《三台階七步開挖施工工法》是中鐵十二局集團有限公司完成的建築類施工工法；作者分別是趙華鋒、趙香萍、李新芳；適用範圍是開挖斷面為100～180平方米，具備一定自穩條件的Ⅳ、V級圍岩地段隧道的施工。
《三台階七步開挖施工工法》主要的工法特點是：施工空間大，方便機械化施工，可以多作業面平行作業；能靈活、及時地轉換施工工序，調整施工方法；適應不同跨度和多種斷面形式，初期支護工序操作便捷；在台階法開挖的基礎上，預留核心土，左右側錯開開挖。
2009年10月19日，《三台階七步開挖施工工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2007-2008年度國家一級工法。
基本介紹
- 中文名：三台階七步開挖施工工法
- 工法編號：GJYJGF058-2008
- 完成單位：中鐵十二局集團有限公司
- 主要完成人：趙華鋒、趙香萍、李新芳
- 審批單位：中華人民共和國住房和城鄉建設部
- 主要榮譽：國家一級工法（2007-2008年度）
形成原因,工法特點,操作原理,適用範圍,工藝原理,施工工藝,材料設備,材料,設備,質量控制,安全措施,環保措施,效益分析,經濟效益,社會效益,環保效益,工程實例,榮譽表彰,
形成原因
大斷面軟岩隧道施工中，傳統的施工方法有雙側壁導坑法、CD法、CRD法等，這些施工方法進度慢、工效低、存在一定的局限性，限制了大型施工機械的使用，基本靠人工開挖，工效低、速度慢，難以滿足客運專線工期要求；拆除臨時支護時，正洞初期支護會因突然卸載而出現大的變形，存在安全風險；各分部開挖面循環銜接性差，相互干擾大，施工質量得不到充分保證；臨時支護反覆拆除，成本投入大等。而中國大斷面軟岩隧道施工中，往往會面臨以下問題：對工期緊迫性的要求，需組織快速施工；工程水文地質複雜，可變性大，須選擇一種能適應地質變化而迅速過渡的施工方法；能發揮大型施工機械的優勢，以求最佳的施工進度；把長期施工實踐所積累的作業習慣融合於施工方法中，做到高工效，易掌握，達到快速形成施工能力的目的等要求。
借鑑截至2007年大斷面隧道施工的成功經驗，規避傳統施工方法的局限性，以加快隧道施工進度、保證隧道施工安全、提高施工質量為目的，中鐵十二局集團有限公司提出了三台階七步開挖法施工的工藝流程、施工步驟、控制要點、勞動組織、機具設備等，突出大斷面軟岩隧道開挖施工的技術特點，總結完善形成了《三台階七步開挖施工工法》。
工法特點
《三台階七步開挖施工工法》的工法特點是：
⒈施工空間大，方便機械化施工，可以多作業面平行作業。部分軟岩或土質地段可以採用挖掘機直接開挖，工效較高。
⒉在地質條件發生變化時，便於靈活、及時地轉換施工工序，調整施工方法。
⒊適應不同跨度和多種斷面形式，初期支護工序操作便捷。
⒋在台階法開挖的基礎上，預留核心土，左右側錯開開挖，利於開挖工作面穩定。
⒌當圍岩變形較大或突變時，在保證安全和滿足淨空要求的前提下，可儘快調整閉合時間。
操作原理
適用範圍
《三台階七步開挖施工工法》適用於開挖斷面為100~180平方米，具備一定自穩條件的Ⅳ、V級圍岩地段隧道的施工。不適用於圍岩地質為流塑狀態、洞口淺埋偏壓段（但經過反壓處理或施作超前大管棚後可採用）。
工藝原理
《三台階七步開挖施工工法》是在隧道開挖過程中，以弧形導坑開挖預留核心土為基本模式，分上、中、下三個台階七個開挖面，以前後七個不同的位置相互錯開開挖，分部及時支護，形成支護整體，縮短作業循環時間，各部位的開挖與支護沿隧道縱向錯開、平行推進的隧道施工方法。
施工工藝
- 工藝流程
《三台階七步開挖施工工法》的工藝流程見圖1。
圖1 施工工藝流程圖
- 操作要點
《三台階七步開挖施工工法》的操作要點如下：
《三台階七步開挖施工工法》的施工步驟見圖2。
圖2 開挖步驟圖（1）
《三台階七步開挖施工工法》的開挖透視見圖3。
圖3 開挖透視圖
《三台階七步開挖施工工法》的施工工序見圖4。
