三台阶七步开挖法简介
铁路（公路）大断面隧道三台阶七步开挖法(以下简称“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沿隧道纵向错开、平行推进的隧道施工方法。三台阶七步开挖法适用于开挖断面为100～180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（强风化泥岩、强风化泥质粉砂岩等）。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）。
三台阶七步开挖法立体效果图
三台阶七步开挖法技术特点：
（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）在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。
三台阶七步开挖法规避了侧壁导坑法、中隔壁法及交叉中隔壁法等需要拆除临时支护及受力转换造成不安全的因素，及时调整闭合时间，方便机械施工，利于施工工序转换。
三台阶七步开挖法原则：
采用三台阶七步开挖法施工应尽量缩短台阶长度，确保初期支护尽快闭合成环，仰拱和拱墙衬砌及时跟进，尽早形成稳定的支护体系。
三台阶七步开挖设临时仰拱及横撑法施工工艺
1施工工艺流程
施工工艺流程见图1。
三台阶七步开挖法可分为以下主要步骤：
⑴上部弧形导坑环向开挖，施做拱部初期支护、临时仰拱；
⑵中台阶左右错开开挖，施做墙部初期支护、临时横撑：
⑵中、下台阶左右错开开挖，施做墙部初期支护：
⑶中心预留核心土开挖、隧底开挖，施做隧底初期支护。
每部开挖后均应及时支护，隧底初期支护后应及时施做仰拱，尽早封闭成环。
图1三台阶七步设临时仰拱及横撑施工工艺流程图
2施工作业
（1）采用三台阶七步开挖法施工的隧道，应将超前地质预报纳入施工工序，并根据工程水文地质变化情况，及时调整各部台阶长度或施工方法，采取相应的技术措施，及早封闭成环，保证施工安全。
（2）采用三台阶七步开挖法施工的隧道，应根据工程水文地质条件，按设计要求做好超前支护，防止围岩松弛，保证隧道开挖安全。在断层、破碎带、浅埋段等自稳性较差或富水地层中，超前支护应按设计要求进行加强。
（3）三台阶七步开挖法施工应符合下列要求：
①以机械开挖为主，必要时辅以弱爆破；
②弧形导坑应沿开挖轮廓线环向开挖，预留核心土，开挖后及时支护；其他分步平行开挖，平行施做初期支护，各分部初期支护衔接紧密，及时封闭成环；
③仰拱紧跟下台阶，及时闭合构成稳固的支护体系；
④施工过程通过监控量测，掌握围岩和支护的变形情况，及时调整支护参数和预留变形量，保证施工安全；
⑤完善洞内临时防排水系统，防止地下水浸泡拱墙脚基础。
（4）三台阶七步开挖法施工步骤如下：
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3-5米，宽度宜为隧道宽度的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Ⅴ级围岩不超过1倍拱架间距，Ⅳ级围岩不超过2倍拱架间距。