大斷面隧道臺階法預留核心土環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，在對各種工法優選基礎上，應用預留核心土環形開挖，結合上、下臺階法的工藝，應用有效的監測手段，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度，確保了工期目標。對今后類似隧道的建設具有重要的參考意義。

關鍵詞：大斷面隧道，核心土，快速施工

1引言

近年來，我國交通建設快速發展，為了更好的實現我國交通運輸高速化、網絡化，目前建設重點逐步由平原區轉向山地丘陵區。在山區修建高等級公路，由于復雜多變的地質環境條件，如何因地制宜，在確保安全、質量的前提下加快隧道施工進度，在軌道交通建設中越來越受到重視[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，隧道地質從上至下依次為坡積粉質粘土、殘積粘性土、砂土狀強風化千枚狀粉砂巖、碎塊狀強風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，地層斜傾較嚴重，水文地質條件復雜。隧道部分地段為Ⅴ級圍巖，均處于碎塊狀強風化千枚狀泥巖之中，局部有破碎帶，原設計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，進度慢、建設成本高等情況，若Ⅴ級圍巖施工全部按設計采用中隔壁法施工無法滿足工期的要求，基于工程類比結合隧道實際情況，研究并應用一種能確保隧道工程安全與質量，并能加快施工進度滿足工期需要的科學合理的施工方案成為工程建設的重點。工程在建設過程中，基于對中隔壁法、上下臺階法、環形開挖預留核心土結合上下臺階等三種施工工藝的分析比選，并進行了現場試驗研究后，優選采用了環形開挖預留核心土結合上下臺階法。

2 施工工藝優選

2.1 穩定機理分析

在大跨不良地質條件下采用預留環形核心土開挖工藝，并合理設置臺階長度，對于改善隧道工作面的穩定性，方便各種施工機械的配置，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。其本質在于預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，更容易預防前方土體的松動，以確保穩定。

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個小斷面進行開挖，并且在開挖后立即進行了支護，增設了中隔壁等臨時支撐，減小了對圍巖的擾動。在安全性方面，它完全展現了此工法在處理V級等軟弱地層的優越性。施工期間，圍巖比較穩定，初支面無裂縫、坍塌等現象，施工安全。監測數據變化較為平穩，監測數據時程曲線見圖1。

圖1中隔壁法施工監測數據時程曲線

（2）上下臺階法

上下臺階法在開挖過程當中掌子面出現過小范圍的坍塌，主要為在掌子面開挖后應力釋放，臨空面增大后圍巖失穩造成，施工安全無保障。監測數據較中隔壁法明顯增大，但數據在可控范圍之內。監測數據時程曲線見圖2。

圖2臺階法施工監測數據時程曲線

（3）上下臺階預留核心土法

上下臺階預留核心土環形開挖施工的監測數據同臺階法施工時較類似，但核心土的設置有效的平衡了掌子面土壓力，削弱了應力釋放，縮小了臨空面的范圍，施工期間掌子面圍巖穩定，未出現坍塌等異常情況，施工安全較為穩靠。

2.3 方案優選

該隧道工程地質情況復雜，斷層帶發育明顯。若采用臺階法組織施工，雖然兼有工程造價相對低廉和施工進度快的優點，但在施工期間因掌子面出現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，施工進度緩慢等特點，無法滿足工期需求，因此該方案不可取。

在對臺階法進行改良后的預留核心土法很好的綜合了臺階法的優點，該工藝不僅造價相對低廉，且施工進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靠，整個施工期間未出現過異常情況。綜上所述，預留核心土法是優選方案

在施工過程中，我們對三種工法進行實時監控，監測布點如下：

圖3. 沉降監測點布置示意圖

通過沉降監測分析，可得得到：

（1）開挖后上斷面開挖支護后，圍巖水平方向的最大位移出現在拱腳上方，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范圍內的圍巖部門，其水平方向的位移明顯增加，達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，拱部應力已經釋放，變形趨于穩定有很大關系。

整個施工過程監測數據同上下臺階法相似，主要體現為上斷面開挖后，及時施作初支，拱部應力釋放量相對較少，有效控制了圍巖的變形。

2.4 安全分析與評價

施工當中，中隔壁法初支面上沒有發現裂縫等異常情況，掌子面圍巖穩定，施工安全；而上下臺階法在開挖過程當中掌子面出現過小范圍的坍塌，主要為在掌子面開挖后應力釋放，臨空面增大后圍巖失穩造成，但監測數據尚為可控，只是在施工安全方面無法保障；上下臺階預留核心土環形開挖施工的監測數據是合理的，且核心土的設置有效的平衡了掌子面土壓力，削弱了應力釋放，減小臨空面的范圍，在整個施工過程中未出現異常。

3結論

通過對各種工法的比較、隧道監測數據分析與信息化反饋，實現了信息化動態施工，滿足了工程的特定需要。通過該專項研究可以得出如下幾點認識：

（1）環形開挖預留核心土結合上下臺階法在復雜地質條件下的石林隧道施工中是可行。

（2）通過預留核心土，及時施作初支，改善隧道工作面的穩定性，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、質量可靠、經濟合理的前提下，該成果加快隧道了的施工進度，為全線控制工程按時完成，全線如期順利通車提供了保障。

參考文獻

[1]王夢恕，地下工程淺埋暗挖技術通論[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測與控制措施[J]，巖土工程學報，2003.

注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。