隧道動態分部施工工法力學原理與施工技術

袁偉強

（中鐵十九局第三工程有限公司，遼寧 遼陽 111000）

1 基本概念

1.1 上軟下硬復合地層

不同的形成時代，不同的地質作用等因素均使得地層在巖性、結構、變質程度等方面存在著巨大的差別，在工程上表現為高度地非均質性，也就是說，嚴格意義上的各向同性均質地層在自然界是不存在的。對于隧道工程而言，在開挖斷面范圍內和開挖延伸方向上，往往存在兩種或兩種以上不同地層組成了隧道的賦存環境。通常可把這些巖土力學、工程地質和水文地質等特征相差懸殊的組合地層，定義為復合地層。復合地層的組合方式也是非常復雜多樣的，但總的來說有以下兩類:

1.1.1 在垂直方向上不同地層的組合

最典型的垂直方向上的復合地層就是所謂的上軟下硬地層。即隧道斷面上部是松軟土層，而下部是堅硬的巖石地層或者上部是軟巖地層而下部是硬巖層或者在硬巖層中夾軟巖層或者在巖石地層中夾破碎帶、溶洞等。

1.1.2 在水平方向上不同地層組合

在一個施工階段當中，可能分布著不同時代、不同巖性、不同風化程度或不同層序的地層，也可能同一種巖層，但風化程度有很大差異，從而表現出水平方向上工程地質性質的差異。

1.2 大斷面隧道

隨著我國交通事業的飛速發展以及西部大開發戰略的逐步實施，交通運輸基礎設施建設又進入了一個新的大發展時期，環境保護對交通運輸的要求使得隧道必將越建越多，而且隧道也越建越長，隧道斷面也越來越大。由于大斷面隧道跨度較大，結構將承受較大的圍巖壓力、受力條件較為復雜，加施工期間諸多工序的相互影響、圍巖的多次擾動以及支護襯砌相互之間的非同步施工等諸多因素，故極易發生圍巖失穩和隧道襯砌結構開裂與破壞現象。因此，開展大斷面隧道的施工工法研究也一直是業內人士的焦點。

2 動態分部施工工法的提出及特點

軟弱地層中隧道開挖施工方法常用的有雙側壁導坑法、CD 法(中隔壁法)、CRD 法(交叉中隔壁法)等。CD法主要應用于雙線隧道級圍巖深埋硬質巖地段以及老黃土隧道級圍巖地段。CRD法主要應用于IV級圍巖深埋軟質巖、淺埋、偏壓地段以及V級圍巖深埋地段。雙側壁導坑法雖然能夠應用于V級圍巖淺埋、偏壓及洞口段，但其為先開挖隧道兩側的導坑，并進行初期支護，再分部開挖剩余部分的方法。

此方法工序干擾少，操作簡單、安全可靠，適合中、大型機械進行施工，施工進度大大加快，并且臨時支護少，投入經濟少，降低了工程造價。能保證施工全過程處于安全、穩定、優質、快速的可控狀態。適用于超淺埋大跨隧道不均勻風化地層及從側壁進洞困難的地段。

3 動態分部施工工法力學原理

3.1 大斷面隧道的施工力學特性

目前，國內外對于大斷面隧道的施工力學特性進行了較多的研究，歸納起來，大斷面隧道施工力學特性主要表現在以下幾個方面:

3.1.1 大跨隧道由于寬度加大，而高度基本保持不變，因此，形成一個扁平的拱形結構，其在力學分析上可近似看作橢圓。

3.1.2 由于跨度加大，使得開挖引起的應力重分布趨于不利。如果圍巖的單軸抗壓強度比重分布的應力小，隧道周邊圍巖將出現塑性區，為此，需要強大的支護結構來控制變形。

3.1.3 隧道在開挖過程中應力集中程度大，是普通隧道的1.5-2倍，隧道墻腳處應力集中過大，要求圍巖具有較高的地基承載力。

3.1.4 拱頂穩定性降低，施工過程中易坍塌。

3.1.5 會產生較大的松弛地壓。開挖寬度和開挖高度越大，要求產生拱作用的埋深越大，在埋深小時，拱作用不能發揮時，就會產生很大的松弛地壓，因此，對大斷面隧道而言，會產生較大的松弛荷載。

3.1.6 支護結構的承載力相對較小。跨度越大，扁平形狀的拱形支護結構的承載力也小。

3.2 動態分部施工工法的力學機理

3.2.1 橢圓形洞室圍巖應力分布

從判斷隧道圍巖穩定性的觀點出發，只要找到洞室周邊極值點處的應力大小，看其是否超過巖體的強度即可判斷其穩定程度。從研究圓形斷面洞室周邊應力知道，橢圓形洞室周邊應力的兩個應力極值仍然在水平軸和垂直軸上。

