大跨徑小凈距偏壓隧道施工方案優化分析

劉朋

摘 要：本文以某大跨進小凈距雙洞公路隧道為例，具體分析三臺階七步法在實際應用中的不足之處，繼而結合施工要求提出優化方案，旨在通過實踐探索不斷豐富公路隧道開挖技術，提高公路隧道施工水平。

關鍵詞：大跨徑小凈距隧道；三臺階七步法；施工優化

三臺階七步法隧道開挖方法通常在小凈距隧道施工中能獲得比較好的施工效果，但是在實際施工中，還需要根據隧道的跨徑、單雙洞等結構設計要求對開挖方法進行優化調整，以確保該方法能夠適應不同工況的施工要求。在本文中，筆者以某大跨進小凈距雙洞公路隧道為例，具體分析三臺階七步法在實際應用中的不足之處，繼而結合施工要求提出優化方案，旨在通過實踐探索不斷豐富公路隧道開挖技術，提高公路隧道施工水平。

1 工程概況

某高速公路隧道為小凈距雙洞公路隧道。左隧道長369m，右隧道長373M，隧道跨度最大開挖寬度21.58m，屬于大跨度公路隧道。受地質構造影響，隧道Ⅲ、Ⅳ級圍巖段主要為黃棕色碎屑強風化混合片麻巖。局部巖層在強壓作用下發生變形和變形，但巖體的產生相對清晰，巖體的走向與隧道中線形成相對小的角度。隧道工作面巖體屬于水文地質條件欠發達的干巖體，軟硬塊體均一。

2 初定的隧道施工工法

2.1 工法描述

該工程初步采用三步七步施工法。首先，采用小導管超前開挖順序進行截面鋼錨噴支護施工。增加I18工字梁臨時支撐以提高支撐結構抵抗拱頂壓力的承載能力。完成支護結構后對其他分項依次開挖，搭設初期支護架體并將I18臨時支護結構拆掉，最后進行核心土的開挖并施作仰拱。施作完成后的立體效果如圖1所示：

2.2 工法的不適應性分析

三臺階七步法將大跨徑隧道分解成幾個區域，采用分區閉合的工藝按順序施工，但是實際施工前后工序之間銜接非常緊密，但是，以往的施工組織設計不夠嚴格，在一定程度上阻礙了施工的正常進行。不嚴謹之處主要體現在以下幾方面：

1）初期支護結構受力不均勻，型鋼的兩拱腳和水平方向構成的角度小于設計角度，帶鎖腳錨管的懸索支護不能承受拱下垂向巖體的內應力，支護結構整體不穩定。。施工時在初期支護結構的基礎上臨時設置了I18工字鋼豎撐鋼架，但是由于豎撐鋼架質量重，且架體較高，不但安裝困難，而且裝好后會干擾循環掘進，大型機械也無法從支架下面通過，施工活動無法繼續。

2）初期支護的最大開挖空間只有3.9m，空間太窄，不適合采用4.5m長的錨桿體系。

3）隧道開挖施工對圍巖的擾動次數頻繁，破壞了圍巖的穩定性，一定程度上加大了開挖過程中頂板冒落的風險，容易造成安全事故。

4）開挖斷面形狀小，形狀不規則。工作臺車和人、機器和材料的布置比較困難，機械利用率不高。，出渣以及安裝初期支護結構的工時較長，這會拖慢施工進度，不利于實現中早封閉施工要求。

3 施工工法的優化設計

3.1 施工工法優化設計的整體思路

施工企業針對上述問題，從工法和技術原理等制定了一套優化方案，大致思路如下：

1）按圖1所示的開挖順序，先拓展①區的施工空間，充分利用施工機械提早完成初期支護，以提高隧洞圍巖的穩定性和承載力，防止因頻繁的施工活動過多地擾動圍巖，發生冒頂、塌陷等安全事故；

