三臺(tái)階法在城市超大斷面軟弱圍巖隧道中的運(yùn)用

■陳仙華

（中鐵十七局第六工程有限公司，福州 350014）

1 工程概況

廈門市成功大道一期工程由3750m 的梧村山隧道、2980m 的萬石山隧道和鐘鼓山立交隧道組成，主線隧道為雙向六車道，行車限界13.5m×5m，梧村山隧道由北向南依次由明挖框架、雙聯(lián)拱、小凈距、分離式隧道組成，為避免拆遷，縱斷面調(diào)整為類似海底隧道的凹曲線型，其中出口段近400m 為淺埋，洞頂埋深在6m～40m，屬分離式隧道，開挖跨度16.2m，高度11m，在距出口275m 處（K9+910～860 段）覆蓋層僅6～10m，洞身圍巖均為砂性土，并伴有裂隙水，地表分布有大型球狀孤石。萬石山隧道圍巖變化多端，不間斷分布有軟弱帶及破碎帶,隧道埋深在20m～100m 之間。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地質(zhì)構(gòu)造及地層巖性

隧址區(qū)地層結(jié)構(gòu)較簡單，覆蓋層較簿，據(jù)地面調(diào)查及鉆探揭露，除表層部分地段分布有少量種植土及第四系殘坡積層外，主要由燕山晚期花崗巖(γ53(1))b)的不同風(fēng)化層構(gòu)成。外圍主要受三條斷裂帶控制，受其影響，區(qū)內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為以斷塊差異升降運(yùn)動(dòng)為主，斷裂、裂隙走向主要呈NNE 向、高角度產(chǎn)出，并伴隨較多的閃長巖脈侵入，晚更新世以來運(yùn)動(dòng)逐漸減弱，形成了本區(qū)以剝蝕作用為主的地質(zhì)環(huán)境。受后期弱構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用，本場區(qū)沿北東向斷裂帶侵入一系列寬厚大小不等的輝綠巖、閃長玢巖等中性、中酸性巖脈。

2.2 水文地質(zhì)條件

隧址區(qū)內(nèi)地下水主要賦存和運(yùn)移于強(qiáng)風(fēng)化帶及構(gòu)造破碎帶的裂隙中。地下水類型為潛水，主要接受大氣降水的下滲及相鄰含水層的側(cè)向滲透補(bǔ)給，受地形、地貌影響變化較大，勘察期間測得各鉆孔混合地下水位埋深（3.1～8.75）m，水位標(biāo)高（28.09～51.75）m，根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，預(yù)計(jì)地下水位年變化幅度約（5～8）m。由于隧道洞身主要受力區(qū)位于微、弱風(fēng)化花崗巖中，故洞內(nèi)地下水主要來自與隧道相交的構(gòu)造裂隙破碎帶，受構(gòu)造控制明顯。本隧道以壓扭性斷層為主，構(gòu)造裂隙多呈閉合狀，間隙小，透水、儲(chǔ)水性能較差，因此地下水量總體不大，但也不排除局部斷裂帶較寬、富水性相對較好的可能性。根據(jù)地區(qū)工作經(jīng)驗(yàn)，洞內(nèi)弱風(fēng)化花崗巖一般呈淋濕狀態(tài)，有滲透水、滴水現(xiàn)象，斷裂帶偶有成股水流涌出，局部水量較大。

2.3 不良地質(zhì)

梧村山隧道出口段近400m 為Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖，覆蓋層僅6m～40m，其中K9+910～850 段覆蓋層僅6m～10m，屬超淺埋隧道，洞身圍巖為砂性土，并不同程度發(fā)育有球狀孤石，同時(shí)洞頂距中線40m 還有一幢5 層磚混辦公樓。萬石山隧道間斷性分布有斷層破碎帶。