圖4 施工工序圖
第1步，上部弧形導坑開挖:在拱部超前支護後進行，環向開挖上部弧形導坑，預留核心土，核心土長度宜為3~5米，寬度宜為隧道開挖寬度的1/3~1/2。開挖循環進尺應根據初期支護鋼架間距確定，最大不得超過1.5米，開挖後立即初噴3~5厘米混凝土。.上台階開挖矢跨比應大於0.3，開挖後應及時進行噴、錨、網系統支護，架設鋼架，在鋼架拱腳以上30厘米高度處，緊貼鋼架兩側邊沿按下傾角30°打設鎖腳錨桿，鎖腳錨桿與鋼架牢固焊接，復噴混凝土至設計厚度。
第2、3步，左、右側中台階開挖:開挖進尺應根據初期支護鋼架間距確定，最大不得超過1.5米，開挖高度一般為3~3.5米，左、右側台階錯開2~3米，開挖後立即初噴3~5厘米混凝土，及時進行噴、錨、網系統支護，接長鋼架，在鋼架牆腳以上30厘米高度處，緊貼鋼架兩側邊沿按下傾角30°打設鎖腳錨桿，鎖腳錨桿與鋼架牢固焊接，復噴混凝土至設計厚度。
第4、5步，左、右側下台階開挖：開挖進尺應根據初期支護鋼架間距確定，最大不得超過1.5米，開挖高度一般為3~3.5米，左、右側台階錯開2~3米，開挖後立即初噴3~5厘米混凝土，及時進行噴、錨、網系統支護，接長鋼架，在鋼架牆腳以上30厘米高度處，緊貼鋼架兩側邊沿按下傾角30°打設鎖腳錨桿，鎖腳錨桿與鋼架牢固焊接，復噴混凝土至設計厚度。
第6步，開挖上、中、下台階核心土：分別開挖上、中、下台階預留的核心土，開挖進尺與各台階循環進尺相一致。
第7步，隧底開挖：每循環開挖長度宜為2~3米，開挖後及時施作仰拱初期支護，完成兩個隧底開挖、支護循環後，及時施作仰拱，仰拱分段長度宜為4~6米。
- 施工要點
《三台階七步開挖施工工法》的施工要點如下：
⒈採用三台階七步開挖法施工的隧道，應將超前地質預報納入施工工序，並根據工程水文地質變化情況，及時調整各部台階長度或施工方法，採取相應的技術措施，及早封閉成環，保證施工安全。
⒉採用三台階七步開挖法施工的隧道，應根據工程水文地質條件，按設計要求做好超前支護，防止圍岩鬆弛，保證隧道開挖安全。在斷層、破碎帶、淺埋段等自穩性較差或富水地層中，超前支護應按設計要求進行加強。
⒊三台階七步開挖法施工應符合下列要求：
⑴以機械開挖為主，必要時輔以弱爆破。
⑵弧形導坑應沿開挖輪廓線環向開挖，預留核心土，開挖後及時支護。
⑶其他分步平行開挖，平行施作初期支護，各分部初期支護銜接緊密，及時封閉成環。
⑷仰拱緊跟下台階，及時閉合構成穩固的支護體系。
⑸施工過程通過監控量測，掌握圍岩和支護的變形情況，及時調整支護參數和預留變形量，保證施工安全。
⑹完善洞內臨時防排水系統，防止地下水浸泡拱牆腳基礎。
材料設備
材料
《三台階七步開挖施工工法》使用的材料都是常用的，不作說明。
設備
《三台階七步開挖施工工法》操作簡單，單作業面施工機具配備見表1，可根據施工現場情況酌情調整。
序號 | 作業項目 | 機具設備名稱 | 規格型號 | 單位 | 數量 | 備註 |
|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 開挖 | 電動壓風機 | 20立方米/分鐘 | 台 | 5 | 高壓供風 |
雙液注漿機 | 4立方米/小時 | 台 | 2 | 注漿 | ||
風鎬 | GI0 | 台 | 8 | 開挖修邊 | ||
風動鑿岩機 | YT-28 | 台 | 15 | 系統錨桿、超前支護、局部爆破鑽眼 | ||
挖掘機 | CAT320C | 台 | 1 | 開挖、裝渣 | ||
自卸車 | 20噸 | 輛 | 6 | 出渣 | ||
裝載機 | 小松WA470 | 輛 | 2 | 裝渣 | ||
泥漿泵 | 100立方米/小時 | 台 | 2 | 排水 | ||
2 | 初期支護 | 鋼筋切斷機 | QJ40-1 | 台 | 1 | 加工鋼筋 |
鋼筋折彎機 | 40 | 台 | 1 | 加工鋼筋 | ||
