硬質巖淺埋大斷面隧道施工技術應用探究

摘要：大斷面隧道具有斷面大、跨度長、受力復雜的特征，如處理不得當易發生圍巖變形、垮塌、襯砌結構裂縫等病害。通過研究硬質巖淺埋大斷面隧道施工技術，分析隧道斷面判定標準及大斷面隧道的特征，形成施工方案。分析大斷面隧道施工關鍵技術及應用措施，并提出硬質巖淺埋大斷面隧道施工控制要點，旨在為相關硬質巖淺埋大斷面隧道施工提供理論參照。

關鍵詞：硬質巖;淺埋大斷面;隧道施工;控制要點

0" "引言

大斷面暗挖隧道施工屬地下空間建設的重要組成部分，隨著項目建設數量和規模的增加，其洞室體積及橫截斷面也隨之擴大，相應也增加了施工難度和工程安全風險，特別是在城市中心繁華區域，受到施工環境制約下的淺埋大斷面隧道施工，面臨的施工風險和困難更大[1]。硬質巖是地層巖中較難處理的一類巖體，當前國內硬質巖淺埋大斷面隧道施工，依舊存在一定的技術應用提升空間，本文圍繞硬質巖淺埋大斷面隧道施工技術展開研究，以期為相關硬質巖隧道施工帶來幫助。

1" "隧道大斷面隧道判定及施工特征分析

1.1" "隧道斷面判定標準

隧道圍巖施工的穩固性既受施工環境中地質因素影響，同時也受隧道橫斷面大小影響，隨著挖掘斷面尺寸的擴大，會增加對施工地層的擾動和形變的程度，給隧道施工帶來難度。當前，并未建立標準統一的隧道橫斷面大小劃分規范。日本隧道工程行業橫斷面的劃分標準如下：將施工斷面面積在70～80m2區間范圍劃分為標準斷面，將面積在100～120m2區間范圍劃分為大斷面。將面積在140m2以上劃分為超大斷面[2]。

國際隧道協會按照隧道凈空斷面大小進行劃分，具體如下：將隧道凈空斷面小于3m2定為超小斷面。將3～10m2區間范圍定為小斷面，將10～50m2區間范圍定為中斷面，將50～100m2區間范圍定為大斷面，將100m2以上范圍定為超大斷面[3]。

1.2" "大斷面隧道施工特征分析

與常規斷面的隧道施工相比，大斷面隧道施工通常具有以下特點：

1.2.1" "隧道圍巖應力結構不同

在大斷面隧道施工前，原始圍巖壓力通常由結構應力和質量應力組成，兩類應力通過不同傳導方向作用，保證圍巖保持在三向應力平衡態。隧道挖掘施工過程中，原始圍巖發生擾動，原有三向應力平衡態轉化為二向應力趨勢。

隨著頂部巖體支撐力逐漸消失及巖體兩端垂直應力的提升，巖體本身應力的水平傳導方向也逐漸轉換為由巖體頂部、底部傳導，如控制不當會引起隧道拱頂及底板變形隆起[4]。隨著施工斷面尺寸的增加，此種巖體經受的擾動范圍也會增加，兩端巖體需承受更大的垂直應力，因而增加了大斷面巖體隧道拱頂及底板變形隆起的概率，進而影響隧道的穩定性，所以應選擇科學的施工技術保證隧道施工結構的穩定。

1.2.2" "扁平率值降低

隧道高度同跨度的比值用扁平率表示，扁平率的大小也反映著隧道的穩定程度[5]。隨著隧道工程對橫截面積的需求增大，通常在保證車輛最大高度通過要求的基礎上，隧道高度提高范圍較小，面積的增加多是由于隧道寬度的增加。

隧道截面的增加使得隧道截面形狀越發趨于扁平，兩車道隧道扁平率約為0.8，三車道約為0.65，四車道扁平率會低至0.5。偏平率值降低會引起隧道圍巖及拱腳應力趨于集中，影響隧道結構穩定。鑒于此，應對隧道進行合理設計，并采取適宜的施工工藝。

1.2.3" "隧道防水質量需求高

隨著國家公路建設質量等級的提升，其重要組成大斷面隧道的質量、安全性能標準也相應提升。隧道對防水質量要求較高，一旦隧道內發生滲漏，既會嚴重影響隧道圍巖應力結構穩定，降低結構強度，引起結構支護形變，也會為隧洞施工帶來困難，延緩正常施工工期，增加施工投入成本[6]。

