大斷面隧道臺階法預(yù)留核心土環(huán)形開挖快速施工研究

李國元

摘要：基于永寧高速公路某大跨公路隧道的特殊地質(zhì)條件與工期緊張的特殊情況，為了確保隧道安全與滿足工期需要，在對各種工法優(yōu)選基礎(chǔ)上，應(yīng)用預(yù)留核心土環(huán)形開挖，結(jié)合上、下臺階法的工藝，應(yīng)用有效的監(jiān)測手段，采用信息化施工，在確保工程安全的前提下，大大加快了該隧道施工進(jìn)度，確保了工期目標(biāo)。對今后類似隧道的建設(shè)具有重要的參考意義。

關(guān)鍵詞：大斷面隧道，核心土，快速施工

1引言

近年來，我國交通建設(shè)快速發(fā)展，為了更好的實(shí)現(xiàn)我國交通運(yùn)輸高速化、網(wǎng)絡(luò)化，目前建設(shè)重點(diǎn)逐步由平原區(qū)轉(zhuǎn)向山地丘陵區(qū)。在山區(qū)修建高等級公路，由于復(fù)雜多變的地質(zhì)環(huán)境條件，如何因地制宜，在確保安全、質(zhì)量的前提下加快隧道施工進(jìn)度，在軌道交通建設(shè)中越來越受到重視[1-2]。

永寧（永安至寧化）高速公路是國家高速公路網(wǎng)泉州至南寧橫線的組成部分。石林隧道為分離式隧道，長約2860m，隧道地質(zhì)從上至下依次為坡積粉質(zhì)粘土、殘積粘性土、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化千枚狀粉砂巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化千枚狀泥巖等軟弱地層。且本文研究地段隧道覆蓋層厚度較小，地層斜傾較嚴(yán)重，水文地質(zhì)條件復(fù)雜。隧道部分地段為Ⅴ級圍巖，均處于碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化千枚狀泥巖之中，局部有破碎帶，原設(shè)計(jì)方案采用中隔壁法施工，考慮到該工程工期特別緊張，且中隔壁法具有施工工序繁瑣，進(jìn)度慢、建設(shè)成本高等情況，若Ⅴ級圍巖施工全部按設(shè)計(jì)采用中隔壁法施工無法滿足工期的要求，基于工程類比結(jié)合隧道實(shí)際情況，研究并應(yīng)用一種能確保隧道工程安全與質(zhì)量，并能加快施工進(jìn)度滿足工期需要的科學(xué)合理的施工方案成為工程建設(shè)的重點(diǎn)。工程在建設(shè)過程中，基于對中隔壁法、上下臺階法、環(huán)形開挖預(yù)留核心土結(jié)合上下臺階等三種施工工藝的分析比選，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)研究后，優(yōu)選采用了環(huán)形開挖預(yù)留核心土結(jié)合上下臺階法。

2 施工工藝優(yōu)選

2.1 穩(wěn)定機(jī)理分析

在大跨不良地質(zhì)條件下采用預(yù)留環(huán)形核心土開挖工藝，并合理設(shè)置臺階長度，對于改善隧道工作面的穩(wěn)定性，方便各種施工機(jī)械的配置，施工期間各工序之間干擾較小，工作面多，可加快施工速度并控制圍巖的沉降有顯著效果。其本質(zhì)在于預(yù)留核心土對前方的掌子面的土體起到了支撐三向受力作用，更容易預(yù)防前方土體的松動，以確保穩(wěn)定。

2.2 安全性比較

（1）中隔壁法

由于中隔壁法將大斷面分成6個小斷面進(jìn)行開挖，并且在開挖后立即進(jìn)行了支護(hù)，增設(shè)了中隔壁等臨時(shí)支撐，減小了對圍巖的擾動。在安全性方面，它完全展現(xiàn)了此工法在處理V級等軟弱地層的優(yōu)越性。施工期間，圍巖比較穩(wěn)定，初支面無裂縫、坍塌等現(xiàn)象，施工安全。監(jiān)測數(shù)據(jù)變化較為平穩(wěn)，監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)程曲線見圖1。

圖1中隔壁法施工監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)程曲線

（2）上下臺階法

上下臺階法在開挖過程當(dāng)中掌子面出現(xiàn)過小范圍的坍塌，主要為在掌子面開挖后應(yīng)力釋放，臨空面增大后圍巖失穩(wěn)造成，施工安全無保障。監(jiān)測數(shù)據(jù)較中隔壁法明顯增大，但數(shù)據(jù)在可控范圍之內(nèi)。監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)程曲線見圖2。

