軟弱地層大斷面隧道施工方案優化與施工技術

李 紅 兵

(晉城市陵川縣交通運輸局，山西 陵川 048000)

軟弱地層大斷面隧道施工方案優化與施工技術

李 紅 兵

(晉城市陵川縣交通運輸局，山西 陵川 048000)

研究了軟弱地層大斷面隧道的基本力學特征，結合工程實例，探討了軟弱地層大斷面隧道施工方案的優化措施，并對CRD開挖方法與三臺階七步開挖方法作了對比分析，指出三臺階七步開挖法在進度等方面具有明顯的優勢，應用前景廣闊。

軟弱地層，大斷面隧道，開挖方法

1 概述

近年來隨著社會經濟的不斷發展，人們對交通的需求量越來越大，在我國，鐵路、公路的建設規模越來越大，為交通運輸事業的發展做出了重要的貢獻，促進了可持續發展戰略的有效實施。鐵路的建設環境一般都比較復雜，分布的區域比較廣，近年來大量涌現出大斷面的隧道，有些鐵路客運專線的面積甚至達到了150 m2～180 m2,隧道建設已經開始進入“大斷面化”時代。要想將大斷面隧道建設的合理、安全，并達到快速施工的目的，就必須對傳統施工方法和設計技術進行重新認識，與此同時，積極引用新的理念和新方法、新工藝對大斷面隧道中的相關設計與施工問題進行解決。隨著工程建設理論的不斷完善，施工技術也得到了不斷的發展，根據節約土地的相關需要，越來越多的隧道在軟弱地層中進行修建，尤其是大斷面隧道的建設，在施工流程、施工技術、施工工藝以及施工管理、施工控制等方面提出了更高的要求，但是目前的情況是，可以供參考的施工與設計非常少，相關的管理者的經驗也很少，所以，軟弱地層大斷面隧道施工技術研究具有至關重要的意義。

2 軟弱地層大斷面隧道的基本力學特征

因為軟弱地層的土層條件較差，大跨度隧道的開挖跨度比較大，隧道開挖過程中的受力相對復雜，因為大跨度隧道主要呈現一種拱形的結構，隧道開挖之后，周邊的應力得到了解除，一些巖體發生變形以后向隧道內移動，巖體的初始應力也發生了變化，在一定范圍內巖體開始重新分布。因為受到隧道開挖的影響，圍巖的三向受力狀態開始發生變化，幾乎接近于二向的受力狀態，加上受到圍巖移動與變形的影響，各種軟弱結構因為受到不同程度的影響發生破壞松弛。尤其是因為受到裂縫、節理等影響得到進一步的發展，開挖之后的巖體與開挖之前比更低一些，圍巖更容易發生塑性屈服，進而出現更大的變形。尤其是在淺埋隧道中拱形效應得不到有效的發揮，這時候會產生非常大的松弛應力，這對變形控制和圍巖穩定是非常不利的。軟弱大斷面隧道的基本力學特征應該從以下幾個方面說起：

1)因為大斷面隧道的跨度增加，主要呈現“扁平”的拱形結構，因為這種結構近似于橢圓形，受到的承載力比較小，所以隧道開挖時會引起一系列的圍巖應力，這些圍巖應力在分布過程中是非常不利的，拱腳處的圍巖應力相對較大，難以對隧道變形進行控制，對地基的承載能力提出相對較大的要求。

2)拱頂部位會相應的產生比較大的松弛圍巖壓力，這就導致了圍巖穩定性的不斷降低。因為隧道開挖的寬度和高度越來越大，對隧道底部的埋深提出一定的要求，如果在埋深較小、地層條件差、圍巖成拱的作用得不到有效發揮時，圍巖開始不斷的松散下落，這樣就會產生相對較大的松弛圍巖壓力。所以，軟弱地層大斷面隧道拱頂部位會產生較大的松弛圍巖壓力。

3 軟弱地層大斷面隧道施工方案優化

3.1 工程概況

某工程的隧道埋深為20 m，最大埋深為50 m，工程的地質條件較差，埋深較淺。該隧道上被全新的殘積粉質粘土覆蓋，基巖主要為炭質頁巖、砂巖、灰巖等，該區域中的巖層性質相對復雜，為泥質灰巖或偶夾灰巖。隧道穿越的巖層主要為軟質巖，大部分為強風化層，巖體的穩定性和強度都比較差。該工程的地下水具有弱酸型酸性，開挖過程中遇到的地下水相對較少，地表水的來源主要為大氣降水。隧道設計中的圍巖條件較差，開挖高度為13.5 m，跨度為16 m，開挖的斷面比較大。隧道設計中一般會采用小導管超前支護，具體的設計斷面如圖1所示。

