大跨軟巖地鐵隧道施工核心思路構建探索

吳昌裔

摘 要：在我國城市不斷發展的過程當中，較多的地鐵工程得到了建設。在地鐵工程建設當中，大垮地鐵隧道數量不斷增多，并因此對施工技術具有了更高的要求。在本文中，將就大跨軟巖地鐵隧道施工核心思路進行一定的研究。

關鍵詞：大跨軟巖；地鐵隧道；施工思路

中圖分類號：U455 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）12-0091-03

軟巖隧道結構松散，技術處理稍有松懈，就可能導致隧道變形、隧道塌方等施工事故，尤其是對于地鐵隧道來說，一旦發生隧道塌方，所造成的危害和經濟損失將不可估量。在軟巖隧道施工中，部分施工隊在鋼構支護結構上偷工減料來節省施工成本；沒有進行混凝土初噴來加固及封閉圍巖就直接安裝型鋼支撐架；噴射混凝土工序中用片石回填拱腳，致使初支背后脫空；施工中因為技術措施與設計要求不符，造成鋼結構變形，嚴重的還可能導致隧道塌方和人員死傷。有鑒于此，針對軟巖隧道的結構特點研究適合的隧道開挖技術，優化支護體系，對減少隧道施工安全事故、保障作業人員生命安全、提高作業效率往往有著積極的意義。

在本文中，筆者將針對軟巖地鐵隧道的結構特征，分別對適合軟弱圍巖隧道的施工工法，即臺階法、中隔壁法以及側壁導坑法進行重點解析，旨在進一步完善相關施工理論，減少或者杜絕隧道變形、隧道塌方等安全事故發生，保證地鐵系統安全運營。

1 軟巖隧道的概念及特點

1.1 軟巖的概念

軟弱圍巖一般是指抗壓強度小于30MPa的圍巖。抗壓強度達不到5MPa的圍巖，通常稱之為“極軟巖”，比如泥巖、板巖、砂巖、頁巖等。

1.2 軟巖隧道工程特性

（1）軟巖強度低，開挖隧道后地應力發生重分布，圍巖在巨大拉應力的作用下其內部結構和支護體系極易變形，如果所采取的技術措施不當，就可能造成支護侵限或隧道塌方。（2）控制隧道變形，防止隧道塌方，這是軟弱圍巖隧道安全施工的根本要求。

2 大跨隧道的基本施工方法

在軟巖隧道施工中，洞身圍巖的狀況是確定施工技術方案的參考依據，如果只根據圍巖級別進行施工組織設計，則無法保證施工方案的合理性。除圍巖級別，還應該考慮不良地質狀況、地下水、巖性等其它方面。

根據現有技術，在大跨軟巖隧道施工當中，其主要施工方法有以下幾類：

第一，上半斷面臺階法。該方法的工藝流程見圖1。上斷面臺階法具有施工速度快以及施工空間大的有點，適合使用大型機械設備進行挖掘，且該技術具有較廣的應用范圍，在大部分圍巖條件當中都能夠使用，其具體方式有臨時封閉臺階以及短臺階兩種；

第二，中壁法。中壁法施工流程見圖2。當掌子面穩定性不強、不能使用上半斷面臺階法施工時可以對該技術進行應用，該方式適合應用在圍巖情況較差、地表沉陷要求較為嚴格且淺埋工程當中，其具體方式有CRD以及CD兩種方式；

第三，雙側導坑開挖法。首先，雙側壁導坑開挖法基本都是按圖3所示開挖順序逐步實施。對于承載力存在不足、且不適合使用上半斷面臺階法施工的區域，可以對該方式應用，該方式適合應用在圍巖條件較差且沉陷方面眼球嚴格的工程當中，其具體方式有眼睛法以及雙側導坑超前開挖兩種方式。

在未固結圍巖、斷層破碎帶以及洞口段這部分不穩定圍巖當中施工中，由于大跨隧道在實際施工當中具有拱頂彎矩大以及拱腳位置應力集中的特點，則需要能夠對圍巖松弛情況進行嚴格控制，避免失穩情況的發生。對于洞口段來說，由于其圍巖破碎情況較為嚴重，地質條件較差，地下水以及地表水較為豐富，則因此對實際施工活動的開展形成了較大的困難，容易導致塌方問題的發生。為了實現順利施工，則需要在施工前做好目標區域的充分調查，做好相關文件的細致核實，具體處理方面，需要先做好洞外工程的處理，如邊、仰坡土石方，邊溝以及天溝等排水工程等，并最好能夠在進洞之前修建。通過該種方式的應用，則能夠在確保邊坡穩定的前提下順利實施隧道挖掘作業。如在雨季施工，通過該方式的應用也能避免雨水沖刷導致洞口塌方。對于不穩定圍巖，可以使用的方式有縮短進尺、分割掌子面以及輔助功法等。綜合來講，在大跨隧道工程建設當中對施工方式進行選擇時，不僅需要做好現有機械設備以及施工技術的考慮，且需要能夠做好隧道特定形狀的重視，以此為基礎做好開挖次序的確定，更好實現斷面閉合時間的優化以及地層松動情況的抑制。

