隧道工程：高效台阶开挖法

1．台阶法的特点和适用条件

台阶开挖法是将开挖断面分两部或多部开挖（图7-3-3），主要适用于围岩稳定性较好但隧道断面较大的条件下，或者隧道断面不太大但围岩稳定性较差的条件下，目前已成为大断面隧道施工的主流施工方法。实际施工中视围岩条件和机械设备情况可派生出各种台阶法，常用的有三台阶七步开挖法、弧形（环形）导坑预留核心土法等。

（1）台阶数量。

台阶数量和台阶高度应综合考虑隧道断面大小、机械设备及围岩稳定性等因素确定。台阶数量常采用二台阶或者三台阶，不宜大于三个台阶。对于铁路隧道，二台阶法适用于双线隧道Ⅲ级以上围岩，也可用在单线隧道Ⅳ级以上围岩地段；三台阶法可用在高速铁路双线隧道Ⅲ、Ⅳ级围岩，单线隧道Ⅵ级围岩地段。

图7-3-3　二台阶开挖法施工工序示意图

1—上台阶开挖；Ⅰ—上台阶初期支护；2—下台阶开挖；Ⅱ—下台阶初期支护；
3—仰拱开挖；Ⅲ—仰拱初期支护；Ⅳ—仰拱填充混凝土；
Ⅴ—拱墙混凝土。

（2）台阶长度。

台阶法按照台阶长度不同，包括长台阶法、短台阶法和超短台阶法等三种。通常，长台阶的台阶长度在50 m以上，短台阶的台阶长度为5～50 m，超短台阶的台阶长度为3～5 m。超短台阶法也称微台阶法。对于公路隧道，长台阶法可用于两车道隧道Ⅲ～Ⅳ级围岩、三车道隧道Ⅱ～Ⅲ级围岩，短台阶法用于两车道隧道Ⅳ～Ⅴ级围岩、三车道隧道Ⅲ～Ⅳ级围岩，超短台阶法用于两车道隧道Ⅴ级围岩、三车道隧道Ⅳ级围岩。

台阶长度的确定取决于两个因素：一是支护形成闭合断面的时间要求，围岩越差，闭合时间要求越短；二是上断面施工所用的开挖、支护、出渣等机械设备施工场地大小的要求。在软弱围岩中应以前一条件为主，兼顾后者，确保施工安全。在围岩条件较好时，主要考虑是如何更好地发挥机械效率，保证施工的经济性，故只要考虑后一条件。

采用长台阶法时，上下部可配属同类较大型机械平行作业（图7-3-4），当机械不足时也可交替作业；当遇短隧道时，可将上部断面全部挖通后，再挖下半断面。该法施工干扰较少，可进行单工序作业，但是需要控制拱脚下沉。

图7-3-4　长台阶法施工形式

短台阶或超短台阶（图7-3-5）两种方法可缩短仰拱封闭时间，改善初期支护受力条件，但施工干扰较大，支护不及时可能造成围岩失稳。软弱围岩必要时需要采用辅助开挖措施稳定开挖面，以保证施工安全。

图7-3-5　超短台阶法施工形式

（3）台阶法的特点。

① 灵活多变，适用性强，凡是软弱围岩、第四纪堆积地层，均可采用二台阶法作为基本方法，地层变化时，可以及时变换成其他方法。

② 开挖具有足够的作业空间和较快的施工速度。台阶法有利于开挖面的稳定性，尤其是上部开挖支护后，下部作业较为安全。

③ 上下部作业有干扰，应注意下部作业对上部稳定性的影响。另外，台阶开挖会增加围岩扰动次数。

2．二台阶开挖法

二台阶开挖法的施工工序如图7-3-3所示。二台阶开挖法的施工工艺流程如图7-3-6所示。

图7-3-6　二台阶、三台阶开挖法施工工艺流程

二台阶开挖法施工要求如下：

（1）采用台阶法开挖隧道时，应根据围岩条件合理确定台阶长度。台阶长度不宜过长，宜控制在一倍洞径以内。台阶高度应根据地质情况、隧道断面大小和施工机械设备情况确定，台阶开挖高度宜为2.5～3.5 m，其中上台阶高度以2～2.5 m为宜。台阶形成后，各台阶开挖、支护宜平行作业。

（2）循环进尺应根据围岩地质条件和初期支护钢架间距合理确定。Ⅲ级围岩不宜超过2 m，Ⅳ级围岩不宜超过1.5 m，Ⅴ级围岩不宜超过1.0 m。上台阶开挖每循环进尺，Ⅲ级围岩宜不大于3 m，Ⅳ级围岩宜不大于2榀钢架间距，Ⅴ级围岩宜不大于1榀钢架间距。Ⅳ、Ⅴ级围岩下台阶每循环进尺宜不大于2榀钢架间距。下台阶单侧拉槽长度宜不超过15 m。

