张星江
云南交投集团云岭建设有限公司，云南昆明650224
摘要：传统的隧道开挖施工方法中使用到分台阶、分部开挖的技术,并且根据围岩地质条件、施工条件派生出很多种工法，对这些工法进行适应性研究、优化组合、创新一直是技术人员的使命。一种“公路隧道三台阶五步开挖施工方法”在理论与实践的联系中应运而生，经过实践证明，该方法为地质条件为Ⅳ、Ⅴ级中等硬度围岩或Ⅴ、Ⅵ级以下软弱围岩的公路隧道施工提供了新途径，值得推广。
关键词：公路隧道；三台阶五步；开挖；方法
Study on Construction Method of Three Stands and Five Stages Employed
in the Process of Excavation of Highway Tunnel
Zhang Xingjiang
Yunling Construction Co., Ltd., Yunnan Trading & Investment Group, Kunming 650224, China
Absrtact: The technology of step-by-step and partial excavation has been employed in the process of the traditional tunnel excavation construction, in which a variety of construction methods have been derived according to the geological state of surrounding rocks and construction conditions. Therefore, it has always been the mission of technicians to study the adaptability of these methods, optimizing the combination and innovation of these technologies. At present, a construction method named "Three Stands and Five Stages Excavation Construction Method of Highway Tunnel" comes into being in the process of construction which has been as a result of the connection between theory and practice. It has also been proved by practice that it has been novel method for the construction of highway tunnel to be employed and worth popularizing, adapted with the surrounding rock of the grade IV, grade V medium hardness and the weak surrounding rock below grade V and grade VI.
Key words: highway tunnel; three stands and five stages; excavation; method
1.引言
按隧道开挖断面型式划分，一般隧道开挖施工方法主要分为全断面法、台阶法和分部法3类。在实践过程中，广大技术工作者根据围岩地质条件、施工条件，利用分台阶、分部开挖的技术优化组合、创新出很多种工法。针对Ⅳ、Ⅴ级中等硬度围岩或Ⅴ、Ⅵ级以下软弱围岩地质条件，跨径小于等于3车道的公路隧道，具体为隧道的洞口段、浅埋段、偏压段、断裂破碎带、软弱围岩段和工程水文地质复杂、可变性大的地段，以及土质隧道、强风化地质隧道，传统的施工方法多采用双侧壁导坑法、CD法、CRD法、三台阶临时仰拱法、三台阶七步法等。但是，这些施工方法具有一定的局限性，需要解决坍塌、拱顶整体下沉、收敛严重等技术难题。根据对隧道开挖施工方法的研究，并经过多次公路隧道施工的实践，笔者发明了一种隧道开挖施工方法——公路隧道三台阶五步开挖施工方法。
