵活调整。

隧道工程在整个道路施工工程中占有极其重要的地位，针对目前国内处理软弱围岩隧道的方法和借鉴一些工程实例，结合我国处理同类围岩的施工经验，最终选择三台阶开挖法作为隧道支护方案展开论述。三台阶开挖法在我国已经被广泛应用，积累了许多宝贵的施工经验，这也是我国大多数地区选择三台阶开挖法作为软弱围岩支护方案的一个重要原因。

1 工程概况

1.1 隧道概况

隧址位于青海省乐都县高庙镇，洞身穿过湟水河左侧高阶地形，周边冲沟发育，起伏较大，穿越地质以砂卵石土质为主，最大埋深约75m。起讫里程DK100+355～DK101+545，全长1 190m，进口400m位于直线上，出口800m位于半径为3 500m的曲线上。线路纵坡为5.2‰单面上坡。通过既有线兰青一线铁路，省道及乡村水泥道路相通，交通便利。

1.2 地质概况

通过地层主要为第四系上更新统风积砂质黄土、冲积砂质黄土、冲积粗圆砾土、卵石土，山体结构复杂，地下水系丰富，地质条件较差。砂卵石土质隧道为国家二级科研课题，该项目施工是国家科技研究项目的实体展现，同时安全贯通，也是本隧道作为课题的关键。

2 施工方法

2.1 开挖方法

依据新奥法原理组织施工，DK100+355～DK101+485采用三台阶法（弧形导坑留核心土法），DK101+485～DK101+545采用三台阶法(衬砌紧跟法)。

采用人工配合机械开挖，如需爆破时采用松动爆破，弧形边缘人工整修，尽最大限度控制开挖轮廓圆顺，弧形边缘平整。开挖中加强对作业面的地质素描和超前地质预报工作。减少机械作业对围岩的扰动，初期支护立即跟进。

本隧道全线为Ⅴ级围岩，变形量预留8 cm。

2.1.1 三台阶法施工

DK100+355～DK101+485采用上部弧形导坑预留核心土法施工。弧形导坑留核心土法施工示意图，如图1所示。

图1 弧形导坑留核心土法施工示意图

上台阶开挖超前中台阶3～5 m，开挖后及时封闭掌子面，素喷8 cm混凝土，开始施做锚杆、锁脚锚管和超前支护。中台阶距下台街5～10 m，中、下台阶开挖，素喷混凝土后施做锚杆和锁脚锚管。挖掘机配合运土车出碴，复喷混凝土至设计厚度。

采用风镐，人工对弧形导坑进行开挖。遇到坚硬地质时，辅以弱爆破，中下导及仰拱部位，采用控制爆破开挖，进尺间距不超3m。用喷混凝土封闭作业面，然后采用复合支护进行加强。预留核心土距拱顶1.5 m，坡脚距拱脚2.5 m。上中导开挖后，将洞碴扒至下导，装载机装碴，自卸车出碴。

按规范围岩量测，实行动态化管理，根据实际调整参数。

每一循环进尺为67 cm，循环时间290min，月进尺为90m。

施工注意事项：①边墙开挖时，左、右交错施工，3个作业面平行作业，仰拱实行短开挖、早支护，及时形成环向封闭；②加强抽排水，严防失稳。

2.1.2 实际应用

DK101+485～DK101+545段，隧道通过地层主要为风积砂质黄土,有三级非自重湿陷性。由于土质比较松散，开挖支护比较困难，进尺5～6 m，及时封闭掌子面，施作仰拱和二衬。

三台阶法配合衬砌紧跟法施工，在局部特殊地质段，因结构失稳因素较大，循环进尺控制在0.67 m，循环时间480min,每天进尺2.0m，由于此方法在本隧道施工中应用较少，所以不做过多叙述。

2.2 衬砌施工

隧道二次衬砌按照“新奥法原理”，在围岩及初期支护变形基本稳定后进行施工。二次衬砌按照先仰供和填充、后拱墙的次序施作,墙、拱整体浇筑。二次衬砌施工时间必须满足下列要求：①隧道周边位移速率有明显减缓趋势；②Ⅴ级围岩应在围岩较大范围的变形和应力释放后，根据施工现场监测结果和设计要求确定二次衬砌施作时间；③初期支护表面的裂隙不再继续发展；累计位移值已达到极限相对位移值的80%以上。

隧道二次衬砌前，必须先清理基底杂物、积水和浮碴；检查防水板搭接宽度、搭接缝质量、与围岩接触程度等，对不符合设计及《客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准》规定的应予以返工整修，直至达到要求；拆除上组衬砌砼施工缝（变形缝）处止水（条）带保护膜，涂刷砼界面剂；衬砌台车采用9.0m长全断面液压整体模板台车，安装衬砌模板台车时必须保证位置准确，连接牢靠，严防走动，衬砌模板台车前端装设带气囊的钢制挡头模板，挡头模板应按衬砌断面制作，模板接头应整齐平顺；挡头板与初衬间隙应嵌堵紧密，按设计施做防水隔离设施。砼浇注采用砼输送泵作业，由下向上、对称分层、先墙后拱灌注。