3 隧道內(nèi)輪廓斷面確定

本隧道以建筑限界為基礎(chǔ),充分考慮襯砌結(jié)構(gòu)的受力特性、工程造價(jià)、裝飾厚度及富余空間、運(yùn)營設(shè)施的安裝空間等因素，采用受力條件好、斷面利用率高的三心圓斷面，拱部半徑7.55m，曲墻半徑為5.55m,凈空面積為88.04m2。隧道單洞凈寬13.92m，其中行車道寬度為3.75m×2＋3m，路緣帶寬度0.5m×2，檢修道寬度0.75m，凈高7.77m，限高5m。詳見圖1。

圖1 隧道凈空斷面

4 襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

梧村山隧道為三車道隧道（圖2），最大開挖寬度16.2m，最大開挖高度為11.02m（含仰拱），最大開挖斷面積為144.25m2，由于該隧道出口段有近400m 的超淺埋段，地質(zhì)條件相對比較復(fù)雜，根據(jù)隧道所處的地質(zhì)條件，按照新奧法原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用復(fù)合式襯砌，其支護(hù)參數(shù)按照工程類比，并結(jié)合有限元數(shù)值分析確定。

圖2 三車道隧道II 類圍巖段襯砌斷面圖

隧道初期支護(hù)以噴射砼、錨桿、鋼筋網(wǎng)為主要支護(hù)手段，二次襯砌采用C25 素混凝土或C25 鋼筋混凝土。洞口加強(qiáng)段、斷層破碎帶、局部軟弱帶采用Φ42 小導(dǎo)管預(yù)注漿作為超前預(yù)支護(hù)措施。隧道各類圍巖支護(hù)襯砌參數(shù)詳見表1。

表1 隧道襯砌支護(hù)參數(shù)表

5 隧道開挖方案選擇

大跨度軟弱圍巖隧道的施工方法，主要有臺(tái)階法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、中隔墻法等。但在工程實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和中隔墻法存在以下缺點(diǎn)：一是限制了大型施工機(jī)械的使用，降低了工效；二是在軟硬圍巖相間的隧道施工中，施工方法的調(diào)整時(shí)間很長；三是臨時(shí)施工支護(hù)多，投入大，不經(jīng)濟(jì)；四是施工中相互干擾大。鑒于上述情況，結(jié)合本工程的實(shí)際地質(zhì)，梧村山隧道出口400m 的淺埋軟弱圍巖段采用三臺(tái)階七步平行流水法進(jìn)行施工。

5.1 工藝原理

采用三層短臺(tái)階，分步平行開挖，分步平行施作拱墻初期支護(hù)，混凝土仰拱超前施作及時(shí)封閉，構(gòu)成穩(wěn)固的初期支護(hù)體系，保護(hù)圍巖的天然承載力，有效抑制圍巖變位，經(jīng)量測監(jiān)控信息化反饋指導(dǎo)施工，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)和混凝土襯砌施作時(shí)間。

在斷層帶、破碎帶等自穩(wěn)性較差的地層和富水地層中，采取大管棚、小導(dǎo)管預(yù)注漿固結(jié)、止水等輔助施工措施后，上部弧形導(dǎo)坑法短臺(tái)階開挖施作拱部初期支護(hù)，再左右錯(cuò)開開挖及施作邊墻初期支護(hù)；混凝土仰拱緊跟下臺(tái)階并及時(shí)施作盡早閉合形成支護(hù)體系受力。

5.2 技術(shù)特點(diǎn)

(1)施工空間大，可以引進(jìn)大型施工機(jī)械多作業(yè)面平行施工，工效高；部分軟巖地段可以采用挖掘機(jī)直接開挖下半斷面，減少圍巖擾動(dòng)。

(2)在地質(zhì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變、軟硬巖相間的隧道施工中，便于靈活地調(diào)整施工方法，進(jìn)度穩(wěn)定，工期保障性強(qiáng)。

(3)能適應(yīng)不同跨度和多種斷面型式，沒有需拆除的臨時(shí)支護(hù)，節(jié)省投資。

(4)爆破施工可以分成多個(gè)作業(yè)面進(jìn)行，將集中爆破化為分散爆破，既減少對圍巖的擾動(dòng)，又充分利用了時(shí)間空間，還增加了爆破臨空面，降低了炸藥消耗。

