大斷面軟巖開挖與支護研究

徐 應 中

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072 )

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大斷面軟巖開挖與支護研究

徐 應 中

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072 )

通過對達州長田新區楊柳埡隧道施工技術進行研究，歸納總結了軟巖常規鉆爆法施工中開挖與支護施工要點，可供類似工程參考應用，以期達到培養工程局技術力量、節約工期、成本的目的。

大斷面；軟巖；開挖；支護；研究

1 概 述

達洲長田新區楊柳埡隧道為分離式雙洞隧道，右線起止樁號為K0+280～K0+970，全長690 m，左線起止樁號為K0+260～K0+970，全長710 m，區間埋深20～133 m，開挖斷面為162 m2，圍巖破碎，以V類圍巖為主。

2 開挖方法的比選

軟巖中的大斷面洞室不能使用一次成洞法，因為圍巖的自穩時間不能滿足支護時間的需要，對此，鐵路系統編制出各類開挖方法，如CRD法、CD法，許多方法與水電工程相近，如留核心土法、分層法等。因此，選用適合該工程的開挖方法至關重要.

2.1 雙側壁導坑法的優缺點比較

雙側壁導坑法雖然適用于大斷面隧洞開挖，但因將其分成三塊后每塊凈空太小而不好操作，暫不開挖但必須開挖部分由于為了避免重復支護而只能做簡單支護，施工速度較慢，成本較高，故該工程未選用。

2.2 CRD法的優缺點比較

CRD法，又稱交叉中隔壁法。該開挖方法因其工序太復雜，且亦存在重復支護過多的弊端，若按該方法施工，不僅成本極高，施工速度極其緩慢，而且比處理塌方還要復雜，故該工程未選用該方法。

2.3 分層開挖法和分區開挖法的優缺點比較

同時對隧洞分上中下三層開挖和由中間向兩側分三個區的開挖方法進行了比選，這兩種方法雖然較雙側壁導坑法和CRD法簡單，但對于該工程多為Ⅴ類圍巖、巖石極為破碎、斷面大、掌子面不能自穩的現狀，仍不宜采用以上兩種開挖方法。

2.4 留核心土法的優缺點比較

由于掌子面常常不能自穩而無法形成垂直掌子面，經方案比選，該工程決定采用環形開挖留核心土法，同時將其與超短臺階法相比，臺階長度可適度加長，以減少上下臺階的施工干擾;與側壁法相比，施工機械化程度可相對提高，施工速度可加快，故選擇留核心土法不僅保證了施工安全，同時在成本和工期上對于該工程而言也是首選方案，故該工程最終選用環形開挖預留核心土法施工。

環形開挖預留核心土法施工情況見圖1。

圖1 環形開挖預留核心土法開挖橫斷面圖

環形開挖預留核心土法施工工序：

(1)拱部超前支護①→拱部環形開挖②→拱部初期支護③。

(2)上臺階左側超前支護④→上臺階左側開挖⑤→上臺階左側初期支護⑥。

(3)上臺階右側超前支護⑦→上臺階右側開挖⑧→上臺階右側初期支護⑨。

3 支護理念與支護結構

3.1 支護理念

“新奧法”改變了我們的支護理念，它把圍巖從一種荷載變為一承載荷載的結構。真正樹立這一理念、選擇正確的支護結構與支護參數，對于圍巖支護問題就能迎刃而解。

在軟巖中的支護，一定要牢牢樹立充分利用并提高圍巖自承能力這一理念。使圍巖中起支護作用的各種結構物，如鋼拱架(格構梁)、錨桿、噴混凝土等共同聯合起作用而組成一個支承拱，在軟巖中這幾項要素缺一不可，否則不是被破壞，就是頂不住松弛巖體產生的山巖壓力。盡量不要讓圍巖松弛，一般而言，沒有松弛的圍巖保持其承載力或再提高圍巖的承載力比較容易,一旦松弛，就很難再讓其保持原來的承載力。

3.2 支護結構

3.2.1 支護結構中錨桿類型的選擇

在聯合體支承拱中，錨桿起到的是主導性作用，因此，錨桿類型的選擇極為重要。錨桿在硬巖與軟巖中的作用機理是有差別的，筆者介紹了楊柳埡隧道施工中錨桿方案的比選：

自進式錨桿：為中孔錨桿，原來的設計目的是在松散破碎巖體中使用一種能保證注漿飽滿的全固結錨桿，但事實上存在成本高、抗剪能力差、注漿無法飽滿等缺陷。

水泥卷錨桿：施工方便，只能用于能成孔的巖體中，錨固力稍低于砂漿錨桿，錨桿孔周邊無砂漿滲透，實際上是一種摩擦型錨桿。

通過對楊柳埡隧道支撐拱中所使用的錨桿進行試驗比選,最終選擇了全固結砂漿錨桿。全固結砂漿錨桿雖然安裝困難(一般松散體巖石中成孔差)，不能施加預應力，但可以施加張拉應力，若在桿尾加墊板、待其達到一定強度后再施加張拉應力(預應力更好)，則約束圍巖變形的效果很好。值得重視的是注漿質量、漿液水灰比、稠度以及注漿泵性能。錨桿長度不宜過長，密度要適當，砂漿濃度中的水灰比以(0.45～0.5)∶1為宜。

