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[摘 要]随着国民经济的发展，铁路施工得到极大发展。隧道工程在工程中被广泛应用，为了能给今后隧道，特别是水平层状围岩隧道开挖技术快速发展奠定基础，因此我们有必要在工程中探索出适合水平层软弱围岩开发方法。以横山隧道开挖施工为背景，介绍隧道采用三台阶七步开发法施工技术，及与其他开发方法的差异。
[关键词]隧道 三台阶七步开挖法 水平层围岩
中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）11-0229-02
1、引言
随着社会经济的发展和建设标准的提高，特长铁路隧道越来越多。通常这类隧道开挖跨度大，围岩易失稳，施工难度较大。在今后的工程建设中这类软弱围岩在施工中出现的概率会明显增大，然而一旦遇到这类软弱围岩若开挖不得当必然造成岩体大变形，岩体坍塌以及更加严重的工程事故，给国家和人民财产造成损失。本文以横山隧道为依托，对三台阶七步开发法进行简要分析以及其他开挖方法的比較优势。
2、工程概况
横山隧道位于陕西省横山县境内，是全线范围的重点控制工程。隧道起迄里程为DK333+250～DK344+718，全长11468m；隧道设计为双线隧道。隧道最大埋深为283.68m。围岩底层为水平层状页岩夹砂岩，节理发育。施工最大的特点是隧道开挖成拱困难，爆破后拱部发生坍塌掉块，严重时形成门型，对此围岩特性，选择合理的开挖工艺及施工组织迫在眉睫。Ⅳ级围岩设计主要支护参数为：初期支护混凝土为湿喷C25混凝土，厚度30cm；直径25mm的中空锚杆，长度4m、间距1m；直径8mm钢筋网，间距20cm；格栅钢架，间距60cm。
3、三台阶七部开挖法基本定义
3.1 三台阶七部开挖法分类
三台阶七部开挖法根据围岩状况可以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 三台阶七部开挖法定义
铁路大断面隧道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，分为上、中、下三个台阶七个工作面，各部位的开挖与支护延隧道纵向错开，平行推进的隧道施工方法。
3.3 三台阶七部开挖反适用范围
三台阶七步开发法适用于开挖断面为100-180的平方米，具备一定自稳条件的Ⅳ、Ⅴ级围岩地段隧道的施工。主要表现包括：黄土、强风化岩层，不适用于围岩地质为流塑状态、洞口浅埋填压段。
4 三台阶七步开发法技术特点：
4.1、施工空间大，方便机械化施工，可以多作业面平行作业，工效较高。
4.2、在地质条件发生变化时，便于灵活、及时的转换施工工序，调整施工方法。
4.3、适用多种跨度和断面形式，初期支护工作操作便捷。
4.4、在台阶法开发的基础上预留核心土，左右错开开挖，利于开挖工作面稳定。
4.5、当围岩变性较大或突变时，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。
5.三台阶七步开挖法施工工艺
5.1 三台阶七步开挖法施工工序
第1步，上部弧形导坑开挖：在拱部超前支护后进行，环向开挖上部弧形导坑，预留核心土，核心土长度宜为3～5米，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架间距确定，最大不得超过1.5米，开挖后立即初喷3～5cm砼。上台阶开挖失跨比应大于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30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°搭设锁脚锚杆，拱脚锚杆和钢架牢固焊接，复喷砼至设计厚度。
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1.5m，开挖高度一般为3～3.5m，左右侧台阶错开2～3m，开挖后立即初喷3～5cm砼，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°搭设锁脚锚杆，拱脚锚杆和钢架牢固焊接，复喷砼至设计厚度。
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1.5m，开挖高度一般为3～3.5m，左右侧台阶错开2～3m，开挖后立即初喷3～5cm砼，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°搭设锁脚锚杆，拱脚锚杆和钢架牢固焊接，复喷砼至设计厚度。
第6步，上中下台阶预留核心土：各台阶开挖分别开挖后及时施作仰拱初期支护，完成两个隧道开挖、支护循环后，及时施作仰拱，仰拱分段长度宜为4～6m。
第7步，隧底开挖：每循环开挖进尺长度宜为2～3m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4～6m。
5.2 三台阶七部开挖法工序图2
6.三台阶七部开挖法施工控制要点
6.1三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。
6.2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l/3～l/2。
6.3三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，每次开挖长度不得超过1.5 m；开挖后立即初喷混凝土，以减少围岩暴露时间。
6.4严格按设计要求施做超前支护，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。
6.7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）脚承载力等措施控制变形。
7.劳力机具组织
在劳力的选择上，优先选用经过培训、技术熟练的工人，特殊工种需持证上岗。施工机具培训污染低、能耗小、效率高的机具。具体情况见下表1。
Ⅳ级围岩开挖和初期支护机械、人员及循环时间统计表1
8.实施效果
两种工法开挖初支工序主要指标对比分析表2
横山隧道里程段原定为三台阶开挖工艺，但进度滞后，超挖严重。经参建各方共同研究，改为三台阶七部开挖法施工，支护参数维持原设计不变，月进尺平均在120m左右，超过了原设计开挖工艺月进尺80米的水平。安全，质量情况良好，工序紧凑、循环顺畅。两种开挖方法指标分析显示，开挖初支两个工序综合效益三台阶七部开挖法比传统三台阶开挖法高32%，经济效益明显。
9.结束语
三台阶七部开挖法是弧形导坑预留核心土开挖法和台阶开挖法的综合与发展，是在对新奥法的认知和探索过程中，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，三台阶七部开挖法施工，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、质量有保障、经济可行，已经成为大断面软弱围岩施工的成熟方法。
参考文献
[1] 铁路大断面隧道三台阶七部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