（3）爆破开挖时应采用弱爆破，爆破时严格控制炮眼深度及装药量。

（4）上台阶施作钢拱架时，采用扩大拱脚和锁脚锚杆等措施控制围岩和初期支护变形，必要时施作临时仰拱。

（5）下台阶在上台阶喷射混凝土达到设计强度70% 时开挖，当岩体不稳定时需缩短进尺，必要时下台阶分左右两部开挖，下台阶左、右侧开挖宜前后错开3～5 m，同一榀钢架两侧不得同时悬空，并及时施作初期支护和仰拱。

（6）施工中应解决好上下台阶的施工干扰问题，下部应减少对上部围岩、支护的扰动。

（7）下台阶施工时要保证初期支护钢架整体顺接平直，螺栓连接牢靠。

（8）上台阶开挖超前一个循环后，上下台阶可同时开挖。

3．三台阶开挖法

三台阶开挖法是将隧道分成上、中、下三个断面进行开挖。三台阶法的施工工序如图7-3-7所示。

图7-3-7　三台阶法施工工序示意图

Ⅰ—超前小导管；1—上台阶开挖；Ⅱ—上台阶初期支护；2—中台阶开挖；Ⅲ—中台阶初期支护3—下台阶开挖；Ⅳ—下台阶初期支护；4—仰拱开挖；Ⅴ—仰拱初期支护；
Ⅵ—仰拱填充混凝土；Ⅶ—拱墙混凝土。

三台阶的划分应遵循以下两点：① 拱部第一台阶矢跨比不得小于1/5，且台阶高度在满足人工作业空间需求的前提下尽量低。因为，当矢跨比小于1/5时，支护的力学性能更接近于梁而不是拱，很危险，所以一般情况下，拱部第一台阶矢跨比按照1/5～1/3确定。降低拱部第一台阶高度的意义在于，当掌子面发生滑塌时，其停止滑塌的条件就是塌体形成坡面，所以，降低拱部第一台阶高度有助于尽快稳定滑塌。② 第二台阶底应位于隧道断面圆心高度位置。第二台阶底位于隧道断面圆心位置的意义在于，当围岩发生变化时，有利于工法的转变。如围岩由Ⅲ级变为Ⅳ级时，由于Ⅲ级围岩一般采取二台阶开挖法施工，且其台阶划分是以圆心为准的，只要先暂停中台阶掘进而只掘进上台阶，约两个循环后三台阶的形式就形成了（刚开始掘进上台阶产生的渣扒至中台阶即可，不必运出）；当围岩由Ⅳ级变为Ⅲ级时，只要暂停上台阶的掘进，两、三个循环后，二台阶的形式即形成。

上台阶长度的确定主要考虑两个条件：一是满足凿岩机作业所需长度要求，二是不得小于上台阶高度。中台阶长度的确定主要考虑满足挖掘机作业空间需求和确保上台阶稳定。上、中台阶长度一般为5～8 m。

三台阶法的施工工艺流程如图7-3-6所示。施工要求：① 超前支护的长度应大于进尺的2倍以上；② 对于土质围岩一般采取机械开挖，而对于石质围岩，一般采取弱爆破的方法开挖；③ 各步台阶一次开挖长度宜控制在2～3 m之间，下台阶开挖后仰拱应紧跟；④ 中、下台阶开挖时要确保支护基础襟边宽度不小于1.0 m。

4．弧形（环形）导坑预留核心土法

弧形导坑预留核心土法是在上部断面以弧形导坑超前，支护好后开挖上部核心土，其次开挖下半部两侧，支护好后再开挖中部核心土的方法。

（1）适用条件。弧形开挖预留核心土法可用于单线隧道Ⅳ～Ⅵ级围岩，双线隧道Ⅲ～Ⅴ级围岩地段。

（2）特点。① 能适应不同跨度和多种断面形式，没有需拆除的临时支护，节省投资。②在地质结构复杂多变、软硬围岩相间的隧道施工中，便于灵活和及时地调整施工工法，进度稳定，工期保障性强。③ 无须增加特殊设备，施工投入少，工艺可操作性强。④ 开挖工作面稳定性好，施工比较安全。

（3）施工作业。弧形导坑预留核心土施工工序如图7-3-8所示，施工工艺流程如图7-3-9所示。(www.xing528.com)

图7-3-8　弧形导坑预留核心土法施工工序示意图

Ⅰ—超前支护；2—上部弧形导坑开挖；Ⅲ—上部初期支护；4—上部核心土开挖；5、7—两侧开挖；
Ⅵ、Ⅷ—两侧初期支护；9—下部核心土开挖；10—仰拱开挖；Ⅺ—仰拱初期支护；
Ⅻ—仰拱填充混凝土；ⅩⅢ—拱墙混凝土。

