聂 永 岗

(山西省晋中路桥建设集团有限公司，山西 晋中 030600)

新奥法掘进是一种先进的隧道设计和施工方法。在新奥法施工掘进中，主要有全断面法、台阶法、环形开挖留核心土法、双侧壁导坑法、单侧壁导坑法、交叉中隔壁法等隧道掘进方式。在选择隧道掘进方式时，应综合考虑围岩条件、隧道长度、断面结构、支护衬砌、工期要求、机械设备等施工现场实际情况合理确定。

三台阶七步开挖法是台阶法的一种。与侧壁导坑法、中隔壁法及交叉中隔壁法等相比较，三台阶七步开挖法无需进行临时支护拆除，避免了受力转换中容易出现的不安全因素等问题，有利于及时进行闭合时间的调整，便于根据地质条件转换施工工序，机械施工方便，能在确保施工安全的前提下提高施工进度。在我国隧道施工中，三台阶七步开挖法在大断面隧道施工中应用较多，适用于进行有一定自稳条件的Ⅳ,Ⅴ级围岩段的洞体开挖作业。

1 概述

采用三台阶七步开挖法进行大断面隧道洞体掘进时，以弧形导坑进行开挖后留核心土，台阶分上、中、下三层共计形成七个开挖面，沿隧道进行各部位开挖并及时进行支护，要求做到纵向相互错开、平行开挖推进。在大断面隧道施工中，使用三台阶七步法进行洞体开挖具有以下技术优势：

1)以机械开挖为主，可以多个作业面平行推进。在部分软岩地段进行施工时，为将围岩的扰动有效降低，还可用挖掘机进行下半部断面的直接开挖。2)进行转换施工方法或工序灵活，洞体掘进进度稳定。该优势在结构复杂、软硬围岩相间的地质条件下非常明显，有利于保证工期进度。3)施工中无需进行临时支护的拆除，能适应不同的跨度和多种断面形式，经济性显著。4)仰拱作业能够超前施作，有利于及时闭合初期支护。5)防水层和灌注混凝土衬砌全断面一次性施作完成，有利于确保衬砌质量。6)施工中特殊设备无需添加，施工工艺简单，易推广。

在施工中，为确保施工质量和安全，应重视超前地质预报，以便于根据地质变化情况及时进行各部台阶长度或工法调整。

2 施工工艺

在某隧道工程中，隧道全程5.7 km，洞门采用端墙式门，开挖断面为150 m2，洞体的覆土较薄。洞口段围岩Ⅴ级，岩质软弱破碎、成拱困难，使用拱部套拱和大管棚预支护确保顺利进洞。为确保洞体施工安全，隧道开挖作业采用三台阶七步法进行。

2.1 三台阶七步开挖

在采用三台阶七步开挖法进行洞体开挖时，可分成上、中、下三层台阶和仰拱共四部分，见图1。使用环形开挖拱部后，须预留核心土具有对掌子面施压的效果。为确保掌子面的稳定，在中部及下部台阶上，先进行两侧土体的开挖，严禁对开，还须保持中部土体不动。在洞体开挖过程中，要求七个开挖面做到“相互错开、同时开挖、同时支护”，形成循环流水作业，逐步向前掘进。

洞体开挖的主要步骤是：先环向开挖上部的弧形导坑，跟进进行仰拱初期支护的施工；在中层和下层台阶上，进行左右侧开挖面的开挖，要求左右面须错开2 m～3 m，及时进行墙部初期支护施工；最后进行预留核心土及隧底开挖后，做好隧底初期支护施作。在开挖过程中，为尽早封闭成环确保安全施工，要采取措施确保各部初期支护施工及时进行，仰拱施工作业应在隧底初期支护完成后及时进行。

洞体开挖以机械为主(见图2)，人工辅助修边(见图3)。在确保施工安全的情况下，严格控制开挖长度，合理确定循环进尺，严格按确定的台阶长度、核心土与拱顶距离、两侧开挖长度及错开长度等指标进行，以减少围岩暴露时间。

2.2 初期支护施工

在隧道施工中，初期支护作为主要的受力结构，须做到严格规范施工。研究表明：在隧道洞体开挖后，初期支护在Ⅳ级以上围岩中承受全部的围岩应力，二衬只作为安全储备；在Ⅳ级以下围岩里初期支护承受80%以上的围岩应力，二衬只承受20%左右围岩应力。

初期支护的目的在于保护围岩的自然承载力，在开挖后应立即进行初期支护施工。初期支护主要由混凝土、锚杆、钢筋网和钢架等联合受力，确保对围岩形成稳定的支护性能。要求将初期支护实现全断面的闭合时间控制在15 d左右，有条件时应尽量缩短。

