軟弱地層大斷面隧道施工方案與技術(shù)優(yōu)化策略

張青海

河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)勘查院 河南 鄭州 450000

正文：

0 引言

筆者參與杭州至千島湖高速公路Ⅰ標(biāo)隧道工程施工，標(biāo)段共三座隧道1186m，其中：楓樹嶺隧道全長(zhǎng)120m、洪坑隧道全長(zhǎng)760m、楊塢口隧道全長(zhǎng)396m。此群隧道位于浙江省新安江建德市蓮花鎮(zhèn)境內(nèi)，隧道所處地形為浙西中底山地貌區(qū)，植被茂盛，上覆第四系全新統(tǒng)坡殘積含碎石粘土，下伏基巖為砂巖偶夾頁(yè)巖多呈軟弱圍巖，裂隙發(fā)育強(qiáng)烈，地質(zhì)條件較差，Ⅴ級(jí)圍巖占到隧道全長(zhǎng)的70%以上，多數(shù)隧道進(jìn)、出口地形淺埋偏壓嚴(yán)重，淺埋深度5-13m，洞身最大埋深51m，地下水量較豐富，來源地表降水及基巖裂隙水。隧道斷面面積110.37m2 ，寬：13m，高10.3m，縱坡2‰，時(shí)速 80km/h。

1 Ⅴ級(jí)圍巖復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)

Ⅴ級(jí)圍巖復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)：①初期支護(hù)：洞口（明暗）拱部1500范圍布設(shè)39根Фl08超前長(zhǎng)管棚L(fēng)=30m，間距40cm，外插角10～30；洞身初支拱部1200范圍設(shè)置Ф42mm，長(zhǎng)4m超前小導(dǎo)管、環(huán)向間距0.4m、縱向間距1.0m，拱部錨桿設(shè)置Ф22mm、L=3.5m、間距0.8m×0.75m (環(huán)向×縱向)、梅花形布置，鎖腳錨管Ф42、長(zhǎng)L=4m，管鋪設(shè)Ф6鋼筋網(wǎng)15cm×15cm，鋼拱架采用I20b的工字鋼，每榀間距為0.5m，噴射C20混凝土厚度為 200mm；②二次襯砌：拱部及邊墻厚度為450mm，仰拱厚度為500mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30(S6)。Ⅴ級(jí)圍巖襯砌斷面見圖1所示。

圖1 Ⅴ級(jí)圍巖橫斷面圖

2 隧道施工方案與技術(shù)優(yōu)化策略

2.1 施工方案

當(dāng)前軟弱大斷面隧道開挖最常用施工方案是臺(tái)階法和CRD法，本標(biāo)段隧道原設(shè)計(jì)擬采用為CRD法開挖，根據(jù)工程實(shí)際情況，一是考慮安全、質(zhì)量、環(huán)保要求，二是考慮工期和成本要求，提出三臺(tái)階七步開挖法施工方案作為CRD法對(duì)比方案。

2.1.1 CRD法

CRD法將隧道斷面從上、中、下分六個(gè)等部分依次進(jìn)行開挖。首先第1部分開挖，單循環(huán)開挖0.6m，隨后噴射混凝土進(jìn)行封閉，噴射混凝土厚度5cm，然后架設(shè)全環(huán)I20b鋼拱架，并用混凝土進(jìn)行噴射，噴射混凝土厚20cm，開挖長(zhǎng)度約3-4m，第2部進(jìn)行單循環(huán)開挖，開挖長(zhǎng)度，架設(shè)鋼拱架，噴射厚度等均與1部相同，當(dāng)開挖長(zhǎng)度約3-4m時(shí)，進(jìn)行第3部開挖，依次循序開挖直至第6部，逐步拆除臨時(shí)鋼架，噴射混凝土進(jìn)行封閉，對(duì)仰拱，其開挖采用臨時(shí)棧橋的方法施工，開挖長(zhǎng)度不超過 3m，并采用分段間隔[2]開挖施工，在施工臨時(shí)仰拱的基礎(chǔ)上增加了臨時(shí)豎撐[5]，以防止隧道的塌陷或沉降[10]，待施工完成后，立即灌注Ⅴ部仰拱回填。⑨利用襯砌模板臺(tái)車對(duì)隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行澆筑。

以上施工期間加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，按照 5m 每斷面布置（Ⅴ級(jí)圍巖），對(duì)拱頂、拱腰、拱腳、仰拱填充面進(jìn)行水平收斂[11]、拱頂下沉、仰拱頂面高程的監(jiān)測(cè)。

