客运专线隧道三台阶七步开挖法施工技术应用

李 ,鹏 ,唐粒钧

摘要：三台阶七步开挖法是按照“少扰动、早喷锚、快封闭、勤测量”原则在隧道工程中使用的施工方法，贵广客运专线GGTJ-10标段内的隧道主要使用三台阶七步开挖法，在保证施工安全的前提下，通过对原设计开挖方案的优化，采用短循环的方式保证施工安全，加快施工进度，收获良好的经济效益。

关键词：铁路隧道工程；三台阶七步开挖法施工；施工安全；施工进度

1 概述

贵广客运专线工程GGTJ-10标段第四项目部位于广宁县，线路从怀集到广宁，全长7.724DKm，包括路基工程（含附属工程）、桥涵工程、隧道工程，其中新建隧道10座，均为单洞双线隧道，总长度5.98DKm，隧道长度L≤1000m的8座，1000m＜L≤2000m的2座，其中最长隧道1179m，最短隧道133m。

梅树顶隧道起讫里程为DK681+252～DK682+344，全长1092m。隧道穿越地层主要为全风化～强风化层，其中Ⅴ级围岩565m，Ⅳ级围岩171m，Ⅲ级围岩356m，隧道围岩级别见表1。隧道进、出口顶部及洞身左右侧，均为茶干竹林，隧道进口地处古水镇大浪村东，出口位于古水镇新屋村，进出口均为浅埋层。隧道设计线间距4.8m，隧道内净空横断面积（轨顶面以上）为92m2；隧道内设置综合洞室四处，洞室间距为500m，洞室沿隧道两侧交错布置；救援通道走行面高于轨面30cm；隧道内设置双侧电缆槽。

表1 梅树顶隧道围岩级别及设计开挖方法表

工程名称	起始里程	终止里程	围岩级别	类型	长度（m）	开挖方法
梅树顶 隧道	DK681+252	DK681+269	五级	Ⅴb	17	明挖法
	DK681+269	DK681+511	五级		242	三台阶七步开挖法
	DK681+511	DK681+560	四级	Ⅳa	49	台阶法
	DK681+560	DK681+725	三级	Ⅲb	165
	DK681+725	DK681+759	四级	Ⅳa	34
	DK681+759	DK681+823	五级	Ⅴa	64	三台阶临时仰拱法
	DK681+823	DK681+883	四级	Ⅳa	60	台阶法
	DK681+883	DK682+074	三级	Ⅲb	191
	DK682+074	DK682+102	四级	Ⅳa	28
	DK682+102	DK682+344	五级	Ⅴb	242	三台阶七步开挖法
	合计				1092

梅树顶隧道设计使用寿命为100年，主要施工内容为隧道开挖、初期支护、二次衬砌、防排水工程等。

初期支护：喷射砼强度等级为C25；拱部系统锚杆采用Φ22组合中空锚杆；边墙为Φ22全螺纹砂浆锚杆；所有锚杆均设置钢垫板，垫板尺寸150×150×6mm；钢筋网直径为Φ6；钢架采用型钢钢架或格栅钢架；型钢为工字钢，格栅钢架为HRB335和HPB235钢筋。

二次衬砌设计砼强度等级：钢筋砼C35；仰拱填充砼C20；水沟、电缆槽身砼C30；水沟、电缆槽盖板砼C35。

防排水工程：隧道拱墙初期支护与二次衬砌之间敷设防水板+土工布；环向施工缝采用遇水膨胀止水胶+中埋式遇水膨胀橡胶止水带，仰拱仅设置中埋式止水带；纵向施工缝处设置遇水膨胀止水胶+混凝土界面剂处理；变形缝处设置遇水膨胀橡胶止水带，拱墙变形缝处衬砌外缘与防水板结合部位以聚硫密封胶封堵，衬砌内缘3cm范围内以聚硫密封胶封堵，以外2cm范围内设置U型镀锌钢板接水盒，其余空隙采用填缝料填塞密实；隧道衬砌防水板与土工布之间设置Φ50打孔波纹管，结合施工缝设置，并根据地下水发育情况调整，在隧道两道环向盲沟之间设置纵向Φ110打孔波纹管，每10m一段；环向盲沟与纵向盲沟两端均直接与隧道侧沟连通，满足排水；隧道仰拱设置Φ40cm中心管沟，纵向设置检查井，检查井间距30m。

2 隧道三台阶七步开挖法施工技术

2.1 施工工序

梅树顶隧道工程施工自出口向进口方向掘进，根据隧道参考图《双线隧道钢架、施工方法及辅助施工措施参考图》（贵广贺广隧参03）中要求组织施工。

2.1.1设计图中三台阶七步开挖法（见图1、图2）

①上台阶开挖（预留核心土）→②中台阶左→③中台阶右→④下台阶左→

⑤下台阶右→⑥中部台阶→⑦仰拱开挖

2.1.2优化的三台阶七步开挖法（见图3、图4）

①上台阶开挖（预留核心土）→②预留核心土、中台阶中部→③中台阶左→④中台阶右→⑤下台阶左→⑥下台阶右→⑦下台阶中部、仰拱开挖

图1 设计三台阶七步开挖法施工工序透视图

图2 设计三台阶七步开挖法施工工序横断面图

图3 优化三台阶七步开挖法施工工序透视图

图4 优化三台阶七步开挖法施工工序横断面图

2.2施工方法

梅树顶隧道内轮廓设计为单洞双线断面，开挖断面约144m2，轨上有效净空面积92m2。隧道开挖遵循“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则组织施工。隧道进、出口浅埋段Ⅴb围岩设计为三台阶七步开挖法施工，Ⅴb围岩俗称“土洞”开挖，利用挖掘机直接开挖，局部人工配合风镐开挖，初期支护（锚杆、钢筋网、型钢钢架或格栅钢架、锁脚钢管、喷射混凝土等）、二次衬砌紧随开挖跟进，形成连续作业循环，按照铁路工程文件要求，仰拱距掌子面安全距离为Ⅴ级围岩40m；二衬距掌子面安全距离为Ⅳ、Ⅴ级围岩＜90m。