2）根據現場施工條件和施工組織設計要求調整型鋼支撐受力條件，確保在封閉成環前充分發揮型鋼支護承受拱頂來壓的作用。

3）局部掌子面圍巖的穩定性達不到施工要求，針對這類工況，可噴射砼將掌子面封閉，并按圖2所示預留一部分核心土，提高掌子面整體結構穩定性的同時避免其外凸塌方。

3.2 施工工法優化方案

1）圍繞三臺階七步法進行優化設計。首先對各臺階和步驟施工斷面尺寸進行調整。在原設計尺寸的基礎上，根據錨桿系統和施工機械可進入的長度將型鋼拱架的長度延長5.5m，確保拱頂以下的空間能夠一次開挖成形，同時適當擴大上臺階底面與拱架的夾角，使支護結構有足夠的承載力承受能夠拱頂的垂直來壓。

安裝了超前注漿小導管預支護結構的拱頂不易發生片幫冒頂事故，但是初期開挖擴大了迎頭臨空面，掌子面極易向臨空面外凸，當外凸到一定程度時極易導致隧洞塌方。所以，為了避免頂板塌方，建議先用噴射砼將掌子面封閉并預留一部分核心土，提高掌子面整體結構的穩定性，以確保后續施工活動在一個相對安全的空間內順利實施。此外，為了保持圍巖的自穩性，單循環進尺不宜超過2m，否則大范圍的爆破會大幅度降低圍巖的整體穩定性，嚴重時可能直接導致塌方事故。

2）中、下臺階處居中布置拉馬口，以便于來往的車輛順利通行。該工段采用單側挑邊接腿的工法施工，單循環接腿不能超過三榀型鋼，兩側接腿不得同步開挖，否則會降低上臺階型鋼支護體系的穩定性，甚至造成支護結構整體垮落。各步施工斷面尺寸需要參考現場圍巖的穩定性和承載能力進行合理調整。如果圍巖整體穩定，中下臺階可分兩步同步施工，但左右臺階必須錯開10米，以避免相互干擾。下臺階可與倒置拱同步開挖。倒拱需要快速成型。否則，將影響初期支護的施工進度。

3.3 優化設計效果

對原施工組織設計進行優化和調整后，又不間斷地測量了隧道拱頂下沉以及周邊收斂趨勢，從所得測量數據來看，一個月內拱頂水平收斂最大值14.11mm，下沉量最大值為13.94mm，變形速率及時間-沉降曲線變化趨勢比較平緩，日平均沉降/收斂速率在逐步下降，半個月內平均每天的沉降速率和收斂速率都未超過0.2mm，一個月內平均每天的沉降速率和收斂速率都在0.1mm以下，圍巖整體的穩定性在逐步提高，說明在隧道內施工比較安全。

1）三臺階七步法經優化設計后已成功應用在公路隧道施工活動中，不僅拓寬了作業空間，為大型機械的順利應用提供了足夠的空間，而且也實現了施工現場機械化作業，同時，一些工序的并行運行大大節省了工時，加快了施工進度。某洞長369米，右洞長373米，板崗左洞長310米，右洞長300米，全長1352米，提前3個月安全通過。

2）經優化設計的三臺階七步法大大提高了施工機械的利用率，實現了圍巖快速封閉施工，一定程度上避免了圍巖開挖后二次風化的問題，同時也促使型鋼支護結構的受力條件得到改善，使型鋼支護能承受隧道拱頂的垂直來壓，隧道塌方事故發生的概率大大降低，為施工活動的順利實施提供了一個相對安全的施工環境。

3）采用這種方法，某左右隧道、板崗左右隧道的整個施工過程處于安全、快速、高質量的可控狀態，不僅解決了特殊地區施工難度大、工期短的問題，而且具有施工速度快、施工周期短的特點。具有可觀的經濟效益。月產值比開工前增長了45萬80000元，達到20萬80000元=200萬元。由于施工速度的提高，每臺分度表的造價降低了6000元，總造價節省了411萬元。隧道施工任務圓滿完成，受到各方好評。實踐證明，該方法具有較強的先進性和實用性。

4 結束語

本文所介紹的隧道施工方法對存在冒頂、片幫、塌方等安全風險的隧道工程有比較高的指導意義。但是在實際施工中，還需要結合具體工況和不同的施工要求對該方法的技術措施進行適當調整，以最大程度發揮去指導作用，切實提高工程施工技術水平。

參考文獻

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