3.2.2 錨桿參數的選擇

若圍巖出現不穩定跡象，說明原來使用的錨桿參數不對，因此，錨桿參數的確定十分重要。錨桿的作用有兩個方面：在塊狀圍巖中其具有懸吊作用與組成支承拱作用；在松軟巖體中，其懸吊作用不明顯，主要是起支承拱作用。因此，筆者主張：塊狀硬巖中錨桿可以布置的稀一點，而軟巖中則要布置的有足夠的密度，可以是1 m×1 m甚至更密，錨桿長度與洞室斷面大小及形狀有關，該工程采用的是0.8 m×0.8 m，效果較好。

3.2.3 管棚的選擇

管棚的選擇和使用：鐵道系統喜歡大長管棚，但實際上隧道內不宜使用大管棚。因為大管棚需要一個操作空間，長管棚使后段外仰過多而成為無用段，而且在隧道中大管棚與小管棚的作用是一樣的，所以，該工程選擇了小管棚，通過施工應用，效果很好。

3.3 支護強度

新奧法強調支護強度，但必須區別于支護厚度與支護剛度。當圍巖出現不穩定或變形量過大時，不能用增加支護物的厚度或剛度去解決問題，而是要增加支護強度去抑制圍巖變形。增加支護強度的最好辦法是增加錨桿的長度與密度。當然，視情況也要增加支護物中的鋼構件，也就是說，在軟巖中，不能過份強調柔性支護，如使用工字鋼架，必須明白鋼拱架與巖石面之間不能脫空，鋼架不一定大。

3.4 軟巖開挖后的及時支護與封閉

及時支護與及時封閉：新奧法強調適時支護，開挖后對圍巖退讓部分應力后尋找一最佳支護時間，即在支護阻力達到最低點時進行支護。這一點在硬巖中或許能找到，但在軟巖中卻是找不到的，或許其根本就不存在。因此，對于軟巖而言一定要及早支護。一般的做法是立即噴一層混凝土，及早封閉巖面；封閉和充填所有節理裂隙，阻止裂隙間小顆粒與軟弱物質被擠壓出來，保持其具有的楔子作用，不降低圍巖強度，保持圍巖穩定。實踐也證明了及時采用噴混凝土封閉，能延長圍巖的自穩時間(但不能阻止圍巖變形)，從而有時間做進一步的支護，如安裝格構梁、錨桿及再噴混凝土等。需要注意的是支護時間，對于硬巖(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類巖)可延后一段時間，而軟巖則宜早。

當然，在沒有自穩時間或自穩時間很短的圍巖中開挖，超前管棚與超前錨桿的預支護是很有必要的。在高塑性地層中開挖成洞后及時形成封閉環非常必要，封閉底拱可以用底襯混凝土，也可以用工字鋼加底錨。

3.5 噴鋼纖維混凝土

噴鋼纖維混凝土在不良地質條件下的洞室開挖中能起到快速封閉的作用。通過噴射鋼纖維混凝土，能快速、有效地提高不穩定塊體、斷層及巖脈等不良地質條件下圍巖的自穩能力，從而保證施工安全。用噴鋼纖維混凝土與噴微纖維混凝土來取代網噴混凝土是一個很好的發展方向。

對于噴鋼纖維混凝土，不能完全照搬設計從試驗室出來的指標，試驗室配制的鋼纖維用量每m3混凝土通常達到50～70 kg。通過楊柳埡隧道噴鋼纖維混凝土施工，筆者認為鋼纖維的摻量最好為每m3混凝土不超過40 kg。因為鋼纖維加多了其密實度不好，強度反而下降，且易結團、難噴。鋼纖維加進混凝土中，雖然能防止混凝土表面開裂，但能否增加抗拉強度尚存疑問。試驗結果為：低標號混凝土中，能增加抗拉強度；高標號混凝土中，抗拉強度增加極微。

4 塌方的處理

第一類塌方：塊狀巖體中之塌方，規模不大時宜采用自上而下錨、噴支護進行處理。

第二類塌方：松散體、高塑性巖體中，規模較大時宜對松散體的圍巖進行支護，支護剛度必須大，需將格構梁改為工字鋼。

5 洞口開挖

軟巖區洞口的開挖：平整掌子面，對開挖邊線以外洞臉噴混凝土支護與錨桿支護，沿開挖邊線設置管棚，未開挖時即架設格構梁，自上而下分層開挖。

楊柳埡隧道進出口上覆巖層較薄，分別采用了管棚和吊頂法施工，效果較好。

6 結 語

通過對楊柳埡隧道開挖施工技術進行研究,總結出軟巖開挖中的施工要點,實質上是對新奧法的發展應用。新奧法是一種理念，而不是一種具體的施工方法，從這一理念出發、總結出軟巖中的開挖方法和支護觀念，可為工程局培養新一代技術力量起到一定的指導作用。

[1] 吳煥通，隧道施工及組織管理指南[M].北京：人民交通出版社，2005.

[2] 混凝土鋼纖維， YB/T151-1999[S].

(責任編輯：李燕輝)

2016-08-24

TV52;TV7

B

1001-2184(2016)05-0068-03

徐應中(1973-)，男，四川巴中人，高級工程師，從事水利水電工程施工技術與管理工作.