大斷面大變形軟巖隧道開挖新方法探索

◎ 中鐵隧道集團四處有限公司 韓靜玉

引言

據有關部門對軟巖隧道施工進行的不完全統計，從2006年到2010年的4年時間內，軟弱圍巖隧道發生事故共28起，對統計數據進行分析，軟弱圍巖隧道事故主要表現在三個方面：一是洞口坍方占20%；二是掌子面變形坍方占33%；三是掌子面后方坍方“關門”占47%。究其原因，主要有兩個方面，一是客觀上地質和環境的復雜性，二是主觀上技術措施、施工方法及工藝、現場管理等原因。說明軟巖隧道施工控制變形坍方對各施工單位都是需要解決的難題。

1 目前采用的施工方法及導致初期支護下沉的原因分析

在施工過程中由于初期支護下沉過大給隧道施工帶來極大麻煩，部分軟弱地質隧道因初期下沉，花費了大量財力和物力換拱，有的甚至發生了安全事故，一般情況下，當變形量達150～250 mm時，拱部噴混凝土開始出現微裂紋;當變形量達250～350 mm時,拱部噴混凝土開始出現龜裂，當變形量達350～450 mm時,拱部噴混凝土開始出現局部掉快;當變形量達450～600 mm時，工字鋼架開始扭曲變形,繼續發展將發生坍方，找出導致下沉的原因，尋求更好的解決方法，對軟弱圍巖隧道施工是非常有意義的。

1.1 地質原因

顯著變質的巖類有片巖、強風化千枚巖、膨脹性凝灰巖、軟質粘土層、強風化的凝灰巖、凝灰巖和泥巖分互層、泥巖破碎帶和礦化變質粘土等是導致隧道變形的主要因素，若單純靠改變地質的方法來控制下沉其成本較高，如水平旋噴樁預加固措施，全隧全環施作長管棚或全隧全斷面超前注漿，這是成本和工期都不允許的。

1.2 由施工方法方面引起的原因分析

通過對施工過程中導致下沉過大的各種因素分析，探索軟弱地質條件下減小下沉的新施工方法，是本文要探索的主題。在軟弱圍巖地質條件下大斷面隧道施工時，國內目前主要采用的開挖及支護方法主要三臺階六部法、CRD法和雙側壁導坑法，根據不同的圍巖選用不同的方法，每種方法對地質有一定的適宜性。

（a）三臺階六部法工序圖（如圖1）

三臺階法施工步序：①—上臺階開挖支護（開挖長度7～10m）；②—左中臺階開挖支護（開挖長度4～7m）；③—右中臺階開挖支護（開挖長度4～7m）；④—左下臺階開挖支護（開挖長度10～15m）；⑤—右下臺階開挖支護（開挖長度10～15m）；⑥仰拱開挖支護。從上述施工步序看仰拱開挖支護是最后的工序。然而該工序卻是保證隧道基礎穩固的關鍵工序。在上臺階開挖過程中，為了穩定掌子面需留核心土，拱腳兩側通常是用挖機開挖的，難以控制高程，經常出現超挖現象，導致拱腳立在虛碴上，即使墊上小塊木板或鋼板也難保證拱腳牢固。由于上臺階中部留核心土兩側空間太小，上斷面拱腳處的鎖腳錨管（錨桿）無法按設計施作到位，在地應力作用下導致上臺階拱架下沉。地下水豐富的隧道，多臺階施工時因排水不暢上臺階拱腳也是經常被水浸泡的部位，加速了拱架下沉。中下臺階開挖更是將一個基本穩定的上臺階拱腳再次松動，同樣存在拱腳超挖問題，進一步加速了上臺階拱架下沉速度，中下部初期支護大約需要30天左右才能封閉成環，這期間的下沉量非常大，導致很多隧道變形換拱甚至塌方。