[2] 关宝树，隧道工程施工要点集[M]，北京：人民交通出版社，2008
[3] 龚成术，浅谈大断面黄土隧道三台阶七部开挖法[J]，铁道建筑技术，2009
[关键词]隧道 三台阶七步开挖法 水平层围岩
中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）11-0229-02
1、引言
随着社会经济的发展和建设标准的提高，特长铁路隧道越来越多。通常这类隧道开挖跨度大，围岩易失稳，施工难度较大。在今后的工程建设中这类软弱围岩在施工中出现的概率会明显增大，然而一旦遇到这类软弱围岩若开挖不得当必然造成岩体大变形，岩体坍塌以及更加严重的工程事故，给国家和人民财产造成损失。本文以横山隧道为依托，对三台阶七步开发法进行简要分析以及其他开挖方法的比較优势。
2、工程概况
横山隧道位于陕西省横山县境内，是全线范围的重点控制工程。隧道起迄里程为DK333+250～DK344+718，全长11468m；隧道设计为双线隧道。隧道最大埋深为283.68m。围岩底层为水平层状页岩夹砂岩，节理发育。施工最大的特点是隧道开挖成拱困难，爆破后拱部发生坍塌掉块，严重时形成门型，对此围岩特性，选择合理的开挖工艺及施工组织迫在眉睫。Ⅳ级围岩设计主要支护参数为：初期支护混凝土为湿喷C25混凝土，厚度30cm；直径25mm的中空锚杆，长度4m、间距1m；直径8mm钢筋网，间距20cm；格栅钢架，间距60cm。
3、三台阶七部开挖法基本定义
3.1 三台阶七部开挖法分类
三台阶七部开挖法根据围岩状况可以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 三台阶七部开挖法定义
铁路大断面隧道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，分为上、中、下三个台阶七个工作面，各部位的开挖与支护延隧道纵向错开，平行推进的隧道施工方法。
3.3 三台阶七部开挖反适用范围
三台阶七步开发法适用于开挖断面为100-180的平方米，具备一定自稳条件的Ⅳ、Ⅴ级围岩地段隧道的施工。主要表现包括：黄土、强风化岩层，不适用于围岩地质为流塑状态、洞口浅埋填压段。
4 三台阶七步开发法技术特点：
4.1、施工空间大，方便机械化施工，可以多作业面平行作业，工效较高。
4.2、在地质条件发生变化时，便于灵活、及时的转换施工工序，调整施工方法。
4.3、适用多种跨度和断面形式，初期支护工作操作便捷。
4.4、在台阶法开发的基础上预留核心土，左右错开开挖，利于开挖工作面稳定。
4.5、当围岩变性较大或突变时，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。
5.三台阶七步开挖法施工工艺
5.1 三台阶七步开挖法施工工序
第1步，上部弧形导坑开挖：在拱部超前支护后进行，环向开挖上部弧形导坑，预留核心土，核心土长度宜为3～5米，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架间距确定，最大不得超过1.5米，开挖后立即初喷3～5cm砼。上台阶开挖失跨比应大于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30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°搭设锁脚锚杆，拱脚锚杆和钢架牢固焊接，复喷砼至设计厚度。
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1.5m，开挖高度一般为3～3.5m，左右侧台阶错开2～3m，开挖后立即初喷3～5cm砼，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°搭设锁脚锚杆，拱脚锚杆和钢架牢固焊接，复喷砼至设计厚度。
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1.5m，开挖高度一般为3～3.5m，左右侧台阶错开2～3m，开挖后立即初喷3～5cm砼，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°搭设锁脚锚杆，拱脚锚杆和钢架牢固焊接，复喷砼至设计厚度。
第6步，上中下台阶预留核心土：各台阶开挖分别开挖后及时施作仰拱初期支护，完成两个隧道开挖、支护循环后，及时施作仰拱，仰拱分段长度宜为4～6m。
第7步，隧底开挖：每循环开挖进尺长度宜为2～3m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4～6m。
5.2 三台阶七部开挖法工序图2
6.三台阶七部开挖法施工控制要点
6.1三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。
6.2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l/3～l/2。
6.3三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，每次开挖长度不得超过1.5 m；开挖后立即初喷混凝土，以减少围岩暴露时间。
6.4严格按设计要求施做超前支护，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。
6.7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）脚承载力等措施控制变形。
7.劳力机具组织
在劳力的选择上，优先选用经过培训、技术熟练的工人，特殊工种需持证上岗。施工机具培训污染低、能耗小、效率高的机具。具体情况见下表1。
Ⅳ级围岩开挖和初期支护机械、人员及循环时间统计表1
8.实施效果
两种工法开挖初支工序主要指标对比分析表2
横山隧道里程段原定为三台阶开挖工艺，但进度滞后，超挖严重。经参建各方共同研究，改为三台阶七部开挖法施工，支护参数维持原设计不变，月进尺平均在120m左右，超过了原设计开挖工艺月进尺80米的水平。安全，质量情况良好，工序紧凑、循环顺畅。两种开挖方法指标分析显示，开挖初支两个工序综合效益三台阶七部开挖法比传统三台阶开挖法高32%，经济效益明显。
9.结束语
三台阶七部开挖法是弧形导坑预留核心土开挖法和台阶开挖法的综合与发展，是在对新奥法的认知和探索过程中，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，三台阶七部开挖法施工，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、质量有保障、经济可行，已经成为大断面软弱围岩施工的成熟方法。
参考文献
[1] 铁路大断面隧道三台阶七部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
[2] 关宝树，隧道工程施工要点集[M]，北京：人民交通出版社，2008
[3] 龚成术，浅谈大断面黄土隧道三台阶七部开挖法[J]，铁道建筑技术，2009