2.1.2 三臺(tái)階七步法

三臺(tái)階七步法是將軟弱地層大斷面的施工隧道分七個(gè)作業(yè)面，在七個(gè)不同的位置錯(cuò)開同時(shí)進(jìn)行開挖，分別做好開挖與支護(hù)工序工作，構(gòu)成完整支護(hù)體系[6]，縮短作業(yè)時(shí)間。三臺(tái)七步法開挖主要將斷面分為上、中、下及底部四部分，通過錯(cuò)臺(tái)臺(tái)階進(jìn)行開挖。其施工過程，主要在臺(tái)階上部與中部之間保留不超過5m的距離，上部要超前開挖3-5m,同理，中部與下部之間也要保留有不超過 5m 的間距，下部與底部之間距離保留不超過10m的距離，以此類推進(jìn)行逐級(jí)向前開挖。為保證工程機(jī)械作業(yè)安全，一般會(huì)將上臺(tái)階開挖高度控制在4m，將中臺(tái)階的開挖高度控制在3m ，將下臺(tái)階的開挖高度控制在3m。挖掘機(jī)在開挖輪廓線以內(nèi)要預(yù)留厚度30cm 左右，并利用風(fēng)鎬進(jìn)行開挖修理[9]，以上施工中，每部分臺(tái)階開挖必須控制開挖長(zhǎng)度，開挖后及時(shí)支護(hù)，要判斷圍巖穩(wěn)定性，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)[8]，下部臺(tái)階開挖支護(hù)完成后，及時(shí)施作仰拱，仰拱分段長(zhǎng)度為4-5m。三臺(tái)階七步開挖立面見圖2所示。

圖2 三臺(tái)階七步開挖立面見圖

以上施工方法大大的縮短了工作時(shí)間，形成了一個(gè)穩(wěn)定且封閉的下臺(tái)階支護(hù)體系[13]。

2．1．3 方案分析

對(duì)上述的方案進(jìn)行比較可知，對(duì)CRD法來說，可以控制隧道變形的優(yōu)點(diǎn)，從而施工安全和工程質(zhì)量得以保障，但是具有施工周期長(zhǎng)，工程進(jìn)度不理想等缺點(diǎn)。相比之下，三臺(tái)階七步法的施工周期大幅縮短，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約成本，保證質(zhì)量，提升了安全指數(shù)，施工進(jìn)度比CRD法的進(jìn)度快了大概2倍。所以，在保證安全、工期以及質(zhì)量的前期下將三臺(tái)階七步開挖法作為CRD法的主要必選方案。

3 軟弱地層大斷面隧道力學(xué)特征

本標(biāo)段隧道為典型軟弱地層中的大跨度隧道，由于埋深淺、地層條件差、開挖跨度大，就會(huì)使隧道所受力越復(fù)雜，進(jìn)而引發(fā)安全問題，這是因?yàn)榇髷嗝嫠淼赖男螤罨境使靶谓Y(jié)構(gòu)，隧道開挖后，隧道周圍巖層向內(nèi)擠壓應(yīng)力，巖體同樣因隧道結(jié)構(gòu)改變發(fā)生相應(yīng)的重新變形分布。軟軟地層的巖石受上述移動(dòng)與變形[14]作用力的影響，自身結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的松弛[3]破壞，從而使得整個(gè)圍巖發(fā)生更加劇烈的變形松弛。隧道拱形結(jié)構(gòu)平衡能力減弱，圍巖的松散變形帶來嚴(yán)重的塌方隱患威脅施工人員的安全。軟弱地層大斷面隧道力學(xué)特征主要：

1）因大斷面隧道跨度大增加，隧道主要呈現(xiàn)扁平的拱形結(jié)構(gòu)[3]，近似于橢圓形受到承載力比較小，開挖時(shí)會(huì)引起一系列的圍巖應(yīng)力，這些圍巖應(yīng)力在分布過程中是非常不利，拱腳處的圍巖應(yīng)力相對(duì)較大，難以對(duì)隧道變形進(jìn)行控制，對(duì)地基承載力提出相對(duì)較大的要求。

2）拱頂部位相應(yīng)的產(chǎn)生比較大的松弛圍巖壓力[1]，這就導(dǎo)致了圍巖穩(wěn)定性的不斷降低。因?yàn)樗淼篱_挖的寬度和高度越來越大，對(duì)隧道底部的埋深提出一定的要求，如果埋深較小，地層條件差圍巖成拱形作用得不到有效發(fā)揮時(shí)，圍巖開始不斷松散下落，這樣就會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較大的松弛圍巖壓力。所以隧道頂部造成更大的松弛圍巖壓力。注意現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控測(cè)量技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)控制技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)主要包括地表沉降量測(cè)和周邊及拱底下沉量測(cè)兩個(gè)方面[12]。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過兩種施工方案的對(duì)比，大斷面軟地層隧道施工采用三臺(tái)階七步法，在經(jīng)濟(jì)效益上方面優(yōu)為突出，與CRD法施工比較，主要有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：①拓展隧道施工空間，方便機(jī)械化施工，可以開展多個(gè)作業(yè)面平行作業(yè)，提高工作效率，縮短施工工期；②降低人工用量和勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了投資成本，由以往密集勞動(dòng)施工轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械化、程序化施工；③在地質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，可及時(shí)轉(zhuǎn)換施工工序，調(diào)整施工方法，加快了施工進(jìn)度。