3 隧道排水

高庙隧道施工中，DK100+470～DK100+865段出现大量涌水，本隧道施工遵循以混凝土自防水为主体，加强预防可能渗水的部位，采取措施控制混凝土裂缝的开展，增强混凝土的抗渗性能，并辅以注浆和防水层加强。

隧道洞口设置截水沟和排水沟，截水沟设置在边、仰坡以外，距边、仰坡不得小于5m，按设计要求施工。隧道反坡施工时，洞外路堑侧沟做成2‰的反坡，并在洞门外1～1.5m处设横向截水盲沟一道，以拦截洞外水流入隧道。洞内顺坡排水水沟断面满足隧道中渗漏水和施工废水的排出需要，在富水地带根据需要加强水沟铺砌或用管槽代替。排水沟经常清理。洞内反坡施工时，根据坡度、水量和设备情况布置管路和泵站，一次或分段接力排出洞外。集水坑的容积按实际排水量确定，位置确定应考虑减少施工干扰。配备抽水机的能力应大于排水量20%以上，并应有备用台数。

4 工人配置

本隧道施工所需劳动力人员安排：①隧道进口劳动力人员，共计160人；②隧道出口劳动力人员，共计160人；③其他后勤工、养路工、卫生清洁工、杂工等人员，共计40人。

本次投入施工劳动力人员共计320人，高峰期达400人。根据施工需要合理安排施工人员上场计划。

所在隧道施工工作人员正式施工前应进行技术和安全培训。施工中各工种及工作内容应相应固定，以使其熟练程度达到最佳。交接班在现场，接班者应提前到现场，准备接班。

洞外砼供料人员采取三班作业，人员配置设在拌和站。

5 测量控制

①平面控制网复测；②附合导线测设：导线全长闭合差≤±1/30 000；③高程控制：观测精度符合偶然误差±2mm，全中误差±4mm，往返闭合差≤±8两次观测误差超限时重测。

6 监控

采用BJSD-2型激光隧道限界检测断面仪和NA28水准仪等进行周边水平收敛和拱顶下沉量测。净空水平收敛量测和拱顶下沉量测列为必测项目，必要时在隧底增设隧底上鼓量测及地表沉降量测项目。

量测断面间距，本隧道取10m。

7 结束语

隧道工程是一个综合性、实践性和地区性特征很强的岩土工程问题，隧道工程设计应结合地区特征（如气候状况、环境特征、水文地质）、工程特点和实践经验进行，成功的隧道工程设计遵循的原则是“理论导向、量测定量、经验判断”三者结合的原则。

依据经验和理论分析，隧道围护体系失效一般原因主要由三方面原因造成：一是因为内在设计不合理因素导致支护体系失稳（如整体稳定、抗倾覆、抗隆起安全性小，支护结构强度、刚度不足破坏等）而引起隧道失稳；二是因为外界环境变化（如雷雨天气、超载、水渗入）引发隧道失稳；三是因为施工因素（如支护结构施工质量达不到设计要求、挖土不合理、挖土扰动支护结构等）引发的隧道失稳。为了防止隧道失稳主要应从支护结构设计、施工等方面加以控制，以及通过施工监测来预防岩体失稳。软土地区支护结构设计应采用适合的计算理论，在这方面理论研究较多，也比较成熟。软岩隧道开挖设计宜采用“时空效应”，进行挖土设计和安全控制是非常有必要的，这也是工程经验所证明的。如在隧道支护和施工方案设计过程中应依据隧道“时空效应”理论，采取了合理的开挖方案和完善的隧道施工监测技术，是保证隧道安全有效实施的关键。

目前，三台阶开挖法在国内软岩隧道工程中得到广泛应用，通过实践了解了三台阶开挖法在具体软岩支护工程中的成功应用，掌握了软岩隧道的设计与施工情况，并对三台阶开挖法在软岩隧道工程中的应用进行了总结。

[1]中华人民共和国行业标准.JTGD70-2004 公路隧道设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

Application of Three Steps Excavation Method in Soft Rock Tunnel

LiGuodong

Qinghai Province the of Ledu County Gaomiao town the tunnel,for example,introduced in the tunnel excavation construction process of concrete.Three- step excavation method as a quick and easy tunnel construction newtechnologies, more and more applications in tunnel construction in China, its working mechanism and calculation method is still not perfect, by of Gaomiao tunnel construction a detailed description of the three- step tunneling method in soft rock tunnel, concrete construction methods and advantage.According to the concrete construction, illustrates construction excavation method, three step construction methods of concrete steps, manual configuration, measurement and control,monitoring and other aspects.

three- step excavation method;newAustrian tunneling method;three- pronged principle

U 455.41+1

A

1000-8136（2013）02-0033-03

（编辑：王静）