开挖后立即初喷4cm厚混凝土，上台阶矢跨比应大于0.3，开挖后立即进行喷、锚、网系统支护，架设钢架及临时仰拱钢架，在拱架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边按下倾角30°打设锁脚锚管，锁脚锚管和钢架牢固焊接，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确定，最大不超过2倍拱架间距，开挖高度一般为3-3.5m，左右侧错开2-3m，开挖后立即初喷4cm厚混凝土，及时进行锚喷网系统支护，接长钢架，架立临时横撑，在拱架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边按下倾角30°打设锁脚锚管，锁脚锚管和钢架牢固焊接，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确定，最大不超过2倍拱架间距，开挖高度一般为3-3.5m，左右侧错开2-3m，开挖后立即初喷4cm厚混凝土，及时进行锚喷网系统支护，接长钢架，架立临时横撑，在拱架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边按下倾角30°打设锁脚锚管，锁脚锚管和钢架牢固焊接，复喷砼至设计厚度。
第6步，上、中、下台阶预留核心土：各台阶支护完成后及时开挖核心土及仰拱。
第7步，隧底开挖：隧底开挖循环进尺石质围岩不超过3m，土质围岩不超过1.5m，开挖完成后及时进行仰拱初期支护，仰拱完成两个隧底开挖、支护循环后，及时施作仰拱，仰拱施作长度宜为3-6m。施工步序图见下图。
3三台阶七步开挖法初期支护
三台阶七步开挖法的初期支护由喷射混凝土、锚杆（管）、钢筋网和钢架等组成，各部分联合受力。初期支护应在开挖后立即施作，以保护围岩的自然承载力。
（1）初喷混凝土封闭岩面要求：
a、初喷混凝土应在开挖后立即进行。
b、用高压风自上而下吹净岩面，埋设控制喷射混凝土厚度的标志钉。
c、工作面滴水或淋水时，宜采用钻孔埋管做好引排水。大面积潮湿的岩面宜采用粘结性强的混凝土，通过添加外加剂、掺合剂改善混凝土性能，也可采用干喷形式快速封闭渗水岩面。
d、喷射混凝土必须满足设计强度、厚度及其与岩面粘结力要求。
e、喷射作业应分段分片依次进行，喷射作业从拱脚或墙脚自下而上进行，作业时应避免上部喷射回弹料虚掩拱(墙)脚；先找平凹洼部分，后喷射凸出部分，各部平顺连接。喷头应与受喷面垂直，喷嘴口至受喷面距离宜保持在1.0～2.0m，沿水平方向以螺旋形划圈移动。
（2）系统锚杆、钢筋网施做应符合下列要求：
a、初喷混凝土后应及时施做锚杆，锚杆必须设置垫板。
b、钢筋网可采用为φ8mm或φ6mm的HPB235钢制作，网格尺寸宜采用20cm×20cm～25cm×25cm，搭接长度应为1～2个网格，网片间采用焊接方式连接。
c、钢筋网随受喷面起伏铺设，其间隙不应大于3cm，钢筋网应与锚杆、钢架连接牢固，且钢筋保护层厚度不应小于4cm。
（3）安装钢架应符合下列要求：
a、拱部单元安装工序：放样确定钢架基脚位置→施做定位锚杆→架设钢架→布设纵向连接筋。
b、墙部单元安装工序：墙脚部位铺设槽钢垫板→施做定位锚杆→对应拱部单元架设墙部钢架单元→布设纵向连接筋。拱、墙部钢架单元宜采用栓接的方式连接。
c、加强钢架拱(墙)脚锁脚锚杆(管)施工，各台阶每单元钢架拱(墙)脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30°打设4根或4根以上锁脚锚管，锁脚锚管与钢架牢固焊接，锁脚锚管直径不应小于42mm，长度不得小于3.5，以控制基脚变形。
安装钢架施工注意事项及要求：
①钢架拱(墙)脚应架设在稳固的基岩上或底部铺垫槽钢，以保证钢架基础稳固。安装前应清除基脚下的虚渣、虚土及杂物。
②钢架安装允许偏差：钢架间距、横向位置和高程与设计位置的偏差不超过±5cm，垂直度允许偏差为±2°。
③钢架应与纵向连接筋、锁脚锚杆焊接牢固，以增强钢架的整体稳定性。
