三台盼七 开挖法在三车遁公路隧道旋工巾的应用 宁德沈海复线宁连高速公路有限公司 陈成仕 ［摘要］本文针对油车岭特长三车道公路隧道工期紧、施工难度大等施工难点，通过优化施工方法，结合工程实例详细介绍了三台 阶七步开挖法在特长三车道公路隧道软弱围岩中的施工工序、施工步骤与工艺流程，并总结出了三台阶七步开挖法施工中的控制要 点，供类似工程施工参考。 ［关键词］特长隧道 软弱围岩 三台阶七步开挖法 施工步骤 控制要点 １．概述 施工方法。 随着社会经济的发展和公路建设标准的提高以及高速公路逐步向 崇山峻岭延伸，三车道大跨径和特长公路隧道越来越多。通常，这类隧 道断面呈扁坦状，开挖跨度大，围岩易失稳，施工难度较大，特别是洞口 段围岩一般比较差。三车道公路隧道开挖设计上一般采用双侧壁导坑 法、交叉中隔壁法（ＣＲＤ法）、中隔壁法（ＣＤ法）等，但这些工法存在一定 的局限性。主要表现在：一是工作面狭小，了大型施工机械的使 用，工效低，进度均较慢，难以满足工期要求；二是工序多，衔接性差，施 工干扰大，质量无法保证；三是Ｉ临时支护多，成本投入大；四是初支封闭 成环时间长，临时支护拆除和受力转换容易引起初支出现大的变形，存 在安全风险等。为了有效规避传统工法的局限，借鉴近几年来高铁大 断面隧道建设的成功经验，对三车道公路隧道Ｖ级和Ⅳ级围岩段的开 挖采用“三台阶七步开挖法”。现结合“三台阶七步开挖法”在沈海复线 宁德漳湾至连江浦口高速公路油车岭隧道施工中的应用实践，介绍“三 台阶七步开挖法”的施工步骤、工艺流程和控制要点等，供类似工程参 考。 ２．工程概况 （３）适应不同跨度和多种断面形式，初期支护工序操作便捷。 （４）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。 油车岭隧道位于沈海复线宁德漳湾至连江浦ＶＩ高速公路福建宁德 与福州的交界处，起讫桩号为左洞ＺＫ２８＋４５７～ＺＫ３４＋２１ １，右洞ＹＫ２８＋ ４３９～ＹＫ３４＋１６５。左洞长５７５４ｍ，右洞长５７２６ｍ，属于特长隧道。设计 行车速度为１００ｋｍ／ｈ，采用分离式双洞布置，单洞三车道，开挖跨度为 １７．５ｍ、高度为１２．５ｍ，断面面积为１８７ｍ ，在ＺＫ３０＋５２０处设置一深３７３ｍ 的排烟竖井，开挖断面大，施工难度高，工期紧。 ２．１工程地质 该隧道隧址地形波状起伏，洞身最高点海拔约５２０ｍ，最大埋深约 ４４０ｍ。工程地质复杂，围岩级别为Ⅱ一Ｖ级，断层和节理裂隙密集带 多。水文地质复杂，隧道顶路线外８００ｍ有一罗源半岭水库，标高 １７０ｍ，面积３６７００ｍ 。隧道进洞段为Ｖ级围岩，围岩为坡积粉质粘土、 残积砂质粘土、全风化凝灰熔岩、砂土状一碎块状强风化凝灰熔岩，岩体 破碎，『ＢＱ］＜２５０，开挖中地下水多呈淋雨状。 ２－２复合式支护设计参数 （１）Ｖ级围岩段设计主要支护参数为：初期支护混凝土为湿喷Ｃ２５ 早强混凝土，厚度为３０ｃｍ；直径２５ｍｍ的中空锚杆，长度４ｍ、间距ｌｍ；直 （５）当围岩变形较大或突变时，在保证安全和满足净空要求的前提 下，可尽快调整闭合时间。 （６）三台阶七步开挖法规避了双侧壁导坑法、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不安全的因素，并能及时调 整闭合时间，方便机械化施工，有利于施工工序转换。 ５．三台阶七步开挖法的施工工艺 ５．１三台阶七步开挖法施工工序 （１）三台阶七步开挖法可分为以下主要步骤： 第１步：施作超前支护后，开挖拱部弧形导坑，预留核心土，施作拱 部初期支护； 第２、３步：开挖左右侧中台阶并施作初期支护； 第４、５步：开挖左右侧下台阶并施作初期支护； 第６步：分别开挖上、中、下台阶核心土； 第７步：开挖隧底并施作仰拱初期支护封闭成环。 （２）三台阶七步开挖法施工工序透视图，见图１。 图１施工工序透视图 ５－２三台阶七步开挖法的施工工艺流程，见图２ 径８ｍｍ的钢筋网，间距２０ｅｍ，工２２ｂ钢架，间距７０ｃｍ，仰拱初支为工２２ｂ 钢架，间距７０ｃｍ，Ｃ２５混凝土，二衬（包括仰拱和拱墙）为Ｃ２５钢筋混凝 土。 （２）Ⅳ级围岩段设计主要支护参数为：初期支护 昆凝土为湿喷Ｃ２０ 早强混凝土，厚度为２４ｃｍ；直径２５ｒａｍ的砂浆锚杆，长度３．５ｍ、间距ｌｍ； 直径８ｍｍ的钢筋网、间距２０ｃｍ，工１８钢架，间距７０ｃｍ，仰拱初支为工１８ 钢架，间距７０ｃｍ，Ｃ２５混凝土，二衬（包括仰拱和拱墙）为Ｃ２５钢筋混凝 土。 ３．三台阶七步开挖法基本定义 ３．１三台阶七步开挖法分类 三台阶七步开挖法根据围岩状况可分为三台阶预留核心土法、三 台阶上导坑预留核心土法和三台阶不留核心土三种方法。 ３．２三台阶七步开挖法定义 三台阶七步预留核心土开挖法（以下简称“三台阶七步开挖法”）， 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。 ｌ ［ 图２施工工艺流程图 ６．三台阶七步开挖法施工控制要点 ６．１隧道进洞前应做好洞顶及洞口防排水系统。洞顶及洞口排水 沟应铺砌，用砂浆抹面，防止地表水及施工用水下渗，影响结构安全。 ６．２三台阶七步开挖法施工应做好工序衔接。工序安排应紧凑，尽 量减少围岩暴露时间，避免因长时间暴露引起围岩失稳。 （１）初期支护应及时封闭成环，仰拱紧跟下台阶，及时封闭构成稳 固的支护体系，全断面初期支护闭合时间宜控制在１０—１５天左右。 （２）仰拱应超前施作，仰拱距上台阶开挖工作面宜控制在３０～ ４０ｍ。铺设防水板、二次衬砌等后续工作应及时进行。 （３）二次衬砌距仰拱宜保持２倍以上衬砌循环作业长度，但不得大 ３＿３三台阶七步开挖法适用范围 三台阶七步开挖法适用于开挖断面为１００～１８０ｍ ，具备一定自稳 条件的Ⅳ、Ｖ级围岩地段隧道的施工。Ⅳ、Ｖ级围岩地质主要有黄土、 强风化岩层等，不适用条件有围岩地质为流塑状态、洞口浅埋偏压段 （但经过反压处理或施作超前大管棚后可采用）。 ４．三台阶七步开挖法的特点 （１）施工空间大，方便机械化施工，可以多作业面平行作业，可以形 成纵向流水作业。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）在地质条件发生变化时，便于灵活、及时地转换施工工序，调整 －－——４００－－—— 科技信息 于５０ｍ。 ６．３在满足作业空间和台阶稳定的前提下，应尽量缩短台阶长度， 核心土长度应控制在３～５ｍ，宽度宜为隧道开挖宽度的１／３～１／２。 ６．４严格按设计要求施作超前支护，控制好超前支护外插角，严格 按注浆工艺加固地层，保证隧道开挖在超前支护的保护下施工。 ６．５隧道周边部位应预留３０ｅｍ人工开挖，其余部位宜采用机械开 挖，局部需要爆破时，必须采用弱爆破，不得超挖。施工时应严格控制 装药量，减少对围岩的扰动。 ６．６三台阶七步开挖法施工应严格控制开挖长度，根据围岩地质情 况，合理确定循环进尺，每次开挖长度一般按照１－２榀钢架间距控制， 且不得超过１．５ｍ；上台阶开挖高度一般为３～４ｍ，开挖矢跨比应大于 ０＿３，环向弧形开挖导坑，预留核心土；开挖后立即初喷３～５ｅｍ混凝土， 以减少围岩暴露时间。 ６．７中、下台阶左、右侧开挖应错开，严禁对开，开挖高度一般为３～ ３．５ｍ，左右侧错开距离宜为２～３ｍ。 ６－８及时落底封闭成环。 （１）隧底开挖应采用全幅分段施工，上面铺设仰拱栈桥，每循环开 挖长度宜控制在３－４榀钢架距离，且不得大于３ｍ。 （２）仰拱距开挖掌子面应控制在３０ｍ～４０ｍ的距离，如围岩变形较 大，长时间难以稳定，则应进一步缩短仰拱到开挖面的距离，必要时仰 拱跟至下台阶；二衬距仰拱应控制在２０～３０ｍ，距开挖掌子面最大不得 超过７０ｍ。