三台阶七步流水作业法在软弱围岩隧道施工中的应用

第第页三台阶七步流水作业法在软弱围岩隧道施工中的应用摘要：介绍了软弱围岩隧道采用三台阶七步流水作业法开挖的施工方法，重点阐述了三台阶七步流水作业法施工特点、施工工艺、施工组织安排及施工控制要点，为类似地质的隧道施工提供一定经验。

关键词：软弱围岩；三台阶七步流水作业法；施工特点；施工工艺；施工组织安排；施工控制要点

Abstract:Theweaksurroundingrocktunnelexcavationconstructionmethodusingthree-stepseven-stepflowprocess,focusingonthecharacteristicsofathree-stepseven-stepassembly-linemethodofconstruction,constructiontechnology,constructionoforganizationalarrangementsandtheconstructioncontrolpoints,asimilargeologicaltunnelingexperience.Keywords:softsurroundingrock；three-stepseven-stepflowprocess；theconstructioncharacteristicsoftheconstruction；theprocessofconstructionorganizationarrangements；theconstructionofthecontrolpoints

中图分类号：U45文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）

1、工程概况

由中铁十二局集团承建的贵广铁路GGTJ-6标田坝岭隧道位于桂林市灵田县境内，隧道全长6470m，其中Ⅲ级围岩3880m，Ⅳ级围岩1500m，Ⅴ级围岩1044m，隧道开挖断面大、埋深浅、偏压严重。地质条件较差。整体地貌为中低山地貌，地形起伏较大，冲沟发育，岩石分布主要为泥质砂岩、泥质砂岩夹页岩，较软岩，弱风化，地下水以孔隙水、基岩裂隙水、岩溶水为主，水量丰富，隧道不良地质有顺层、岩溶以及断层破碎带。针对如此差的地质条件,采用三台阶七步流水作业法施工,取得了良好效果。

2、软弱围岩隧道施工方法的选择

大断面软弱围岩隧道岩体强度低，变形大，自承能力小，施工中经常会出现初期支护收敛变形过大，围岩长时间难以稳定等问题，严重威胁隧道施工安全。选择合理的开挖方法是成功解决隧道施工安全及工期压力的前提。大断面软弱围岩隧道常用的施工方法有：双侧壁导坑法、CD法、CRD法和三台机七步流水法等。

双侧壁导坑法、CD法、CRD法在施工中存在一定的局限性，如：受作业空间的影响，限制了大型机械的使用，基本靠人工开挖，工效低、速度慢，难以满足工期紧迫的要求。拆除临时支护时，正洞初期支护会因突然卸载而出现大的变形，存在安全风险。各分部开挖面循环衔接性差，相互干扰大，施工质量得不到充分保证。临时支护反复拆除，成不投入大，不经济。

为规避上述施工方法的局限性，综合考虑以下四点因素，大断面软弱围岩隧道选择“三台阶七步流水法”施工隧道。

1、对工期紧迫性的要求，需快速组织施工。

2、工程水文地质复杂，可变性大，必须选择一种能适应地质变化而迅速过渡的施工方法。

3、能够较大限度地发挥大型施工机械的优势，提高施工效率，以求最佳的施工进度。

4、施工工序简便，满足隧道施工质量要求。

3、三台阶七步流水作业法基本定义

3.1三台阶七步流水作业法，是将隧道整个断面开挖分为三个台阶五个作业面，同时进行开挖、支护，仰拱及时封闭成环，二衬紧跟，实现隧道施工工序同步推进的施工方法。是实现软岩隧道新奥法施工“短进尺、少扰动、强支护、快成环、及时施作二衬”的有效手段。

3.2三台阶七步流水法的适用范围：“三台阶七步流水法”适用于IV、V围岩，主要是黄土、强风化岩层等。“三台阶七步流水法”不适用于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做超前大管棚后可采用)。三台阶七步流水开挖法需结合辅助施工措施对前方开挖面进行预支护或预加固，以提高围岩自承能力，抑制围岩的松弛和变形。

4、三台阶七步流水法施工工艺流程

三台阶七步流水法施工工艺流程

5、三台阶七步流水法施工作业示意

5.1三台阶七步流水法开挖透视图

5.2三台阶七步流水法施工步骤图

6、三台阶七步流水法作业程序

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3-5m，宽度宜为隧道开挖宽度的三分之一到二分之一。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1.5m，开挖后立即初喷3―5厘米混凝土。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。

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―5厘米混凝土，及时进行喷、锚、网系统支护。

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―5厘米混凝土，及时进行喷、锚、网系统支护。

第6步，开挖上中下台阶预留的核心土：开挖各台阶预留的核心土，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―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。