圖2臺階法施工監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)程曲線

（3）上下臺階預(yù)留核心土法

上下臺階預(yù)留核心土環(huán)形開挖施工的監(jiān)測數(shù)據(jù)同臺階法施工時(shí)較類似，但核心土的設(shè)置有效的平衡了掌子面土壓力，削弱了應(yīng)力釋放，縮小了臨空面的范圍，施工期間掌子面圍巖穩(wěn)定，未出現(xiàn)坍塌等異常情況，施工安全較為穩(wěn)靠。

2.3 方案優(yōu)選

該隧道工程地質(zhì)情況復(fù)雜，斷層帶發(fā)育明顯。若采用臺階法組織施工，雖然兼有工程造價(jià)相對低廉和施工進(jìn)度快的優(yōu)點(diǎn)，但在施工期間因掌子面出現(xiàn)過不同程度的坍塌情況，施工安全性無法得到保障，因此缺陷可能造成工程造價(jià)與工期的不可確定性。因此該方案不可行。

方案比選中中隔壁法安全性能雖然最好，但該方案的工程造價(jià)同比其它兩種工法大大增加，而且該工法存在施工工序繁瑣，工序之間干擾較多，施工進(jìn)度緩慢等特點(diǎn)，無法滿足工期需求，因此該方案不可取。

在對臺階法進(jìn)行改良后的預(yù)留核心土法很好的綜合了臺階法的優(yōu)點(diǎn)，該工藝不僅造價(jià)相對低廉，且施工進(jìn)度較中隔壁法成倍提高，能滿足隧道工程工期的需要。而且在施工安全方面較穩(wěn)靠，整個施工期間未出現(xiàn)過異常情況。綜上所述，預(yù)留核心土法是優(yōu)選方案

在施工過程中，我們對三種工法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，監(jiān)測布點(diǎn)如下：

圖3. 沉降監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖

通過沉降監(jiān)測分析，可得得到：

（1）開挖后上斷面開挖支護(hù)后，圍巖水平方向的最大位移出現(xiàn)在拱腳上方，最大值約5.5mm，垂直方向的位移在拱頂在底邊比較明顯，拱頂沉降最大值約13mm，底部向上隆起約5mm。

（2）下斷面開挖支護(hù)后，上斷面圍巖在水平方向的位移基本無多大變化，下斷面在距洞壁3m范圍內(nèi)的圍巖部門，其水平方向的位移明顯增加，達(dá)4mm；拱頂沉降較少。下斷面的開挖對拱頂位移影響不大的原因與上斷面開挖后，拱部應(yīng)力已經(jīng)釋放，變形趨于穩(wěn)定有很大關(guān)系。

整個施工過程監(jiān)測數(shù)據(jù)同上下臺階法相似，主要體現(xiàn)為上斷面開挖后，及時(shí)施作初支，拱部應(yīng)力釋放量相對較少，有效控制了圍巖的變形。

2.4 安全分析與評價(jià)

施工當(dāng)中，中隔壁法初支面上沒有發(fā)現(xiàn)裂縫等異常情況，掌子面圍巖穩(wěn)定，施工安全；而上下臺階法在開挖過程當(dāng)中掌子面出現(xiàn)過小范圍的坍塌，主要為在掌子面開挖后應(yīng)力釋放，臨空面增大后圍巖失穩(wěn)造成，但監(jiān)測數(shù)據(jù)尚為可控，只是在施工安全方面無法保障；上下臺階預(yù)留核心土環(huán)形開挖施工的監(jiān)測數(shù)據(jù)是合理的，且核心土的設(shè)置有效的平衡了掌子面土壓力，削弱了應(yīng)力釋放，減小臨空面的范圍，在整個施工過程中未出現(xiàn)異常。

3結(jié)論

通過對各種工法的比較、隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與信息化反饋，實(shí)現(xiàn)了信息化動態(tài)施工，滿足了工程的特定需要。通過該專項(xiàng)研究可以得出如下幾點(diǎn)認(rèn)識：

（1）環(huán)形開挖預(yù)留核心土結(jié)合上下臺階法在復(fù)雜地質(zhì)條件下的石林隧道施工中是可行。

（2）通過預(yù)留核心土，及時(shí)施作初支，改善隧道工作面的穩(wěn)定性，有效控制了圍巖的變形，確保了工程安全施工。

（3）采取該工藝，安全性方面有保障，在確保工程安全、質(zhì)量可靠、經(jīng)濟(jì)合理的前提下，該成果加快隧道了的施工進(jìn)度，為全線控制工程按時(shí)完成，全線如期順利通車提供了保障。

參考文獻(xiàn)

[1]王夢恕，地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論[M]，安徽教育出版社2005

[2]劉招偉，淺埋大跨隧道施工中變形的監(jiān)測與控制措施[J]，巖土工程學(xué)報(bào)，2003.

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請以PDF形式查看。