2.思路和原理
大多隧道施工遵从的理论基础是新奥法的基本原理，其重点是充分发挥围岩的自承能力。该方法从减少对围岩的扰动及提高围岩的自承能力出发，基于分台阶和分部开挖的技术，优化组合，合理的分台阶和分部，减少对围岩的扰动、尽早支护闭合成环保证围岩的自承能力，保证施工安全，提高施工质量；同时提供较大的操作空间、较多的作业面保证平行流水施工，加快施工进度。
3.公路隧道三台阶五步开挖施工工法的核心技术
采用三层台阶，分上、中、下三个台阶五个开挖面，上台阶预留核心土环形开挖，其他台阶各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开、分步平行开挖、分步平行施作初期支护，超前支护和初期支护紧跟开挖平行作业，仰拱及时闭合，构成全环稳固的初期支护系统。
4.施工操作要点
4.1开挖顺序
采用三台阶五步法施工，开挖顺序见下图1。以隧道起拱线为分界面，上断面再一分为二成上台阶和中台阶，下断面作为下台阶。先预留核心土环形开挖上台阶Ⅰ部，然后分左右侧错开开挖中台阶及上台阶的核心土组成的Ⅱ、Ⅲ部，最后分左右侧错开开挖下台阶的Ⅳ、Ⅴ部。
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4.1.1上台阶开挖与支护
进行拱部超前支护后，以挖掘机或凿岩台车为主、人工用风镐凿除修整配合，预留核心土环形开挖上台阶Ⅰ部，碴土用挖掘机清运至中台阶，如遇石方采用弱爆破。上台阶纵向长度控制在6m内，高度在3.5m左右，开挖矢跨比应大于0.3，弧形内外环的层间高度在1.8m左右（够人工操作空间就行）。每循环开挖进尺1～2榀钢架（约50～130cm），开挖后应及时按“初喷—锚杆—钢筋网—钢架—复喷”的支护形式实施初期支护。在钢架拱脚以上30～100cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°打设锁脚锚杆（或锁脚小导管），锁脚锚杆与钢架牢固焊接，复喷混凝土至设计厚度。
4.1.2中台阶开挖与支护
紧跟上台阶，中台阶开挖前必须先进行超前支护（这点关系到隧道拱腰部位的掉块、坍塌），用挖掘机对中台阶一侧Ⅱ部（比如左侧）及上台阶核心土进行开挖支护后，再错开开挖另一侧Ⅲ部（比如右侧）并支护，碴土用挖掘机或装载机装车运出洞外，如遇石方采用弱爆破。中台阶纵向长度控制在18m内（围岩好的可适当加长），高度在3.5m左右，左右侧错开6m左右，不能同一断面左右侧同时开挖，避免钢架悬空。每循环开挖进尺1～3榀钢架（约50～190cm），初期支护及锁脚方式与上台阶一样，上、中台阶的钢架接头必须采用钢板连接，接头固定紧密，线形平顺，没有凸起。
4.1.3下台阶开挖与支护
紧跟中台阶，用挖掘机对下台阶一侧Ⅳ部（比如左侧）进行开挖支护后，再错开开挖另一侧Ⅴ部（比如右侧）并支护，碴土用挖掘机装车运出洞外，如遇石方采用弱爆破。下台阶距掌子面距离24m左右（不大于2倍洞径），下台阶高度在4m左右，左右侧错开2～5m（够一个仰拱循环长度即可），不能同一断面左右侧同时开挖，避免钢架悬空。每循环开挖进尺3～5榀钢架（约150～300cm），初期支护与上台阶一样，若拱架下沉、变形量大可增加锁脚，中、下台阶的钢架接头与中台阶一样。
4.2仰拱衬砌与填充施工
下台阶的钢架闭合成环后，即可施工仰拱衬砌，一次施工的仰拱衬砌纵向长度不宜大于8m。按设计及规范安装好仰拱衬砌钢筋，安装好模板，可一次安装好仰拱衬砌及填充混凝土的模板，但仰拱衬砌及填充混凝土应分开浇筑，先浇筑仰拱混凝土，待仰拱混凝土初凝后再浇筑填充混凝土。
4.3防水层与二衬施工
仰拱衬砌及填充完成后，根据初期支护的监控量测情况确定防水层与二衬施工时机，防水层与二衬按常规方法施工。
5.应用实例及应用效果
5.1工程概况