(5)混凝土仰拱超前施作，便于初期支護(hù)及早封閉成環(huán)承載，且改變了洞內(nèi)作業(yè)、運(yùn)輸環(huán)境。

(6)無需投入特殊設(shè)備，投入少，操作性強(qiáng)，易推廣。

6 施工工藝

6.1 開挖

對隧道周邊圍巖預(yù)加固后進(jìn)行分部平行開挖。

Ⅴ級(jí)圍巖和斷層破碎帶采用三臺(tái)階分步平行開挖法，施工順序見圖3。上臺(tái)階采用風(fēng)鎬開挖，預(yù)留核心土，臺(tái)階高度控制在2.5m 以內(nèi)，便于拱部拱架安裝，中臺(tái)階和下臺(tái)階及仰拱采用挖掘機(jī)開挖、裝碴，每循環(huán)進(jìn)尺一般控制在0.5m～1.2m 之間為宜，臺(tái)階高度以3m為宜，上臺(tái)階和中臺(tái)階距離控制在5m，中臺(tái)階和下臺(tái)階距離控制在10m。

Ⅳ級(jí)圍巖采用兩臺(tái)階法平行開挖，遵循“弱爆破、短開挖”的原則，采用光面爆破和預(yù)裂光爆層微振動(dòng)控制爆破技術(shù)開挖上半斷面，以減少對圍巖的擾動(dòng)。炮眼深度一般控制在1.5m～2.0m 之間。

6.2 初期支護(hù)施工

初期支護(hù)是由錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼架和噴射砼組成的一種聯(lián)合受力結(jié)構(gòu)。為保護(hù)圍巖的天然承載力，初期支護(hù)要盡快施作。

（1）初噴混凝土封閉巖面。開挖完成并經(jīng)人工修整無欠挖后，盡早對巖面進(jìn)行初噴。先將凹洼部分找平，噴射砼表面應(yīng)大面平整并略呈濕潤光澤，無干斑或滑移流淌現(xiàn)象。

圖3 三臺(tái)階七步平行流水作業(yè)法施工步驟圖

（2）施作系統(tǒng)錨桿，掛設(shè)鋼筋網(wǎng)。錨桿為全長粘結(jié)型砂漿錨桿，桿體為Φ22mm 的20MnSi 螺紋鋼筋，長度4m，間距0.8m，梅花形布置，徑向施作。各臺(tái)階初期支護(hù)連接處左右兩側(cè)均需設(shè)不少于兩根鎖腳錨桿，確保初期支護(hù)不失穩(wěn)。為確保錨桿施作質(zhì)量，有條件時(shí)，鎖腳錨桿應(yīng)盡量采用注漿小導(dǎo)管并再插入一根Φ22 螺紋鋼增大鎖腳小導(dǎo)管的剛度。

鋼筋網(wǎng)由Φ8 的鋼筋焊接而成，網(wǎng)格間距為15cm，鋼筋網(wǎng)應(yīng)隨受噴面的起伏鋪設(shè)，并與錨桿連接牢固。

6.3 安裝鋼架

鋼架是軟弱圍巖中初期支護(hù)的重要組成部分，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求加工制作和架設(shè)。施工時(shí)，要特別重視鋼架落腳位置地基，必須落在原狀土上，并用20＃槽鋼墊起。鋼架應(yīng)垂直隧道中線，嚴(yán)格按照施工規(guī)范控制，否則三個(gè)臺(tái)階形成后，會(huì)造成鋼架扭曲。鋼架連接接頭要牢固。拱腳部位易發(fā)生塑性剪切破壞，故接頭的角鋼連接板要焊接牢靠。為增強(qiáng)鋼架的整體穩(wěn)定性，應(yīng)將鋼架與縱向連接筋、結(jié)構(gòu)錨桿、定位系筋和鎖腳錨桿焊接牢固。

6.4 施作拱部超前支護(hù)和二次襯砌噴射砼

拱部按照設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)施作下一循環(huán)超前支護(hù)，并把該支護(hù)的尾端焊接在鋼架上。而后分層噴射砼，每層厚度在5cm～6cm，鋼架保護(hù)層不小于2cm，整個(gè)噴射砼表面要平順。