圖1 三臺階法施工

（b）CRD法施工工序圖（如圖2）

CRD法施工步序：①部開挖支護。超前預支護，風鎬開挖，每循環進尺0.5～0.6m，開挖后及時封密成環，臨時仰拱間隔2～3m預留空洞，以便翻碴至②部，臺階長度3m左右。②部開挖支護。超前預支護，利用PC120小挖機開挖，風鎬配合修邊，每循環開挖進尺0.5～0.6m，開挖后及時封閉成環，裝載機出碴。③④部開挖支護，施工方法同①②部，③部落后②部5～10m，④部落后③部3 m左右。⑤⑥部開挖支護，施工方法同③④部。①②③④部開挖至比較好的圍巖后，掌子面合并為三臺階施工，PC120小挖機及裝載機配合開挖⑤部，⑥部作為運輸通道，開挖⑥部時，⑤部作為運輸通道。當第①步開挖后，鋼拱架底部架設在土上或木板（鋼板）上，由于鋼拱架底部沒有一個穩固的基礎，在上部荷載的作用下，拱架在不斷的下沉，只有在全斷面的所有工作面全部完成后，即鋼拱架全斷面封閉成環后，下沉才基本停止。在沒有封閉成環的時間里，每個工段的鋼拱架每天都在下沉。而更重要的是當第①步施工完成后，在進行第②步施工時，是把第①步施工的鋼拱架底部的基礎挖空，然后安裝第2步的鋼拱架。這就使第①步的鋼拱架處于懸空狀態，也就使第步①的鋼拱架產生了新一輪的更嚴重的下沉。

圖2 CRD工法斷面布置

（c）雙側壁導坑法施工工序圖（如圖3）

雙側壁導法施工步序：①部開挖支護，超前預支護，風鎬開挖，每循環進尺0.5～0.6m，開挖后及時封密成環，臨時仰拱間隔2～3m預留空洞，人工翻碴至②部，臺階長度3m左右。②部開挖支護，超前預支護，利用PC120小挖機開挖，風鎬配合修邊，循環開挖進尺與①部同步，開挖后及時封閉成環，裝載機出碴。③④部開挖支護，施工方法同①②部，③部落后②部5～10m，④部落后③部3 m左右。⑤部開挖支護。落后④30m左右，PC120小挖機開挖并翻碴至⑦部，風鎬配合修邊，每循環進尺0.5～0.6m，架設左側拱部初支拱架及臨時中立柱。⑥部開挖支護。落后⑤1m左右，PC120小挖機開挖并翻碴至⑦部，風鎬配合修邊，每循環控制進尺與⑤部同步，架設右側拱部初支拱架及拆除臨時中立柱。⑦部開挖支護。落后⑥3m左右，PC120小挖機開挖并翻碴至⑧部，循環控制進尺與⑤⑥部同步，落后3～5m架設臨時橫撐，以便為PC120小挖機預留操作空間。⑧部開挖支護。落后⑦3m左右，PC120小挖機開挖，裝載機出碴，每循環控制進尺與⑦部同步，初支仰拱及時合環。該工法造成初期支護下沉的原因與CRD工法的類似。

圖3 雙側壁導坑法

2 新開挖方法—長錨桿（錨索）超前支護加下部群洞開挖法

2.1 長錨桿（錨索）超前支護

預應力錨索（錨桿）能提供較高的支護抗力、長系統注漿錨管加固圍巖縮小松動圈，起到主動支護，控制圍巖變形，確保施工安全的作用，是大變形軟巖隧道施工的核心工序，同時能探明前方地質狀況，起到超前地質預報的作用，解決好長錨桿（錨索）施工效率和效果，就可以組織快速的分部循環作業，快速封閉支護結構，提高工效，是解決大變形隧道施工的關鍵，國內外軟弱圍巖典型擠壓性變形隧道(奧地利陶恩隧道、阿爾貝格隧道、日本惠那山隧道及我國家竹箐隧道等)的成功治理經驗證明，長錨桿是主動控制軟弱圍巖大變形的主要手段。應按照“錨桿打入圍巖松動圈外穩定巖層中不小于2 m”的原則確定錨桿長度，以使其形成較厚的圍巖加固圈，從而控制圍巖松弛變形范圍，減少變形量及作用于被動控制變形的支護襯砌結構上的荷載，節省工程投資。