三台阶七步流水法每循环所需工人及管理人员44人，每循环作业时间14―16小时。

7、三台阶七步流水作业法注意事项：

7.1开挖进尺要求不得大于1.5m，主要是考虑开挖进尺过大，一是围岩暴露面积过大降低了围岩自身承载能力；二是进尺过大延长了开挖工作面封闭时间；初喷混凝土厚度3～5cm，增强围岩自稳性，避免围岩长时间暴露产生掉块。预留核心土长度3～5m，宽度为隧道跨度的1/3～1/2，可以有效的防止软弱围岩开挖面失稳，同时为机械施工提供了作业平台。

7.2上台阶要求开挖矢跨比大于0.3，是指拱部的开挖高度与开挖跨度比值应大于0.3，当矢跨比大于0.3时，拱部开挖比较稳定。中、下台阶的开挖高度的划分可以根据实际断面大小酌情调整。

7.3三台阶七步流水作业法安全卡控距离要求：仰拱距下台阶距离：Ⅲ级围岩不超过50m,Ⅳ级不超过40m,V级及以上围岩不超过30m；Ⅳ级、Ⅴ级围岩支护紧跟掌子面。二次衬砌距掌子面距离：Ⅲ级围岩不超过120m,Ⅳ、V级不超过90m。

8、三台阶七步流水法施工施工人员及机具配备

8.1单作业面施工一般需要65人左右，施工人员应经培训合格后上岗，人员分配和调整应按照不同工种配齐、配足，并保持相对稳定。

施工人员配备

8.2施工机具按照隧道实施性施工组织设计要求，配备污染低、能耗小、效率高的机具。

施工机具配备

9、三台阶七步流水作业法技术要点

技术要点一：

三台阶开挖法应合理确定是否预留核心土、台阶的开挖高度和各台阶一次开挖的长度。台阶的开挖高度一般根据隧道断面的大小和围岩级别确定，上台阶高度为3.5m，中台阶高度为3.3m，下台阶高度为3.0m；是否预留核心土和各台阶一次开挖的长度一般根据围岩级别、含水量、围岩自稳性等确定，上导坑一般不宜超过1～2米,中、下台阶一般不宜超过2～2.5米。

技术要点二：

三台阶开挖法的关键是“施工要素配备科学、施工组织合理、工序衔接紧凑”。由于作业面较多，人员设备投入多，工序干扰大，因此每个作业面、每个工序投入多少人员设备、作业时间是多少等，都要严格把控，形成标准化的作业模式，才能发挥优势，实现快速施工。据统计三台阶七步流水作业法在软岩双车道铁路隧道最高月成洞指标是135米，本标段隧道月成洞指标一般为70～115米。

技术要点三：

三台阶开挖法的核心是快速施工，支护快速封闭成环。各个工序要突出一个“快”字，尽量减少开挖岩面的暴露时间，尽快支护，尽快封闭成环。封闭成环的时间要根据围岩级别和围岩量测确定，IV、V级围岩一般不宜超过10～15天。“封闭成环”是防止支护下沉、围岩变形、确保施工安全的关键环节。

技术要点四：

三台阶开挖法施工要规范作业，确保工序施工质量。开挖作业要人工开挖与机械开挖相结合，合理控制爆破作业用药量，尽量降低对围岩的扰动；确保锚杆、拱架、喷混凝土等工序的质量，尤其是系统锚杆和锁脚锚杆的施工，严禁支护背后有空洞。

技术要点五：

三台阶七步流水作业法要充分发挥围岩量测的作用。要高度重视围岩量测工作，及时进行数据分析，根据数据分析调整支护参数、开挖方法、循环进尺以及支护封闭成环和二衬的施作时间。

10、三台阶七步流水作业法技术优点

技术优点一：

作业空间大，多个工序平行作业，可充分利用机械化施工，工效较高。

技术优点二：

预留核心土，各台阶工作面错开开挖，对围岩的扰动较小，每个作业面的临空面较小，便于维护围岩的稳定。

技术优点三：

断面开挖分三个台阶五个作业面，同时进行开挖、出碴、支护作业，实现了以小断面作业方式达到全段面掘进的工效，实现软岩隧道的快速掘进。

技术优点四：

软岩隧道内可同步进行掌子面开挖支护、仰拱开挖支护、仰拱砼施工、隧道防排水系统施工、二衬及后续工序施工等，实现了软岩隧道工序的均衡作业。

技术优点五：

由于有效地解决了隧道工序的均衡作业，可极大地改善洞内的作业环境，降低安全风险。

结语：

大断面软岩隧道施工采用三台阶七步流水开挖法施工，在经济效益方面尤为突出，与传统的大断面隧道CRD法施工比较，主要有以下几个方面的优点：一是拓展了隧道的施工空间，可以做到大型施工机具生产效率最大化，避免了CRD法作业空间小、限制了大型施工机具使用的尴尬局面，进一步提高了单位时间内的施工产值，缩短了整个单位工程的施工工期；二是降低了人工用量和劳动强度，节约了工费成本，由以往劳动力密集型施工转变为机械化、程序化施工；三是采用“三台阶七步流水开挖法”施工没有临时支护环节，节约了大量的临时支护成本，减少了投资浪费；四是工程质