喷射混凝土作为锚喷支护的重要组成部分，其施工质量的好坏对支护效果能起到控制性的作用。初喷混凝土封闭岩面在开挖后立即进行，见图4。分段分片进行喷射，从拱脚自下而上开展作业。混凝土喷射应做好强度、厚度及其与岩面粘结性能的控制。

初喷混凝土后应及时施作锚杆，锚杆必须设置垫板。

铺设的钢筋网应与锚杆、钢架连接牢固。采用焊接方式连接钢筋网片，相邻两幅间的搭接长度为1个～2个网格。

进行钢架安装时，拱、墙部钢架单元宜采用栓接的方式连接。钢架拱脚应架设在稳固的基岩上或底部铺垫的槽钢上，严禁拱脚悬空或采用虚渣回填，以保证基础稳固。须将钢架间距、横向位置和高程的偏差及垂直度偏差控制在允许范围以内。设专人进行钢架与纵向筋、锁脚锚杆的焊接质量检测，确保连接牢固，确保钢架整体稳定。安装完毕的钢架与围岩间隙应控制在5 cm以内。

在施工中，为避免出现基脚变形，可将与钢架栓接(如图5所示)的锁脚锚杆尾部加工成“L”状，以确保焊接牢固，须重视做好锁脚锚杆的施工质量控制。

喷射混凝土(如图6所示)厚度不得小于设计要求，表面应平顺，不存在空鼓、裂缝、酥松等质量问题。

2.3 仰拱施工

应尽量超前进行仰拱施作，将仰拱与上台阶开挖面的距离按30 m～40 m进行控制，须及时跟进后续的防水板铺设、二衬施工等工序。将二次衬砌施工与仰拱的距离保持在2倍以上的衬砌循环作业长度，但不得大于50 m。

采用全幅分段进行隧底开挖作业，按2 m～3 m进行一个开挖循环的长度控制。在隧底开挖作业中，将虚渣、泥浆等杂物及时进行清除后，须立即进行混凝土喷射封闭岩面，喷射厚度控制在3 cm～5 cm。进行仰拱钢架安装(如图7所示)时，须严格按设计规格和要求进行，再喷射一定厚度的混凝土确保支护闭合成环。

在进行仰拱混凝土浇筑时，采用分段全幅浇筑的方法，按4 m～6 m为一个循环段进行浇筑，确保一次成型。待仰拱混凝土终凝后，将表面杂物和积水清除，进行仰拱填充混凝土的浇筑，应连续浇筑仰拱填充混凝土，确保一次成型。

待填充的混凝土强度达到设计强度后，允许车辆通行。

2.4 监控量测

在隧道开挖过程中，须做到监控量测工作的全工程参与，要求紧跟开挖支护开展监控量测作业。

在监控量测过程中，通过进行布点和监测，及时进行监测数据分析，指导洞体开挖作业及支护参数调整，以保证施工安全。

3 控制要点

采用三台阶七步进行隧道施工时，初期支护及仰拱须及时施作，确保闭合成环，以有效抑制围岩变形。在施工中，为确保施工质量和安全，须做好以下控制要点：

1)隧道进出洞是隧道施工中的一个难点，特别是在进出洞地质条件较差时，须高度重视隧道进出口设计和施工。

2)在隧道进洞前，须采取有效的洞顶及洞口防排水措施。为避免地表水及施工用水下渗影响隧道结构安全，设置的排水沟应进行砂浆抹面硬化。在开挖过程中，为避免影响基底承载力状况的出现，须及时搭设或完善洞内防排水设施。

3)重视工前培训，保证施工人员明确岗位职责，保证各工序间的有序衔接，做好施工组织，尽量缩短围岩暴露的时间。

4)在洞体开挖过程中，以机械开挖为主，洞体周边预留30 cm人工进行开挖。要使用爆破时，须采用弱爆破，将对围岩的扰动尽量降低。

5)严格按设计要求进行超前支护施工，保证隧道开挖的施工安全。

6)对隧道出现的超挖部位，须回填密实或是充填注浆，确保支护与围岩紧密相贴。

7)重视监控量测工作，必要时进行支护参数调整，重视信息化在施工管理中的重要作业。

在我国，随着公路交通事业的迅速发展，特别是高速公路向中西部地区的扩展，长大隧道施工越来越多。在长大隧道中，采用三台阶七步开挖法，有利于保护围岩天然承载力，有效抑制围岩变形，提高施工进度，确保施工安全。同时，还须注意到，该施工工艺的工法并不是一成不变的，须根据隧道的具体地质条件，及时进行改进，确保隧道施工更安全，施工进度更高效，施工质量更好。