圖4 群洞工序圖

2.2 群洞法施工步序

通過對上述三種軟巖常用工法導致初期支護下沉的原因分析研究，提出一種新的施工方法，即長錨桿（錨索）超前支護加下部群洞開挖法，下部群洞開挖法其基本原理也是將大斷面劃分為小斷面，減小開挖跨度，先穩固下部再開挖上部的施工方法。采用臨時支護的方法首先在隧道下部開挖幾個導洞，同時在導洞內做好初期支護的仰拱部分，為上部拱架打下一個穩固的基礎，以減少拱架下沉量，如圖4。

2.3 群洞法施工步序

①先施工中導洞；②再施工兩側導洞；③以兩側導洞為基礎，沿上部輪廓開挖并安裝上部鋼拱架；④以群洞初期支護為基礎，挖除上部芯土；⑤拆除群洞臨時支護施工。

2.4 控制初期支護下沉的措施

群洞臨時支護采用強度較高的工字鋼，間距與正洞初期支護的鋼拱架相對應，并與初期支護的鋼拱架用螺栓連接，便于拆卸。拱架上按設計間距焊接套管，2榀臨時拱架之間聯接筋采用套管聯接，聯接筋背后安裝木板，用于擋土。臨時支護采用跳噴混凝土，即每隔5榀噴1榀，便于拆裝，以便下一區段重復利用。下面對下部群洞開挖法各方面的情況進行分析。

臨時導洞穩定性分析。①中洞開挖一般控制在某種程度5m×5m左右。在原狀土里開挖一個截面為500cm×500cm、上下都為弧形的導洞，且以I20工字鋼及擋土木板作為支護。②中洞形成了，兩側的導洞也便于形成。③臨時支架安全分析。I20工字鋼截面積39.5cm2，屈服強度2800kg／cm2，承載力p＝39.5×2800＝110600kg≈100 t，大型挖掘機自重20t，按由4根立柱承擔，每根立柱5 t，安全系數k＝100÷5＝20。計算結果說明，即使采用大型挖掘機在臨時支護上操作，也安全可靠，且有很大的安全儲備。土壓力對拱架產生的內力難以準確計算，但根據以往的施工經驗，導洞按正洞間距架設拱架并跳噴砼，通過定性分析和經驗應該是安全的。④上部環形開挖留核心土的可行性分析。上部環形開挖留核心土的方法同常規微臺階施工方法，應該更安全。⑤初期支護拱架安全性分析。由于影響初期支護拱架安全的因素很多，難以定量分析，影響因素有土的物理力學性質、含水量大小、回填土的厚度、施工時間長短、下沉量大小、拱架拼裝質量等，定性分析屬于安全。

理由是：a)全拱與半拱軸力相等。把初期支護上半部分的鋼拱架進行力學分析可以知道，把上半部分鋼拱架一次性施工安裝與CRD法的分Ⅰ、Ⅲ部2次安裝（即先安裝一半）進行比較，全拱與半拱軸力是相等的，而且全拱內力以軸力為主，彎矩很小，改善了受力條件。而先安裝Ⅰ部半拱拱架，Ⅰ部拱架易產生大的彎矩。b)由于是自下而上的施工，有利于保證鋼拱架的拼裝質量，鋼拱架安裝質量提高了，承載能力也提高了。c)圍巖保護好，自穩能力提高，減小了鋼拱架的荷載。d）在下部導洞形成后，最有效的排除了上部土壤中的水分，改善了土的物理力學性質，也即減小了上部初期支護拱架的荷載。

3 結論

在軟弱地質條件下大斷面隧道施工時，長錨桿（錨索）超前支護將可有效改良隧道前方地質重要條件，下部群洞將大斷面變成多個斷面洞室，從下往上施工，可有效控制初期支護下沉和收斂問題。而且施工比三臺階法、CRD法和雙側壁導洞法安全、速度快、質量好，二次襯砌及時跟近，初期支護變形時間較短，可實現基本不變形，減小預留沉降量設置，節約回填砼方量，可明顯降低工程造價。因此，在軟弱地質條件下大斷面、超大斷面隧道施工時，長錨索（錨桿）超前支護加下部群洞法應是未來隧道施工首選工法。