2" "硬質巖淺埋大斷面隧道施工方案設計及方法選擇

2.1" "硬質巖淺埋大斷面隧道施工方案設計

本文針對某公路隧道施工項目進行研究，公路總長6600m，設計為雙向六車道結構。通過對工程的前期勘測及調研獲悉，施工作業區域為暗挖淺埋大斷面隧道區域，大斷面方位處于巖埋、斷層位置，工程施工作業難度大，作業風險高。針對此隧道作業施工條件，在正式施工前應形成科學的施工設計方案，合理編排設計施工工序設計規劃。

該公路隧道項目隧道全長約420m，在進行隧道結構方案設計時，主要應用突變斷面設計方法，以隧道縱向為軌跡建立6個跨度的合計規劃。隧道大斷面橫斷面如圖1所示。

依據初期方案設計，隧道施工應用雙側壁導坑技術完成作業。將隧道施工區域分成不同作業塊狀范圍，各個作業塊狀范圍利用臨時支撐完成固定，以保證工程后期的隧道結構穩定。但在后續設計方案可行性論證階段，專家進一步研究論證認為，針對本項目應用此技術實現價值較低，特別是針對本項目所在的硬質巖淺埋大斷面施工環境，無法實現工況的便捷轉換，難以達到目標融合度。一旦實施易產生爆破隱患和施工風險，進而影響圍巖結構穩固。另外臨時支護結構建設成本偏高，也不利于施工單位的經濟成本控制。

經過重新系統勘察了項目隧道所在的水文情況、地質地貌情況等施工環境，充分融合適用于硬質巖淺埋大斷面隧道施工的技術和新型設計理念，我們將設計方案進行了改進升級。為了達到加固周圍隧道硬質巖圍巖斷層、巖脈等架構的目的，在正式施工前，應針對施工位置應用超前帷幕注漿技術，實施注漿加固布控，以降低硬質巖淺埋大斷面隧道施工后期臨時支撐的使用次數，避免支護操作工序同其他操作工序相互干擾情況發生的同時，有效降低施工成本。

此設計方案偏重前期支護操作，并對前期支護與掌子面施工的操作距離進行了必要縮減，減少了圍巖臨時外露的距離，實現了大斷面隧道大跨度至縱向小跨度的轉換。同時在隧道內增加布控了縱向梁結構設置，實現了外錨支護結構的安全穩定性。此外，新設計方案針對挖掘步長、爆破振動參數、注漿方式、混凝土噴射參數、錨桿支護操作等實施方式也做了詳盡說明。

2.2" "施工方法選擇

本項目所處圍巖環境為硬質巖，整體穩定且不易松散，具備較好的自成拱優勢。本項目硬質巖斷層破碎帶及巖脈同隧道方向均為小角度方向交叉，且相同橫斷面內，并未形成斷層與巖脈同時存在的情況。這為隧道設計施工提供了便利條件，便于實施支護參數的優化設計。

施工實施前，通過模擬分析手段，比對CD法、臺階法和雙側壁導坑法在本隧道施工項目的應用性。分析測算結果顯示，再未經任何輔助處理的條件下，臺階法安全應用效果偏差，雙側壁導坑法穩定安全性表現最突出，CD法應用效果與雙側壁導坑法接近。

如果針對圍巖配合輔助實施固結灌漿、止水等操作，可大幅度改善臺階支護開挖后施工環境結構的不利影響。模擬臺階法得出的安全數據結果，能夠達到項目結構安全目標，且比CD法和雙側壁導坑法表現出色。經過綜合分析考量，最后確定臺階法為隧道主要施工方法。

上臺階寬度約為8m，實施橫向分步挖掘，分步距離約4m，單位循環進尺為1m;下臺階按工序完成3次挖掘，實施先左右、后中間巖墻部分挖掘。為及時掌握拱頂沉降對豎直支撐的軸向壓力作用影響，中間巖墻位置應設立豎直支撐監測設備，保證拱頂沉降在1cm可控范圍內。

挖掘施工時，應參考檢測數據掘進，如果豎向支撐軸向應力超出設計標準范圍，應加固豎向支撐作用，直至符合規定應力值才可繼續掘進施工。臺階法隧道施工現場如圖2所示。

3" "硬質巖淺埋大斷面隧道施工關鍵技術及應用

3.1" "隧道大斷面掌子面預先灌注漿技術

為達到預期漿液擴散設計要求，實現隧道圍巖的科學加固，有效與隧道富水層隔離防護，提升圍巖結構穩定，應通過預先灌注漿技術處理大斷面掌子面。應用預先灌注漿技術時，應選取超細水泥拌和形成的單漿液，嚴格控制灌注漿操作區域，保證在隧道輪廓線及上斷面外5m位置實施灌注漿。通常單位加固段距離應控制在約45m，并從第三大斷面及匝道兩端朝破碎段實施漿液灌壓。施工時應監測灌注漿的加固和止水效果，以為后續隧道施工提供穩固基礎。