3 大跨隧道的輔助施工方法

在大跨隧道施工當中，需要能夠對施工合理化以及掌子面的穩定性做好控制。除了做好基本施工方式的選擇，做好輔助功法的應用也是對上述兩項目標良好實現的重要手段。作為基本施工方式的補充，輔助工法在軟弱圍巖區域以及隧道洞口區域具有重要的作用。根據目前情況，可以將輔助工法分為兩個類別，即普通輔助工法以及超前支護，在如今的大跨隧道施工當中，超前支護是需要重點研究的技術類型。

根據超前支護長度以及構造形式，可以將超前支護分為以下方面：第一，超前加固。如超前錨桿、插板以及注漿錨桿等，通常情況下，超前長度處于5m以下；第二，管棚。在惡劣條件下，通過管棚的設置具有避免地表下沉、防護地上結構物以及保障開挖安全的作用，適合應用在硬質、軟弱、軟巖以及破碎地層區域。在實際布置當中，其施工區間以及管間距同施工區域地質以及地表條件具有密切的聯系，同時，插入鋼管的內部以及周圍也可以實現砂漿以及水泥漿材料的壓注，以此保證圍巖能夠同鋼管間密切貼合，以此實現管棚效果的強化；第三，預襯砌。如預切槽法等，其超前長度通常在5m以內；第四，注漿。如圍巖化學注漿。在對該技術實際應用時，需要在充分把握地質條件以及工程情況的基礎上做好注漿壓力、漿液配比以及注漿范圍的確定，并做好拱腳、隧道底部以及拱部注漿質量的控制。通過該方式的應用，即能夠實現周圍地層的有效改善與加固，進而實現自穩能力的提升。

4 大跨隧道施工方法的評述

在具體施工方式適應性方面，其主要表現在隧道周邊松弛控制效果、施工方式轉化以及掌子面穩定性這幾個方面。綜合來說，對于不同施工方式，具有以下適應性分析：

4.1 上半斷面臺階法

該方式可以通過具有較強可靠性超前支護方式的應用對掌子面的穩定性進行控制，從對開挖前地層改善角度看來，通過超前支護方式的應用，即能夠對拱頂范圍的松弛情況做出控制。如果所使用的輔助功法以及超前支護方式在經濟性以及效果方面存在不足，則可以改為CD法施工。如施工條件利于作業活動開展，則能夠在通過輔助、超前支護方式的配合應用下同不同類型圍巖條件的施工相適應，形成有效的支護體系。

4.2 中壁法

該方式以縱向的方式實現斷面的分割，能夠對掌子面的穩定性做出保證。具體開挖斷面方面，同上半斷面相比較小，在及時支護的情況下即能夠避免擴大隧道松弛范圍。如目標區域地質變化較大，則可以通過CRD、上半斷面臺階法以及CD法這幾種方式之間的轉換實現目標。在CRD、CD法施工中，中壁拆除這項作業自身復雜性較高，且施工條件較大，并不適合使用大型機械施工。這對該方式，即屬于大斷面分割施工，適合應用在城市地下工程以及大型電站當中，在埋深較小情況下， 能夠有效實現施工安全以及地表沉降情況的控制，適合應用在地質不良地段。

CRD法是具體施工當中對大斷面施工問題進行解決的有效方式，其特點即能夠將大斷面實現向小斷面的轉化，對于每一個施工階段，其都是一個完整性較強的受力體系，具有變形小、沉降量以及受力明確的特點。在以該方式施工時，需要按照管超前、嚴注漿的原則開展施工，在具體施工當中做好臺階長度的控制，并做好及時的量測工作，嚴格按照量測信息對施工進尺做好調整。根據相關資料，同CD法相比，CRD能夠更好的降低地表沉降，而CD法同眼睛工法相比沉降量也更小。具體來說，對該方式具有以下幾點認識：第一，CRD法是對大跨超淺埋結構進行解決的有效施工方式；第二，在具體施工中，需要做好臺階步距的確定，做好不同施工細節的認真對待，以此有效實現土體位移以及地表下沉情況的降低。在超淺埋大跨度情況下，能夠將水平位移控制在10mm以內，將地表下沉控制在35mm以內；第三，在開挖階段，橫撐以及臨時中隔墻是非常重要的支撐構件，同時也是CRD法封閉成環、化大為小的保證。在結束初期支護封閉圍巖后，水平橫撐同中墻作用不大，并且它對結構位移、支護內力和地層的影響也不大，可將其拆除。