3.2 施工方案

該隧道采用CRD法開挖，依據已有的實例以及施工現場的具體情況，按照相關比選原則對施工方案進行選擇，在選擇過程中對工期要求以及開挖成本進行充分的考慮，并提出三臺階七步開挖法施工方案。

3.2.1 CRD開挖方法

就施工工序來說，CRD法開挖將工程的斷面氛圍上部、中部和下部等共6個部分開挖，與CRD法的施工工藝相結合，某工程的開挖工序為：1)施作1部，單循環0.5 m開挖，噴射厚混凝土4 cm，混凝土噴至28 cm。2)開挖長度累計3 m～5 m，然后開挖2部，單循環開挖0.5 m，噴射厚混凝土4 cm，將混凝土噴至28 cm。3)2部的累計開挖長度為3 m～5 m，然后開挖3部，單循環開挖0.5 cm，噴射厚混凝土4 cm，再將混凝土噴至28 cm。4)3部的累計長度為3 m～5 m，然后開挖4部，單循環開挖0.5 m，噴射4 cm的厚混凝土，再將混凝土噴至28 cm。5)4部的累計長度為3 cm～5 cm，然后開挖5部，單循環開挖0.5 m，噴射厚混凝土4 cm，再將混凝土噴至28 cm。6)5部的累計長度為3 cm～5 cm，然后開挖6部，單循環開挖0.5 m，噴射厚混凝土4 cm，再將混凝土噴至28 cm。7)當6部開挖到了一定長度以后，將臨時搭建的鋼架拆除(將混凝土噴至28 cm時用到)，將Ⅶ部仰拱回填。8)通過對隧道襯砌模板臺車進行利用，對隧道二次襯砌結構進行一次性澆筑。

3.2.2 三臺階七步開挖方法

這種開挖法主要是指在施工過程中通過七個開挖面開挖，從不同的位置同時開挖，分部進行支護，從而形成一個支護整體，使作業時間得到縮短的一種作業方法。在初期將平行當作初期支護，在下臺階形成一種封閉的、穩定的支護體系。三臺階七步法開挖主要將斷面從上到下共分為四個部分，通過錯臺臺階進行開挖。在一般情況下，上部會比中部超前幾厘米，依此類推，中部會比下部超前幾厘米，下部會比底部超前幾厘米，再進行逐級開挖。為了使作業變得更加方便，一般會將上臺階開挖高度控制在4 cm～5 cm，將中臺階的開挖高度控制在3 cm～4 cm，將下臺階的高度控制在3 cm～4 cm。開挖的時候要將開挖的輪廓線之內預留出大概30 cm的厚度，采用鐵鎬進行開挖。

三臺階七步開挖法施工工藝圖如圖2所示。

4 施工方案比選

根據上面的介紹，兩種方法從施工進度、質量及安全等方面進行了比選。CRD法的主要特點是對變形進行控制，可以將大斷面改為小斷面，在質量、進度以及安全中的缺點比較多，尤其表現在施工進度方面三臺階七步開挖法比CRD法的進度快了大概兩倍。所以，在保證安全、工期以及質量的前提下將三臺階七步開挖法作為CRD法的主要比選方案。

5 結語

隨著鐵路、公路的建設規模越來越大，隧道的長度和開挖跨度都在不斷增長之中，現在大量涌現出大斷面的鐵路隧道，要想將大斷面鐵路隧道建設的合理、安全，并達到快速施工的目的，就必須對傳統施工方法和設計技術進行重新認識，與此同時，積極引用新的理念和新方法、新工藝對大斷面鐵路隧道中的相關設計與施工問題進行解決。本文通過兩種方案的初級比選，得出的結論是兩種方法在具體應用中各有優點與缺點，其中三臺階七步開挖法在進度等方面具有明顯的優勢，而且應用的范圍非常廣泛。

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Construction scheme optimization and construction technology of large-section tunnel with soft stratum

LI Hong-bing

(JinchengLingchuanBureauofTrafficTransportation,Lingchuan048000,China)

The paper studies basic mechanical characteristics of large-section tunnel with soft stratum, explores construction scheme optimizing measures of large-section tunnel with soft stratum by integrating with engineering examples, and compares and analyzes CRD excavation method with three steps seven footwork excavation method, and finally points out advantages of three steps seven footwork excavation method, which has wide application prospect.

soft stratum, large-section tunnel, excavation method

1009-6825(2014)28-0197-03

2014-07-31

李紅兵(1969- )，男，工程師

U455

A