当仰拱施工滞后下部台阶开挖面３０～４０ｍ时，应停止前方 工作面开挖或短距离跳槽进行隧底开挖。 （３）开挖后及时施作仰拱初期支护，完成两个隧底开挖、支护循环 后，及时施作仰拱。 ６．９仰拱应超前拱墙衬砌，每循环浇筑长度宜为４～６ｍ，仰拱应采 用浮放模板支架成型。仰拱 昆凝土应分段全幅浇筑，一次成型，不留纵 向施工缝，仰拱施工缝和变形缝应设置止水带。仰拱表面应平顺，不积水。 ６．１０仰拱填充混凝土应在仰拱混凝土终凝后浇筑，浇筑前应清除 仰拱表面的杂物和积水，连续浇筑，一次成型，不留纵向施工缝。填充 混凝土强度达到５ＭＰａ后允许行人通行，达到设计强度的１００％后允许 车辆通行。仰拱填充表面坡度应符合设计要求，应平顺、排水通畅、不 积水。 ６．１１锁脚锚杆（管）对三台阶七步开挖法施工安全至关重要，可防 止钢架拱脚向洞内位移和下沉。钢架应严格按设计及规范要求加工制 作和架设。钢架应架设在坚实基面上，严禁拱（墙）脚悬空或采用虚碴 回填。在钢架拱脚以上３０ｅｍ高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角３０。 打设锁脚锚杆（管），钢架应与锁脚锚杆（管）焊接牢固。 ６．１２隧道超挖部位必须回填密实，严禁初期支护背后存在空洞，必 要时初期支护背后应进行充填注浆，保证初期支护与围岩密贴。 ６．１３施工过程中可采用增加拱（墙）脚锁脚锚杆（管）、增设钢架拱 （墙）脚部位纵向连接筋、扩大拱（墙）脚初期支护基础及增设拱（墙）脚 槽钢垫板等增强拱（墙）脚承载力的措施控制变形。 ６．１４应加强超前地质预报和监控量测工作，根据预报和量测结果， 合理确定循环进尺，及时调整支护参数，确定二次衬砌施作时间，进行 （上接第３９９页） 因此，逆断层附近的煤岩层瓦斯含量比其它区域 高。正断层受张拉应力作用，在断层面两侧煤岩体中产生大量的构造 裂隙，使煤岩体的透气性提高，有利于瓦斯的移动和散失，同时张拉应 信息化施工管理。 ６．１５应完善洞内临时防排水系统，严禁积水浸泡拱（墙）脚及在施 工现场漫流，防止基底承载力降低。当地层含水量大时，上台阶开挖工 作面附近宜开挖横向水沟，将水引至隧道中部或两侧排水沟排出洞 外。必要时应配合井点降水等措施，降低地下水位至隧道仰拱以下，确 保施工顺利进行。反坡施工时，应设置集水坑将水集中抽排。 ６．１６隧道施工应加强洞内通风，作业环境应符合职业健康及安全 标准。 ７．实施效果 沈海复线宁德漳湾至连江浦口高速公路油车岭隧道，设计为双洞 分离式，单洞三车道，开挖跨度达１７．５ｍ、高度为１２．５ｍ，断面面积为１８７ ｍ 。洞口３２０ｍ段为Ｖ级和Ⅳ级围岩，围岩为坡积粉质粘土、残积砂质 粘土、全风化凝灰熔岩、砂土状一碎块状强风化凝灰熔岩、中风化凝灰熔 岩，岩体破碎，［ＢＱ］＜２５０，开挖中地下水多呈淋雨状。Ｖ级围岩设计为 双侧壁导坑开挖法，套拱加超前大管棚辅助进洞，Ⅳ级围岩开挖设计采 用交叉中隔壁法（ＣＲＤ法）。在进洞时按照设计的双侧壁导坑法开挖， 因工作面小，无法机械化作业，工序多、衔接性差、施工干扰大，无法形 成循环，导致开挖面做做停停，造成严重窝工，月平均进尺不到２０ｍ，严 重影响工程进度。采用双侧壁导坑开挖穿过了大管棚后，掌子面揭露 出围岩优于Ｖ级，接近Ⅳ级。经参建各方共同研究，改为“三台阶七步 开挖法”施工，支护参数维持原设计不变，月进尺平均在１１５ｍ左右，超 过了国内同类围岩月平均进尺４５ｍ的水平，安全、质量情况良好，工序 紧凑、循环顺畅、节约了施工成本，取消了临时支撑，降低了工程投资。 ８．结语 三台阶七步开挖法是弧形导坑留核心土开挖法和台阶开挖法的综 合与发展，是在对新奥法的认识和探索过程中，为解决软弱围岩的稳定 与工期矛盾开发出的一种新的施工方法。