3.3.2 動態分部施工工法的力學機理

通常，淺埋隧道的側壓系數K小于1，由于使用功能要求以及其本身的特點和工程造價等因素的控制，大跨隧道一般做成扁平狀，為了便于分析可近似地看成橢圓形，從理論力學原理看，動態分部施工工法是有利于隧道施工穩定的。

4 動態分部施工工法施工工藝及操作要點

4.1 動態分部施工工法工況

動態分部開挖工法根據隧道的跨度、開挖面范圍內地層分布特征及圍巖的穩定程度可以分為中臺階設中隔墻和不設中隔墻兩種情況。

4.1.1 中臺階不設中隔墻

當隧道上臺階圍巖軟弱，而中下臺階圍巖較硬時，采用動態分部施工施工工法，隧道中臺階可不設中隔墻，此時，隧道的開挖方法用中隔墻將在上臺階分成左右兩部分。具體施工工序如下:①開挖1部臺階，初噴砼封閉掌子面。施作1部洞身結構的初期支護和臨時支護，安設鎖腳錨桿，鎖腳錨桿要求與鋼架用鋼筋焊接。②跟進開挖支護2部，步驟同1部。③開挖3部，安裝鋼架，鉆設錨桿，錨桿要求焊接在鋼架上。噴射混凝土至設計厚度。④開挖4部，及時封閉初期支護。

4.1.2 中臺階設臨時中隔墻

當隧道上、中臺階圍巖軟弱的時，隧道的開挖方法用中隔墻將上、中臺階分成左右4部分。具體施工工序如下①開挖1部臺階，初噴砼封閉掌子面，施作1部洞身結構的初期支護和臨時支護，安設鎖腳錨桿，鎖腳錨桿要求與鋼架用鋼筋焊接。②跟進開挖支護2部，步驟同1部。③開挖支護3部，步驟同1部。④開挖支護4部，步驟同1部。⑤開挖支護5部，及時封閉初期支護。

4.2 動態分部施工工法要點

采用動態分部臺階法施工，中臺階及下臺階中隔墻根據地質及監控量測情況適當加設。上臺階左側先行，右側滯后左側，中臺階跟進。上臺階為土質時采用人工開挖預留核心土，均采用人工出碴。

4.2.1 108管棚超前預加固（進洞時）

隧道拱部內采取加密的超前108長管棚，注漿材料采用水泥漿或水泥一水玻璃雙液漿。

4.2.2 加強初期支護按照“強支護”施工理念，為減少隧道變形引起地表下沉，并保障施工安全，該地段主洞初期支護噴射混凝土厚度由25cm提高至28cm，鋼架由120a工字鋼改為122工字鋼,臨時仰拱采用120工字鋼，噴射混凝土厚25cm；中隔墻采用122工字鋼，噴射混凝土厚22cm。并加設鎖腳錨管，每鋼架下加設8根。

4.2.3 洞身開挖

上臺階左側先行，右側滯后左側，設置直中隔墻，臨時仰拱根據底板地質情況增設，中臺階及下臺階跟進，中臺階中隔墻及臨時仰拱根據圍巖情況增設。上臺階為土質時采用人工開挖預留核心土，均采用人工出碴；中下臺階出現巖層，需進行爆破時采用弱爆破，避免損壞初期支護，控制爆破速度不超過并按設計埋設注漿小導管，開挖完成后及時噴硅封閉，每循環開挖進尺0.5m(即鋼架間距)。仰拱及時跟進，仰拱支護每2-3m施工一次，仰拱襯砌5m一次。

5 結語

從復合地層和大斷面隧道的基本概念出發，分別闡述了隧道上軟下硬地層與大斷面隧道施工力學行為的基本特點，提出了動態分部施工工法的基本概念，并根據橢圓形隧道受力機制和軸變理論分析了其力學原理，從理論上論證了該工法的實施有利于隧道施工的穩定，為該工法的提出提供有力的理論依據，最后就其主要施工工藝及措施進行了具體介紹。

[1]沈才華，童立元，劉松玉.卵礫石層淺埋公路隧道支護方案的優化研究[J].土木工程學報.2008.

[2]付兆崗，李鐵翔，蔣勇.北京八達嶺隧道冬期噴錨支護施工技術[J].鐵道建筑技術,2001.