④锁脚锚管施工应作为施工质量控制的重点，钢架连接板应采用栓接牢固连接。锚管直径不应小于42mm，长度为4m，以控制基脚变形。
⑤钢架和初喷混凝土间有较大间隙时，每隔2m应采用骑马或楔形垫块顶紧；钢架与围岩的间隙不应大于5cm。
喷射混凝土厚度应符合设计要求，初喷混凝土厚4cm，二次复喷混凝土应分层喷射，每层厚宜为5～6cm。喷射混凝土表面应平顺，无空鼓、裂缝，平整度宜采用2m靠尺检查，允许偏差为侧壁5cm、拱部7cm。
4仰拱施工
（1）隧底开挖应采用全幅分段施工，上面铺设自行式仰拱栈桥，每循环开挖长度石质围岩不得大于3米，土质不得大于1.5m。
当仰拱施工滞后下部台阶开挖面30～40m时，应停止前方工作面开挖或短距离跳槽进行隧底开挖。短距离跳槽的次数不得多余3次，每次跳槽间隔不得大于10m。
（2）隧底开挖后，应及时清除虚渣、杂物、泥浆、积水，立即初喷4cm厚混凝土封闭岩面，按照设计要求安装仰拱钢架，复喷射混凝土至设计厚度，使初期支护及时闭合成环。
（3）仰拱应超前拱墙衬砌，每循环浇筑长度宜为4～6m，仰拱应采用浮放模板支架成型。仰拱混凝土应分段全幅浇筑，一次成型，不留纵向施工缝，仰拱施工缝和变形缝应设置止水带。仰拱表面应平顺，不积水。
（4）仰拱填充混凝土应在仰拱混凝土终凝后浇筑，浇筑前应清除仰拱表面的杂物和积水，连续浇筑，一次成型，不留纵向施工缝。填充混凝土强度达到5MPa后允许行人通行，达到设计强度的100％后允许车辆通行。仰拱填充表面坡度应符合设计要求，应平顺、排水通畅、不积水。
5监控量测
（2）量测项目可分为必测项目和选测项目。选测项目可结合工程实际情况，按照《铁路隧道监控量测技术规程》的规定选取。必测项目见表1。
表1必测项目及方法
序号
项目名称
方法及工具
布置断面
1
必测项目
洞内外观察
使用地质罗盘等对岩性、结构面产状及支护裂隙观察和记录
每次开挖后进行
2
拱顶下沉
电子水准仪、铟钢尺、钢挂尺，量测精度为±0.5ｍｍ。
量测断面间距：
Ⅴ：5m；
Ⅳ：10m；
Ⅲ：30～50m；
Ⅱ：50m
3
周边位移
洞内钻孔中安设单点、多点杆式或钢丝式位移计
4
净空收敛
各种类型收敛计
5
地表下沉
电子水准仪、铟钢尺，量测精度为±0.4ｍｍ。
H（埋置深度）＞2B（开挖宽度），
20～50m/断面；B＜H＜2B，10～20m/断面；H＜B，10m/断面
净空变化量测测点布置和初读数的读取应符合下列规定。测点、测线布置详见图2。
图2净空变化测量布置图
1、上弧形导坑开挖完成后布设拱顶下沉点A和第一条净空量测线基线B-B＇，在3h～6h内取得初读数；
2、中台阶开挖并施做上部边墙初期支护后，布设第二条净空量测线基线C-C＇，在3h～6h内取得初读数；
3、下台阶开挖并施做上部边墙初期支护后，布设第二条净空量测线基线D-D＇，在3h～6h内取得初读数；
4、其他量测项目应在开挖后12h内取得初读数，最迟不得超过24h，且在下一循环开挖前完成；
5、拱（墙）脚净空变化、拱顶、地表观测点应布设在同一断面，便于分析、比较。
各测点取得初读数据后，应按照位移速度和量测断面和距开挖面的距离而选择量测频率，当出现异常状况时，应加大量测频率。
表2量测频率表
类型
量测频率
变形速度（mm/d）
量测断面距开挖面距离
普通
围岩
1～2次/d
≥5
(0～1)B
1次/d
1～5
(1～2)B
1次/（2d-3d）
0.5～1
(2～5)B
1次/3d
0.2～0.5
5B
1次/7d
0.2
注：1、B为隧道开挖跨度；
2、当按照“位移速度”和“量测断面距开挖面距离”选择量测频率出现较大差异时，宜取量测频率较高的实施。