電焊機 | BX-300 | 台 | 5 | 加工鋼架、格柵及其他鋼構件 | ||
電焊機 | BX-400 | 台 | 2 | 加工鋼構件 | ||
台式鑽床 | SP-25A | 台 | 1 | 加工鋼構件 | ||
攪拌機 | JS500 | 台 | 2 | 拌合混凝土 | ||
濕噴機 | TK961 | 台 | 3 | 噴射混凝土 | ||
3 | 量測儀器 | 全站儀 | 索佳SET2130R | 台 | 1 | - |
水準儀 | PENTAXAP-128 | 台 | 1 | - | ||
錮鋼尺 | - | 個 | 2 | - | ||
4 | 通風 | 通風機 | SDF-Nol2.5 | 台 | 1 | 2110千瓦 |
質量控制
施工單位採用《三台階七步開挖施工工法》的質量控制要求如下：
- 工程質量控制標準
以《客運專線鐵路隧道工程質量評定及驗收標準》和《客運專線隧道施工技術指南》為標準進行質量控制。
- 質量保證措施
⒈在滿足作業空間和台階穩定的前提下，應儘量縮短台階長度，核心土長度應控制在3~5米，寬度宜為隧道開挖寬度的1/3~1/2。
⒉三台階七步開挖法施工應嚴格控制開挖長度，根據圍岩地質情況，合理確定循環進尺，每次開挖長度不得超過1.5米；開挖後立即初噴3~5厘米混凝土，以減少圍岩暴露時間。
⒊嚴格按設計要求施作超前支護，控制好超前支護外插角，嚴格按注漿工藝加固地層，保證隧道開挖在超前支護的保護下施工。
⒋隧道周邊部位應預留30厘米人工開挖，其餘部位宜採用機械開挖，局部需要爆破時，必須採用弱爆破，不得超挖。施工時應嚴格控制裝藥量，減少對圍岩的擾動。
⒌鋼架應嚴格按設計及規範要求加工製作和架設。鋼架應架設在堅實基面上，嚴禁拱（牆）腳懸空或採用虛渣回填。鋼架應與鎖腳錨桿（管）焊接牢固。
⒍隧道超挖部位必須回填密實，嚴禁初期支護背後存在空洞。必要時初期支護背後應進行充填注漿，保證初期支護與圍岩密貼。
⒎應加強監控量測工作，根據量測結果，及時調整支護參數，確定二次襯砌施作時間，進行信息化施工管理。
⒏應完善洞內臨時防排水系統，嚴禁積水浸泡拱（牆）腳及在施工現場漫流，防止基底承載力降低。當地層含水量大時，上台階開挖工作面附近宜開挖橫向水溝，將水引至隧道中部或兩側排水溝排出洞外。必要時應配合井點降水等措施，降低地下水位至隧道仰拱以下，確保施工順利進行。反坡施工時，應設定集水坑將水集中抽排。
安全措施
施工單位採用《三台階七步開挖施工工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應遵守注意下列事項：
⒈嚴格執行《中華人民共和國安全生產法》和《安全生產條例》等相關法律法規。
⒉隧道進洞前應做好洞頂及洞口防排水系統。洞頂及洞口排水溝應鋪砌，用砂漿抹面，防止地表水及施工用水下滲，影響結構安全。
⒊三台階七步開挖法施工應做好工序銜接。工序安排應緊湊，儘量減少圍岩暴露時間，避免因長時間暴露引起圍岩失穩。
⑴初期支護應及時封閉成環，全斷面初期支護閉合時間宜控制在15天左右。
⑵仰拱應超前施作，仰拱距上台階開挖工作面宜控制在30~40米。鋪設防水板、二次襯砌等後續工作應及時進行。
⑶對於土質隧道，襯砌應緊跟仰拱施工，一般為15~20米，襯砌距開挖掌子面最大不得超過60米；對於岩石爆破隧道，襯砌距開挖掌子面距離須滿足爆破距離要求。
⒋中、下台階左、右側開挖應錯開，嚴禁對開，左右側錯開距離宜為2~3米。
⒌施工過程中可採用增加拱（牆）腳鎖腳錨桿（管）、增設鋼架拱（牆）腳部位縱向連線筋、擴大拱（牆）腳初期支護基礎及增設拱（牆）腳槽鋼墊板等增強拱（牆）腳承載力等措施控制變形。
環保措施
施工單位採用《三台階七步開挖施工工法》的環保措施如下：
⒈嚴格執行國家標準和當地的有關環保政策和有關規定。
⒉施工現場按照設計統一規劃、業主要求和施工環保的要求進行實施。