3.2" 加固錨桿處理技術

加固錨桿處理主要用于實現圍巖支撐結構的進一步加強。在單次臺階法循環分幅掘進施工完成后，進行錨桿設置操作，即在上臺階位置設置總長7m（28）的粘接型錨桿，以提升支護結構穩定性。

錨桿應選擇完整堅固的圍巖完成錨固，應用U狀鋼筋將外露錨桿與柵格架之間實施焊接加固，實現圍巖結構穩定性強化，為后續上臺階左右分部挖掘工序實施創造安全施工條件。長錨桿連接方式圖3所示。

3.3" "加固縱向連接技術

圍巖挖掘行進中既受橫向成拱外力作用，還受到縱向結構塊穩固影響。在進行硬質巖淺埋大斷面隧道施工方案設計時，通常重點參考橫斷面受力狀況，卻易忽視隧道結構縱向剛度因素，未充分考慮縱向格柵的相互作用。

利用加固縱向連接技術，加強隧道圍巖整體支護加固，可使圍巖與結構支撐形成堅固的統一整體。通常，鐵格柵縱向通過鋼筋相連，以實現鋼拱架和連接剛度需求。由于隧道施工多利用短進尺挖掘方式，單次施工格柵少于兩榀，迫使縱向需采用小段鋼筋連接，從而影響縱向連接剛度。實施鋼架與縱向鋼筋焊接連接，連接方式一般為十字交叉狀點焊，這也對縱向連接剛度形成了一定制約。

綜上分析，本項目采用縱向連接格柵加固連接技術，將常規十字交叉連接升級優化成L型連接方式，從而增加格柵同連接鋼筋的焊接面積，進而提升支護結構的縱向整體剛度。縱向格柵連接如圖4所示。

3.4" "弱爆破施工技術

利用弱爆破技術可最大限度減少對隧道圍巖的破壞，充分實現圍巖自成拱功能，減輕因爆破對圍巖的擾動作用。弱爆破技術主要通過減少單次循環爆破進尺同段起爆炸藥消耗量，進而降低爆破震速，以降低爆破振動破壞。

限制單次循環進尺在1m以下，使大斷面隧道上臺階挖掘施工具有較好的臨空條件，有利于降低振動破壞。同時，應采取增加雷管段數，減少同段同時起爆炸藥量，實現震速限制。在爆破施工現場，要盡可能將炸藥量均分至各個段位，以科學控制同段同時起爆炸藥。通過以上措施，可實現隧道掌子面后側鋼格柵處爆破震速的有效控制，達到保護圍巖支護結構的目的。

4" "結語

硬質巖淺埋大斷面隧道施工具有斷面大、跨度長、受力復雜的特點，如果處理不得當易發生圍巖變形、垮塌、襯砌結構裂縫等病害。硬質巖淺埋大斷面隧道施工技術實際應用時，應充分利用圍巖自承載力特征，形成科學的設計、施工方案。在保證掌子面穩固的前提下，利用拱架與長錨桿、鋼架間的互相焊接等方式，通過加固受力支護、轉換橫向大跨度至縱向小跨度、降低挖掘進尺、預先灌注漿液及采用弱爆破等手段，提高圍巖支護的拱形整體承載能力，提升圍巖支護牢固穩定，簡化挖掘工序，達到預期施工效果。

參考文獻

[1] 魏慧忠.硬質巖淺埋大斷面隧道施工技術的淺析[J].山西建筑，2018，44（9）：187-188.

[2] 張基福.深水大傾角硬質巖鋼管樁棧橋基礎的施工工法[J].山西建筑，2017，43（11）：186-187.

[3] 郝東，田過勤.大斷面黃土隧道全地質性施工技術[J].甘肅科技縱橫，2018，47（11）：39-41.

[4] 朱朝佐，謝文清.硬質巖淺埋大斷面隧道施工技術[J].現代隧道技術，2017，54（3）：190-194.

[5] 劉錚.淺談硬質巖淺埋大斷面隧道施工技術[J].智能城市，2019，5（3）：101-102.

[6] 郭繼林，張俊儒，李小剛，等.一種改進的硬質巖深豎井反井施工技術及豎井圍巖壓力取值探討[J].公路隧道建設，2016，36"（5）： 585-591.