三台阶七步开挖法施工，遵 循“先预报、管超前、后开挖、强支护、弱爆破、小分块、短台阶、多循环、 快封闭、勤量测”的施工原则，自上而下步步为营，随挖随撑，及时做好 初期支护，快速封闭成环，待初支变形稳定后，施行施工防排水和二 衬。其工法安全、可靠，工序紧凑、横向平行作业、纵向流水作业、操作 性强，施工机械化程度高、进度快、工效高、质量有保证、经济，已成为大 断面软弱围岩三车道公路隧道施工的成熟工法。 。 参考文献 ［１］公路隧道施工技术规范ＴＴＧＦ６０—２００９．北京：人民交通出版社． ２００９ ［２］公路隧道施工技术细则ＩＴＧ／ＴＦ６０—２００９．北京：人民交通出版 社．２００９ ［３］铁路大断面隧道三台阶七步开挖法施工作业指南经规标准 ［２００７］１１９号．北京：中国铁道出版社，２００７． ［４］龚成术．浅谈大断面黄土隧道三台阶七步开挖法［Ｔ］．铁道建筑 技术，２００９（６）：７１—７４ ［５］闻庆权．三台阶七步开挖法在离石隧道施工中的应用［７］现代 隧道技术，２００９（６）：１０６—１２５． 力产生的应力降低使瓦斯吸附量降低，因此，正断层附近的煤岩层瓦斯 含量比其它区域低。挤压性的逆断层一方面破坏了煤岩体的完整性， 使煤岩体强度降低，另一方面又存在地应力集中现象，造成瓦斯含量和 瓦斯压力增加，因此，当采掘工作面推进至逆断层附近时，在地应力和 瓦斯压力的联合作用下，完整性受到破坏的煤岩体中很容易发生煤与 瓦斯突出的现象。 ３．４褶曲对瓦斯赋存的影响 本井田位于沁水块坳（沁水复式向斜）的东缘南段，晋获褶断带以 西，受区域构造的影响，井田内为一组宽缓背向斜构造，向斜轴位于井 田中部，两翼地层产状不对称，且轴向为ＮＷ向，其东、西部各有一宽缓 背斜构造，轴向为ＮＷ向，井田西部地层倾角为６。～１２。，井田东部地层 倾角为５。～８。。褶曲宽缓的向斜，没有明显的压力集中现象，对煤层瓦 斯封闭影响较小，因此对瓦斯赋存影响不大，但在向斜轴部，由于挤压 应力的存在，造成地应力的增加，有利于瓦斯的封存，瓦斯含量和瓦斯 压力增加，同时，向斜的轴部往往构造软煤较发育。而在背斜的轴部， 由于受到张拉应力作用，地应力降低，煤岩体裂隙增加，有利于瓦斯的 运移和散失，往往造成瓦斯含量和瓦斯压力降低。新大地煤矿在井田 中部向斜轴部的西侧附近掘进施工时，揭露出较厚的构造软煤，施工钻 孑Ｌ时有喷孔现象，瓦斯涌出量明显增大，说明了本井田向斜轴部附近瓦 斯含量增大，并且存在构造煤。 ３．５陷落柱对瓦斯赋存的影响 陷落柱的存在造成其周围的煤岩层产生了大量的孔隙裂隙，增加 了煤岩层的透气性，瓦斯也会得到一定程度的释放。陷落柱本身孔隙 较发育，透气导水性较好，有利于瓦斯通过陷落柱在上下组地层间运移 和散失，因此，陷落柱周围的煤岩体瓦斯含量和瓦斯压力往往较低。但 在采掘工作面推进至陷落柱附近时，虽然煤层瓦斯含量小，但由于透气 性的增加，导通了邻近煤岩层的瓦斯，瓦斯涌出量反而会增大。 ４．结论 （１）瓦斯地质研究结果表明，瓦斯含量具有随埋藏深度增加而升高 的变化趋势。 （２）新大地煤矿１５ 煤层瓦斯含量变化梯度为３．４３ｍ ／ｔ／ｌＯＯｍ，预测 ｌ５ 煤层在井田最深处瓦斯含量在１２ｍ ／ｔ以上。 （３）在靠近向斜轴部区域瓦斯含量明显增大，并且存在构造煤，是 防治煤与瓦斯突出的重点区域。 （４）陷落柱附近，煤层瓦斯含量小，突出危险性较低，但瓦斯涌出量 会增大。 参考文献 ［１］王大曾．瓦斯地质［Ｍ］北京：煤炭工业出版社，１９９２． ［２］邵震杰，任文忠，陈家良．煤田地质学［Ｍ］北京：煤炭工业出版 社．１９９３． ［３］龙荣生．矿井地质学［Ｍ］．北京：煤炭工业出版社，１９９１． ［４］煤炭工业部．防治煤与瓦斯突出细则．２００９．８． ［５￣ＤＺ／Ｔ０２１６－－２００２，煤层气资源／储量规范［Ｓ］． 一４０１—