⒊污水處理採用多級沉澱池過濾沉澱。處理的工藝流程為：污水-收集系統-多級沉澱-沉澱淨化處理-排入河道。
⒋嚴禁亂倒、亂卸。施工現場設密閉式垃圾站，施工垃圾和生活垃圾按規定分開收集，做到每班清掃，每班清運。
⒌施工道路上要適量灑水，減少粉塵污染。
⒍隧道施工應加強洞內通風，作業環境應符合職業健康及安全標準。
效益分析
經濟效益
施工單位採用《三台階七步開挖施工工法》的效益分析如下：
大斷面軟岩隧道施工採用“三台階七步開挖法”，與傳統的大斷面隧道CRD法施工比較，主要有以下幾個方面的優點：一是拓展了隧道的施工空間，可以做到大型施工機具生產效率最大化，避免了CRD法作業空間小、限制了大型施工機具使用的尷尬局面，提高了單位時間內的施工產值，縮短了整個單位工程的施工工期；二是降低了人工用量和勞動強度，節約了工費成本，由以往密集型勞力施工轉變為機械化、程式化施工；三是採用“三台階七步開挖法”施工沒有臨時支護環節，節約了臨時支護成本，減少投資浪費；四是工程質量滿足驗標要求，操作便捷。
以鄭西客運專線張茅隧道為例：與傳統的大斷面隧道CRD法施工相比，採用“三台階七步開挖法”，發揮了大型施工機具的使用效率，施工進度由30~35米/月提升至70~75米/月，張茅隧道整體工期提前6個月結束，節約各項管理成本300多萬元、節約工費成本250多萬元、與CRD法相比平均每延米節約7000多元的臨時支護成本。
社會效益
施工單位採用《三台階七步開挖施工工法》的社會效益分析如下：
鄭西客運專線張茅隧道採用三台階七步開挖法施工技術，領先全線其他重難點隧道工程，第一個順利貫通。突破了富水大斷面黃土隧道安全風險高、施工進度慢、施工難度大這一難題。
環保效益
施工單位採用《三台階七步開挖施工工法》施工現場按照設計統一規劃、遵循業主和施工環保要求進行實施，隧道地下水及施工用水從核心土開槽引排至集水井，既不影響施工又方便污水處理。施工現場設密閉式垃圾站，施工垃圾和生活垃圾按規定分開收集，做到每班清掃，每班清運，施工環境粉塵污染少。
註：施工費用以2007-2008年施工材料價格計算
工程實例
施工單位採用《三台階七步開挖施工工法》的工程實例如下：
⒈鄭州至西安客運專線ZXZQ08標張茅隧道長度為8489米，隧道最大湧水量18990立方米/天，開挖斷面164平方米，地質為Q2老黃土，為全線控制性工程，採用“三台階七步開挖法”施工進度提升至70~75米/月，高於CD、CRD法30~35米/月的施工進度；初期支護全環封閉在15天左右，仰拱緊跟開挖面，成環封閉快，確保了隧道施工安全；較CD、CRD法平均每延米節約7000多元的施工成本；無須投入特殊設備，施工工藝滿足質量要求，提前契約工期50天安全順利貫通。
⒉小康高速公路包家山隧道全長11.2公里，隧道圍岩以千枚岩為主，地下水豐富，斷層破碎帶較多，圍岩分級以Ⅳ、V級為主，其中富水千枚岩地段共1970米，占隧道總長的20%，開挖斷面106平方米。包家山特長隧道於2006年12月開始進入富水千枚岩地段，採用三台階七步開挖法，平均日進尺3.75米/天，比中國已施工的富水千枚岩隧道（西康鐵路堰嶺隧道、金雞嶺隧道、蘭烏二線烏鞘嶺隧道）月進尺快20~30米，縮短了工期。
⒊張集鐵路牛家營隧道全長836米，隧道內輪廓按200公里/小時客貨共線鐵路雙層貨櫃運輸建築限界設計，軌面以上淨空橫斷面88.29平方米。隧道位於東西向天山一陰山複雜構造帶與燕山北東向構造帶交匯的複雜構造部位，在隧道出口端覆蓋巨厚層風積砂，結構疏鬆，穩定性極差，易產生溜塌。在牛家營二號隧道出口風積砂段採用三台階七步開挖法施工，安全快速通過了不良地質段。
註：施工費用以2007-2008年施工材料價格計算
榮譽表彰
2009年10月19日，中華人民共和國住房和城鄉建設部以“建質[2009]162號”檔案發布《關於公布2007-2008年度國家級工法的通知》，《三台階七步開挖施工工法》被評定為2007-2008年度國家一級工法。