4.3 側導坑開挖法

該方式具有較細的分割斷面，能夠在實現隧道松弛范圍控制的基礎上對保證掌子面的穩定性。通過超前導坑方式的應用，一是幫助施工隊針對前方地質條件進行探測，以便后期針對不良地質狀況提前制定可行的技術措施。同時，因該方式所具有的開挖斷面較小，當使用大型機械設備時，在實際應用方面則將受到一定的限制。該方式經常應用在城市地下工程，即應用在不良地質地段以及對地表沉降具有嚴格要求的地段當中。在實際施工當中，同中壁法、上半斷面臺階法在實際互換方面存在困難，在整個隧道工程建設當中僅僅對同一種方式進行應用，開發效率相對較低。同時，該方式施工速度慢、造價高，當施工存在誤差時，則將使拱架出現難以成整環的情況，可能因此對地表下沉至進行增加。

根據上述研究，在實際開挖工作當中，需要按照以下順序進行：當斷面寬度在10m以上時，需要優先做好CD或CRD方式的應用，如果條件允許再對側壁導坑法進行實踐。如果斷面寬度超過了10m，就必須采用正臺階法開挖，如果在施工當中不能夠較好的控制下沉量，再使用CRD或者CD法。通常來說，其具體施工中，需要在聯系隧道長度、地形、地質、涌水、斷面形狀等條件對施工方式進行確定。針對大跨隧道，根據其斷面形狀扁平特征的存在，在實際對施工方式進行選擇時，需要能夠做好以下內容的控制：第一，因上部斷面扁平情況的存在，則不能夠對其長時間放置，在開挖完成后，需要保證結構能夠盡早閉合；第二，所選擇的施工方式能夠同地形地貌等地質條件相適應，注意軟巖、斷層帶以及小埋深等關鍵節點；第三，是否具有特殊限制條件，如城市工程是否存在地表沉降、排水不通暢等限制因素。有相關統計資料顯示，采用目前的工法和技術措施施作大跨隧道，隧道水平方向的凈空有增大的趨勢，直接導致圍巖失穩以及隧道拱頂襯砌受力狀態失衡。因此，針對墻腳及隧道兩側圍巖加強支護有助于提高軟巖隧道的穩定性。另外，若采用不同施工方式施工，即使工程所處的外部環境不變，但在襯砌結構受力狀態以及應力分布方面也具有一定的差異，對此，則需要在實際施工當中做好不同地質條件下施工方式的研究。此外，由于大跨隧道在施工過程中凈空增大，同時，圍巖應力分布不均衡，因此，普通的支護方式并不適用于大跨軟巖隧道，正確的工法應該是長錨桿支護技術、長導管注漿技術等。

5 對軟巖隧道加強監控測量，避免結構變形或襯砌開裂

施作軟巖隧道時，初期支護的收斂形變大，圍巖穩定性差，提前設置的二次襯砌可能在施工中開裂。因此，必須結合軟巖的結構特點在施工中對其加強檢測與控制，要結合監測結果對圍巖及支護體系的穩定性及時進行預判，明確二次襯砌與挖掘掌子面間的間距，保證初期支護以及二次襯砌的穩定性。

依照《地鐵隧道噴錨構筑法技術規范》TB10108-2002的標準，監控量測必須測量的內容是：洞內外測量、收斂量測、拱頂下沉量測以及淺埋隧道地表下沉量測。凈空收斂根據圍巖級別來設置，利用收斂計量測，拱頂和地表下沉利用水準儀量測。

因為在建隧道是軟巖居多，穩定情況不佳，形變大，利用小斷面開挖并第一時間進行初期支護以后，變形量依然較大。所以，應增強初期支護的剛度以降低隧道收斂量，提升隧道的穩固程度。

6 結語

軟弱圍巖的抗壓強度一般小于30MPa。開挖軟巖隧道，特別是大跨軟巖隧道時，如果不進行有效的超前探測，施工措施不當，施工中就容易出現變形、塌方等工程事故。本文僅僅是宏觀角度介紹了幾種適合大跨軟巖隧道特點的施工方法，但是在實際施工中由于軟巖隧道結構復雜，施工對所面臨的情況可能更加復雜，在實際工程建設當中，必須充分做好施工區域地質環境以及工程特點的把握，結合大跨隧道工程施工特點，以科學施工方式的選擇與應用保障工程建設質量。

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