6.5 監(jiān)控量測、修正支護(hù)參數(shù)

嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行拱頂下沉和周邊收斂位移量測，通過監(jiān)控量測的信息反饋，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，以保證結(jié)構(gòu)的安全。監(jiān)控量測項(xiàng)目及頻率如表2 所示。

監(jiān)控量測中應(yīng)注意：

表2 監(jiān)控量測項(xiàng)目及頻率表

（1）為取得開挖后圍巖早期狀態(tài)變化數(shù)據(jù)，各項(xiàng)測點(diǎn)應(yīng)盡量靠近開挖 面布置（不大于2m），在爆破后24h 內(nèi)或下次爆破前，讀取初次讀數(shù)。

(2)周邊收斂、拱頂下沉和地表下沉各項(xiàng)測點(diǎn)應(yīng)盡量集中斷面布置，以便量測成果的協(xié)調(diào)分析、綜合運(yùn)用。

6.6 仰拱施工

在拱墻初期支護(hù)完成后，要及時(shí)左右錯(cuò)位跳挖仰拱，安裝仰拱鋼筋，進(jìn)行仰拱混凝土澆注施工，使初期支護(hù)盡早封閉成環(huán)。構(gòu)成穩(wěn)定的初期支護(hù)體系。并為運(yùn)輸創(chuàng)造良好的環(huán)境。

6.7 混凝土襯砌

采用可調(diào)式防水板作業(yè)臺(tái)車施作防水層，鋪設(shè)時(shí)要采用無釘孔工藝，并視初期支護(hù)的平整情況，將防水板預(yù)留一定的富余量，防止過緊而被混凝土擠破。混凝土襯砌采用全斷面液壓鋼模襯砌臺(tái)車，泵送混凝土灌注。采用商品砼，輸送車運(yùn)輸。澆注時(shí)左右對稱灌注，防止臺(tái)車偏移。

7 K9+910～850 超淺埋段施工

K9+910～850 段覆蓋層僅6m～10m，屬超淺埋隧道，洞身圍巖為砂性土，并不同程度發(fā)育有球狀孤石，同時(shí)洞頂右側(cè)距中線40m 還有一幢5 層磚混辦公樓。施工中采取了超前大管棚預(yù)注漿和爆破監(jiān)測等措施。

管棚采用φ108mm×6mm 無縫鋼管，每循環(huán)長度20m，共設(shè)3 循環(huán)，管棚傾角控制在7.5°以內(nèi)，拱部120°范圍打設(shè)，管棚間距40cm，每循環(huán)搭接長度約3m，為了使管棚打設(shè)有足夠的空間，在管棚打設(shè)處2m范圍初期支護(hù)凈空需要加寬50cm。管棚打設(shè)完畢后，再采取三臺(tái)階七步平行流水法施工。

由于洞頂上方右側(cè)距洞身軸線約40m 有一幢5 層磚混辦公樓，爆破施工時(shí)，委托專業(yè)爆破監(jiān)測單位對辦公樓進(jìn)行了嚴(yán)密的監(jiān)測，按照1.0cm/s 的振動(dòng)速度進(jìn)行控制，實(shí)測出最大允許段藥量為6kg。

通過采取上述措施，順利安全地通過K9+910～850超淺埋段。

8 結(jié)束語

（1）三臺(tái)階七步平行流水開挖法施工淺埋大跨軟弱圍巖隧道非常實(shí)用，能夠有效保證大跨隧道拱部的施工安全。

（2）靈活的開挖與支護(hù)手段及相應(yīng)的技術(shù)措施適應(yīng)了地質(zhì)變化，可以在多種開挖法中變化過渡，真正做到“巖變我變”，有效保證了隧道施工安全。這在萬石山間斷性軟弱圍巖中特別適用，極大地減少了工序轉(zhuǎn)換所帶來的機(jī)械設(shè)備及人員等資源配置。

（3）與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相比，可節(jié)省大量的臨時(shí)支護(hù)費(fèi)用，減少投資，每延米節(jié)約近5000 元。