（4）施工要求：① 环形开挖每循环长度宜为0.5～1 m，台阶开挖高度宜为2.5～3.5 m。② 环形开挖每循环进尺，Ⅴ级围岩宜不大于1榀钢架间距，Ⅳ级围岩宜不大于2榀钢架间距，中下台阶每循环进尺，不得大于2榀钢架间距。③ 预留核心土面积的大小应满足开挖面稳定的要求，一般不小于整个断面的50%。④ 当地质条件差，围岩自稳时间较短时，开挖前应在拱部设计开挖轮廓线以外进行超前支护。⑤ 开挖后应及时施作喷锚支护，安装型钢支撑或格栅支撑，每两榀钢架之间应采用钢筋连接，并应加设锁脚锚杆，初期支护形成闭合断面的位置距拱部开挖面不宜超过30 m。⑥ 拱部超前支护完成后，方可开挖上台阶环形导坑；留核心土长度宜为3～5 m，宽度宜为隧道开挖宽度的1/3～1/2。⑦ 核心土与下台阶开挖应在上台阶支护完成且喷射混凝土强度达到设计强度的70% 后进行；下台阶左、右侧开挖应错开3～5 m，同一榀钢架两侧不得同时悬空。⑧ 各台阶留核心土开挖每循环进尺宜与其他分部循环进尺相一致。⑨ 仰拱施作应紧跟下台阶，以及时闭合成稳固的支护体系。仰拱要超前于二次衬砌且分别全幅浇筑，全断面衬砌时间根据监控量测确定，全断面衬砌距离掌子面一般不超过70 m。

图7-3-9　弧形导坑预留核心土法施工工艺流程

5．三台阶七步开挖法

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为沿隧道纵向错开平行推进的隧道施工方法。

（1）适用条件。

三台阶七步开挖法适用于开挖断面积为100～180 m²，具备一定自稳条件的Ⅳ、Ⅴ级围岩地段隧道施工。

（2）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。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 当地质条件发生变化时，便于灵活、及时地转换施工工序，调整施工方法。

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。

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。

（3）施工作业。

三台阶七步开挖法施工步骤如图7-3-10所示，开挖透视图如图7-3-11所示。

图7-3-10　三台阶七步开挖法施工步骤（单位：m）

图7-3-11　三台阶七步开挖法透视图（单位：m）

第1步施作超前支护，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步分部开挖上或中、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。

第1步——上部弧形导坑开挖。在拱部超前支护后，环向开挖上部弧形导坑，预留核心土，核心土长度宜为3～5 m，宽度宜为隧道开挖宽度的1/3～1/2。开挖循环进尺应根据初期支护钢拱架间距确定，最大不得超过1.5 m，开挖后立即初喷3～5 cm混凝土。上台阶开挖矢跨比应大于0.3，开挖后应及时进行喷、锚、网系统支护，架设钢架；在钢架拱脚以上30 cm高度处，紧贴钢架两侧边，按向下倾角30° 设锁脚锚杆；锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。

第2、3步——左、右侧中台阶开挖。开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.5 m，开挖高度一般为3～3.5 m，左、右侧台阶错开2～3 m。开挖后立即初喷3～5 cm混凝土，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架；在钢架墙脚以上30 cm高度处，紧贴钢架两侧边，按向下倾角30° 设锁脚锚杆；锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。

第4、5步——左、右侧下台阶开挖。开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1.5 m，开挖高度一般为3～3.5 m，左、右侧台阶错开2～3 m。开挖后立即初喷3～5 cm混凝土，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架；在钢架墙脚以上30 cm高度处，紧贴钢架两侧边、按向下倾角30° 设锁脚锚杆；锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。

第6步——上、中、下台阶预留核心土。各台阶分别开挖预留的核心土，开挖进尺与各台阶循环进尺一致。

第7步——隧底开挖。每循环开挖长度宜为2～3 m，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。仰拱分段长度宜为4～6 m。

三台阶七步开挖法施工工艺流程如图7-3-12所示。

（4）施工控制要点。

① 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。

② 初期支护应及时封闭成环，全断面初期支护闭合时间宜控制在15 d左右，有条件时应尽量缩短闭合时间。

③ 仰拱应超前施作，仰拱距上台阶开挖工作面宜控制在30～40 m，铺设防水板、二次衬砌等后续工作应及时进行。

④ 二次衬砌距仰拱宜保持2倍以上衬砌循环作业长度，但不得大于50 m。

⑤ 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3～5 m，宽度宜为隧道开挖宽度的1/3～1/2。

⑥ 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，每次开挖长度不得超过1.5 m；开挖后立即初喷3～5 cm混凝土，以减少围岩暴露时间。

⑦ 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，保证隧道在超前支护的保护下施工。

⑧ 隧道周边部位应预留30 cm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。

⑨ 中、下台阶左、右侧开挖应错开，严禁对开，左、右侧错开距离宜为2～3 m。

⑩ 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）脚悬空或采用虚渣回填。钢架应与锁脚锚杆（管）焊接牢固。

⑪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。

图7-3-12　三台阶七步开挖法施工工艺流程

⑫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）脚承载力措施控制变形。

⑬应加强监控量测工作，根据量测结果，及时调整支护参数，确定二次衬砌施作时间，进行信息化施工管理。

⑭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。