軟弱圍巖隧道頂弧側壁施工工法

鄒 鑫 茍明中

1 前言

隧道受外力作用不確定因素多，應力復雜，特別是處于Ⅴ級圍巖，淺埋、偏壓、水飽和地帶，地貌多為山麓堆積體，地質變化復雜。設計往往所采用的加強措施為:降低一級圍巖級別進行設計。為保證施工過程中隧道的縱向穩定，往往采用長管棚，以達到加強初支結構的剛度、強度和穩定性。現階段對于大斷面隧道、洞口地段及軟弱圍巖隧道的主要施工工法分別為:CRD(交叉中隔墻法)、CD(中隔墻法)、雙側壁導坑法(眼鏡法)。三種方法的優缺點見表1。

根據表1比較可以看出目前大跨隧道采用的施工工法普遍存在施工進度較慢、技術要求較高、投資較高等缺點。結合各種工法優缺點并結合工程實例在隧道特殊段施工提出“頂弧側壁工法”。

表1 各種方法的優缺點

2 頂弧側壁工法原理

以臺階法及雙側壁導坑法為基礎，利用圓心起拱線處正壓力和側壓力基本平衡。上部①，②緊隨施工封閉成環時間短，結構穩定。在頂弧側壁初支保護和大核心土橫撐作用及平衡反向壓力的情況下，施作下部③，④，使洞身短時間內全圓封閉成環。緊隨施工仰拱混凝土和填充混凝土，增強洞身穩定，適時施作拱墻模筑混凝土襯砌，使隧道形成整體結構(見圖1)。

3 頂弧側壁工法施工步驟

采用“頂弧側壁”工法施工的步驟如下:1)按三步臺階進行:a.頂部弧形導坑。b.邊墻至仰拱底側導開挖，每臺階步距2.5 m～3.0 m平行推進。c.架設側壁導坑臨時支撐。2)隨著弧形導坑和兩側側壁導坑平行的向前推進，視仰拱地質情況進行仰拱基底開挖。可按2 m一成環，6 m一回頭施作仰拱型鋼噴混凝土初期支護、襯砌混凝土和填充混凝土，以增大洞身的穩定性。3)當三臺階基底出現基巖，墻腳鎖腳錨桿插入基巖時，視具體情況可不設第三臺階側壁臨時支撐。但鎖腳錨桿必須加強，且核心土側邊坡必須穩定，防止核心土塌陷，確保施工安全。4)兩側側壁導坑開挖，隨著型鋼鋼架基腳基巖向上延伸，視具體情況，可取消側壁臨時支撐，采用留大核心上、下臺階法開挖。以便簡化工序，加快施工速度。5)當兩側邊墻腳型鋼支撐達仰拱底，且錨桿插入中風化層，可視為已形成閉合環。后部核心土及核心仰拱開挖，距離可適當拉長，亦可采用半側開挖封閉。6)如隧底仰拱達微風化，未風化地層，可取消仰拱僅作隧底鋪底混凝土。

4 頂弧側壁工法特點及工序轉換

1)當洞口長管棚施作完畢，管棚強度達80%以上，即可進行洞口施工，洞口首次開挖頂部弧形導坑弧形槽挖高度為2.0 m，縱向槽挖長度達L=0.8H+6.0 m。2)因洞口段埋深很薄，敷設環狀徑向錨桿作用不大，且鋼架距長管棚鋼管很近，可掏現長管棚，用鋼筋將鋼架與長管棚鋼管牢固焊接，掛網噴混凝土，使初支和長管棚構成組合受力結構，增強管棚整體承載能力。3)采取一榀一挖，緊跟型鋼、網噴混凝土，及時封閉，但必須注意型鋼支撐基底地層的承載力，其基底必須硬實，不得松軟、虛空，一般基底地層承載力大于0.25 MPa。4)應加強鎖腳錨桿的鎖定作用，設對應扣拉錨桿，確保拱墻腳處型鋼架處應力分散在周邊圍巖內，強化噴混凝土質量，確保噴混凝土與圍巖緊密咬合，初支與圍巖不得有空隙和空洞，否則作注漿處理。5)當頂部弧形導坑開挖達到0.8H+6.0 m長度后，停止上一臺階施工，對稱進行二臺階開挖，直達一臺階開挖面2.5 m～3.0 m，寬度為2.0 m～2.5 m，側導底達洞身最大寬度處同樣作擴大拱墻腳，加強錨腳錨桿并注意核心土邊坡的穩定。6)對稱開挖第三臺階，側壁導洞寬度為2.0 m，基底達仰拱底標高面，加強鎖腳錨桿錨鎖。7)平行清挖核心土，注意核心土縱向邊坡的穩定性以確保施工安全。8)進行仰拱基底清挖，及時施作仰拱初期支護3 m～6 m，形成初支閉合環。

5 頂弧側壁工法關鍵點的控制

1)開挖斷面輪廓必須嚴格控制，宜采用斷面儀精確放線。2)Ⅴ級圍巖下沉變形規律為σ=0.8%×B。3)盡量采用人工配合風鎬修挖，如必須使用爆破時，應采用短進尺，光面弱爆破。4)型鋼加工必須準確，安裝時連接板、連接螺絲必須緊實，密貼。系統錨桿，超前小導管施工工藝必須細致到位。5)網噴混凝土，應從下至上，垂直巖面噴射，小螺旋前進，分層噴護。6)必須確保初期支護，型鋼基腳的整體堅實。7)必須加強拱墻腳部位的鎖腳錨桿的錨固強度，確保鋼架支撐的穩定。8)加強拱頂下沉觀測和收斂量測反饋，調整預留沉落量，修訂支護參數。9)“及時封閉，盡早成環”，作為“頂弧側壁”工法施工的指導原則。

6 頂弧側壁工法優點

“頂弧側壁”工法是應用巖土力學理論，以維護圍巖本身的自承載能力為基點。采用必要的加固手段，在柔性變形的允許范圍內，變雙側壁施工法對圍巖進行被動維護為“頂弧側壁”工法對圍巖進行主動維護。采用順作法施工，確保了施工的可操作性，因而達到了目標的最大化。

1)頂弧開挖空間適宜，有利于開挖斷面控制;2)鋼架設置為順作法施工，節點連接可操作性強，連接堅固、密實，臨時支撐拆除變形小;3)開挖面縱向穩定、整體封閉、剛度、強度能夠保證;4)整體封閉成環時間短，成環時間僅為雙側壁法成環時間的1/4;5)弧形、側壁為順作法施工，變形規律性強，易于開挖控制掌控。總下沉比雙側壁小30%～40%;6)圍巖變化，施工方法和工序轉換便捷;7)施工快速:“頂弧側壁”工法的速度是雙側壁法的4倍。

7 頂弧側壁工法適用條件

在軟弱圍巖隧道Ⅴ級、Ⅴ級圍巖帶，采用大管棚、小導管和雙層小導管超前支護的雙線、三線以及四線隧道。原采用CD(中隔墻法)、CRD(交叉中隔墻法)、雙側壁導坑法，均適宜用“頂弧側壁工法”施工。但必須指出:初期支護的拱墻腳基礎必須干燥、硬實，不得松軟、虛空。否則必須進行注漿加固止水處理，使地基承載力大于0.25 MPa。并作擴大基礎，采用對扣錨桿，強化對初支的錨固作用。

在極淺埋隧道，洞頂有動荷載，特別是大型動荷載處要慎用，并采取特殊可靠措施后方能采用。

[1] 王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術通論[Z].2000.

[2] 詹 輝，王桂玲.大跨徑隧道淺埋段施工技術[J].山西建筑，2009，35(8):315-316.