2.2.1 设计三台阶七步开挖法（见图1、图2）

设计图中三台阶七步开挖法，开挖分上、中、下台阶施工，上台阶高度约3.7m，中台阶高度约3.6m，下台阶高度约3m（不含仰拱）。利用上一循环架立的钢拱架施作隧道超前支护，首先开挖上台阶①部，预留核心土，预留核心土呈梯形，核心土顶宽3m，底宽6m，核心土顶距拱顶2m，掘进2m；错开①部一段距离后紧随开挖②部（中台阶左），①部、②部错开距离约5m；在滞后于②部约5m后开挖③部（中台阶右），③部距掌子面距离约10m；在滞后于③部约5m后开挖④部（下台阶左），④部距掌子面距离约15m；在滞后于④部约5m后开挖⑤部（下台阶右），⑤部距掌子面距离约20m；在滞后于⑤部约10m后开挖⑥部（上、中、下台阶中部预留核心土及台阶），⑥部末端距掌子面距离约30m；⑦部为仰拱开挖，仰拱利用仰拱栈桥开挖，仰拱开挖面距下台阶⑥部10m，仰拱距掌子面距离约40m。开挖施工进度：每天掌子面开挖进尺约1.8m，支护3榀钢架，设计Ⅴb围岩型钢钢架0.6m/榀。

2.2.2 优化三台阶七步开挖法（见图3、图4）

为满足施工进度要求，提高机械设备的利用率，节省作业时间，合理优化各工序之间的衔接。根据施工现场实际情况，经反复讨论、探索和实践对比，对设计三台阶七步开挖法进行优化，开挖仍按上、中、下台阶施工，上台阶高度约4.3m，中台阶高度约4.1m，下台阶高度约2.19m（不含仰拱）。利用上一循环架立的钢拱架施作隧道超前支护，首先开挖上台阶①部，预留核心土，预留核心土呈梯形，核心土顶宽2.6m，底宽6.9m，核心土顶距拱顶2m，①部预留核心土顶部保证纵向长2m，同时每循环进尺一次，掌子面喷5cm厚混凝土封闭，施作①部导坑周边的初期支护；②部开挖紧随①部预留核心土部位开挖（拉槽开挖）；在滞后于②部一段距离后交错开挖③部（中台阶左）、④部（中台阶右）， ③部距掌子面距离3m，④部距掌子面距离5m，③部、④部错开距离2m，初期支护跟进施工；在滞后于④部一段距离后交错开挖⑤部（下台阶左）、⑥部（下台阶右），④部距离⑤部3m，⑤部距掌子面距离8m，⑥部距掌子面距离10m，⑤部、⑥部错开距离2m，初期支护跟进施工；错开⑥部约5m开挖⑦部下台阶中部及仰拱，仰拱利用仰拱栈桥开挖，仰拱栈桥长度15m，仰拱开挖长度按8~10m分段，仰拱开挖面距下台阶开挖面距离约25m，仰拱距掌子面距离约40m，仰拱及仰拱填充跟进施工。形成掌子面、上、中、下台阶到仰拱的循环施工。

优化的三台阶七步开挖法，上、中、下台阶间错开距离约5m，台阶间左、右开挖错开距离2~3m，即下台阶距掌子面为15m，优化后的开挖方法缩短了台阶间的距离，有利于挖掘机集中开挖，装载机集中出碴，挖掘机采用退步开挖方式，各部、各台阶之间开挖、出渣同时进行，提高了设备利用率，节省了作业时间。开挖后掌子面、各台阶的支护、喷锚同步施工，避免了开挖、支护、喷锚作业的相互干扰，节省作业时间，有利于组织施工，加快了施工进度，提高了工效，并且符合铁路施工安全距离要求。开挖施工进度：每天掌子面开挖进尺约3m，开挖2循环/天，支护5榀钢架，设计Ⅴb围岩型钢钢架0.6m/榀。

3 结束语

经过对比分析和实践，设计三台阶七步开挖法与改进的三台阶七步开挖法主要区别在于核心土的开挖顺序，优化后的三台阶七步开挖法给各台阶提供了作业空间和施工通道，尤其是隧道进、出口浅埋、偏压地段施工，有效的提高了设备利用率，加强了各工序合理衔接，有利于施工组织，节省了作业时间，加快施工进度，提高了工效，并且有效地控制了隧道的拱顶下沉和净空收敛，保证了隧道的施工安全，优化的三台阶七步开挖法在贵广客运专线GGTJ-10标段隧道工程施工中得到了广泛的推广和应用，也可为今后的铁路软岩隧道开挖施工提供宝贵的经验。

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