云南省小勐养至磨憨公路改扩建工程土建第七标段买卖河2号隧道为一座单洞隧道，隧道起止桩号为K59+167～K59+545，全长378m，最大埋深约52m。隧道设计净跨为11.0米，净高为7.1m。买卖河2号隧道区属构造剥蚀低山地貌区，地形起伏较大，进出口段均植被茂密。隧道区覆盖层为第四系土，为中硬土类型，厚度3～50米，基岩为褐红、紫红色泥岩，强风化，节理裂隙发育，风化程度不均，围岩易坍塌，侧壁不稳定，洞口端易诱发工程滑坡或沉陷至地表，隧道埋藏较浅，需及时支护。隧道区地下水类型为基岩风化裂隙水，富水性弱～中等，补给来源为大气降水。其中Ⅴ级围岩123m，Ⅳ级围岩255m。
5.2施工情况
该隧道的土建工程于2016年1月16日开工，首先按设计推荐的施工方法进行了明洞、管棚、进洞段的施工。由于对围岩地质和地下水估计不足，分两台阶并设置临时仰拱限制了施工进度，施工机械有时误闯入临时仰拱上，加上围岩出水并汇集到临时仰拱台阶上，很快临时仰拱基地承载力不够导致下沉，牵引连接在临时仰拱工字钢上的拱架下沉和向内收敛，导致初支侵限，不得不停下来换拱。为了解决进度问题和初支侵限问题，决定从取消分台阶上的临时仰拱入手，改变施工方法，采用既分台阶又分部的“三台阶五步法”和加强拱架的锁脚来组织施工，使施工过程比较顺利。在其后的Ⅴ级、Ⅳ级围岩均采用此方法，并采取从隧道一端主攻、另一端辅攻，于2016年11月20日顺利完成土建的施工。
5.3工程监测与结果评价
整个隧道施工过程处于安全、优质的可控状态，并按照计划工期要求完成所有内容的施工。经过第三方监控量测单位的检测，以及省交通运输厅质检局的检测，隧道整体情况良好，没有二衬厚度不足及侵限或其它质量缺陷，顺利的通过了验收。整个隧道土建工程造价3057.014万元（不包括沥青路面、机电、交通工程等），既降低了施工单位的施工成本，又为建设单位节省了工程造价（变更增加量较小）。
6.特点与优点
6.1综合了台阶开挖法和分部开挖法的优点。采用该方法施工降低了安全和质量的预支成本，节约了施工管理成本，加快了施工进度，确保了施工安全及工程质量，是一种可行性强的隧道施工方法。而且该施工方法灵活，对围岩的适应性强，在地质条件发生变化时，能灵活、及时地转换施工工序，调整施工方法。
6.2该方法与常用的“台阶法”相比较，施工较为安全可靠。
该方法采用分台阶、分部开挖技术，实施短进尺、及时封闭的原则，而且沿隧道纵向错开、分步平行开挖、分步平行施作初期支护，可以较大的减少对围岩的扰动，保护围岩的天然承载力。采用超前小导管及较强的钢拱架喷锚支护，仰拱及时闭合，以有效地加强围岩的自承能力，能有效地控制围岩变形和地表下沉，能较好地保证隧道的整体稳定性及隧道施工的安全性。
通过对各工序间的合理管理，各班组间交接时间的压缩，能提高施工速度，减少围岩暴露的时间，避免围岩的自承能力的降低。减少了超挖，减少了对围岩的扰动，维护掌子面的稳定，很好地避免了冒顶、塌方等事故，避免了坍方引起的牵引破坏，避免对地表的破坏，能保证隧道的整体稳定性及隧道施工的安全性。
6.3采用该方法施工，工程质量好。该方法施工的毛洞成型好，且超欠挖少，初期支护质量容易控制。受施工扰动相对较小，不易因机械设备碰触或人为损伤造成初期支护质量下降。同时，因不涉及临时支护的安拆，初期支护表面外观质量也能得到保证，为后续防水层施工质量奠定了良好的基础。
6.4该方法与其他软弱围岩隧道施工“分部法”相比较，施工速度快、经济效益显著、社会效益好。
可形成多作业面的平行流水作业，减少了多工序间的相互干扰，具有较快的施工速度。减少了分部开挖次数，无过多的临时支护，节约大量的型钢、钢筋、锚杆、喷射砼等材料用量，以及节省了安装和拆除临时支护时间。开挖具有足够的作业空间，便于大型机械化施工，机械利用率高，可提高工效20～45%，大大节约了工期和减少了管理成本。
施工工序相对较为简单，不需要特殊的施工机具设备，台阶之间可平行穿插作业，便于现场施工组织管理，能节省大量的机械台班费和管理成本。能减少冒顶、塌方等事故，减少因坍方造成的经济损失，同时减少对社会造成的负面影响。
7.结束语
综上所述，公路隧道三台阶五步开挖施工方法，可以有效预防和解决施工引起坍塌、拱顶整体下沉、收敛严重、工期紧等问题，并适用于Ⅳ、Ⅴ级中等硬度围岩或Ⅴ、Ⅵ级以下软弱围岩地质条件，跨径小于等于3车道的公路隧道的施工。铁路、大跨度地下工程、水利水电工程施工亦有参考价值。
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