都安高速公路大斷面隧道分部臺階法快速施工技術研究*

胡 濤，陽軍生，柏 署,3，周中書，陳 進

(1.貴州省公路工程集團有限公司, 貴州 貴陽 550008； 2.中南大學土木工程學院,湖南 長沙 410075； 3.湖南省交通規劃勘察設計院有限公司, 湖南 長沙 410008)

九家灣隧道地層為下統棲霞組灰巖，原設計為V級和IV級圍巖，分別采用雙側壁導坑法和CD法施工。根據九家灣隧道具體地質情況，在水電大型地下廠房施工原則和方法經驗的基礎上，本文提出“先行中導洞開挖，后左、右側導洞交錯開挖”的分部臺階法施工方案，使之與圍巖條件相適應，以期在確保隧道施工安全的前提下，優化施工工序，提高施工效率，提高技術經濟效益。

1 工程概況

1.1 工程背景

貴州新建都安高速公路九家灣隧道設計為單向4車道大斷面公路隧道，建成后可與鄰近既有公路隧道形成雙向8車道行車條件。九家灣隧道出口環境如圖1所示。

圖1 九家灣隧道出口環境

九家灣隧道全長230m，最大開挖跨度約22.28m，原設計V級圍巖段開挖斷面面積約235.78m2。隧址區主要位于第四系全新統和二疊系下統棲霞組地層，巖性出露為灰巖。IV級圍巖段長105m，V級圍巖段長125m。隧道地質縱斷面如圖2所示。

圖2 隧道地質縱斷面

1.2 原設計施工方法

九家灣隧道原設計施工方法為IV級圍巖段按CD法開挖，V級圍巖段按雙側壁導坑法開挖。其中，CD法施工工序為先按臺階法開挖隧道左側導坑，再按臺階法開挖隧道右側導坑，施工過程中各工作面間保持一定的安全距離，開挖后及時施作初期支護、二次襯砌等支護結構。CD法施工工序如圖3所示。

圖3 CD法施工工序(單位：m)

雙側壁導坑法施工工序為先按臺階法開挖隧道左側導坑，再按臺階法開挖隧道右側導坑，最后按三臺階法施工隧道中間部分，施工過程中各工作面間保持一定的安全距離，開挖后及時施作初期支護、二次襯砌等支護結構。雙側壁導坑法施工工序如圖4所示。

圖4 雙側壁導坑法施工工序(單位：m)

隧道原設計支護參數如表1所示，其中IV級圍巖段初期支護采用φ25中空注漿錨桿，長L=4.0m，二襯采用60cm厚C30鋼筋混凝土，預留變形量為15cm。V級圍巖段初期支護采用φ25中空注漿錨桿，長L=4.5m，二襯采用75cm厚C30鋼筋混凝土，預留變形量為20cm。

表1 原設計支護類型及參數

2 分部臺階法確定

2.1 分部臺階法提出

現行公路隧道規范指出，雙側壁導坑法與CD法適用于圍巖差、跨度大、淺埋、地表需嚴格控制的場合，但不足之處在于施工工序繁瑣、工效低、成本高等。考慮到九家灣隧道實際地質情況，需采用適合于具體建設條件的快速施工方法。

地下水電站主廠房開挖跨度多>15m，高度為70～80m，開挖斷面大。綜合分析地質條件、施工進度、成本等因素，通常采用分層分部的方法開挖。常見的主廠房開挖分層如圖5所示。

圖5 主廠房開挖分層(單位：m)

首先將主廠房分為多層，如圖5所示分為10層，再自上而下分層開挖；各層又分區開挖支護。例如，將第1層分為4個施工區域，中導洞優先開挖，再由中導洞擴挖至廠房拱頂，隨后擴挖左、右兩側。這種科學合理的開挖、支護保證了廠房施工安全穩定。

九家灣隧道最大開挖跨度約22.28m，可采用“先行中導洞開挖，后左、右側導洞交錯開挖”的分部臺階法施工。分部臺階法施工區域劃分如圖6所示。將隧道分為中導洞、上臺階左右導洞、下臺階左右導洞5個施工區域。中導洞先行開挖并超前于其余導洞，隨后再交錯開挖上、下臺階的左、右導洞。

圖6 分部臺階法施工區域劃分示意

2.2 各施工方法對比分析

雙側壁導坑法、CD法與“先行中導洞開挖，后左、右側導洞交錯開挖”的分部臺階法有各自優缺點。雙側壁導坑法將大跨隧道變為小跨，及時封閉成環，控制圍巖變形與地表變形的能力強，適用于圍巖條件差且地表沉降要求嚴格的情況。但其開挖分部較多，施工工藝復雜，施工進度緩慢，成本高，對圍巖擾動頻繁。CD法中隔墻將跨度大的開挖面分隔為兩段跨度較小的開挖面，便于開挖導洞及時封閉及控制地層變形的能力強，一般多用于地層條件較差、跨度較大且對地表沉降要求嚴格的軟弱圍巖隧道施工中，但該方法施工工序較多，相互影響較大，由于中隔墻易發生失穩，拆除時機難以把握。而“先行中導洞開挖，后左、右側導洞交錯開挖”的分部臺階法施工操作簡易，施工進度快，成本低，作業空間大，適用范圍廣。

通過以上對比分析后，為加快施工進度、縮短工期、降低成本，根據九家灣隧道具體工程地質條件，選用分部臺階法進行施工。

3 分部臺階法施工工序

針對九家灣隧道地質和斷面尺寸，對隧道施工步序進行設計，如圖7所示。根據現場實際情況，先按全斷面法進行隧道上臺階中導洞開挖支護，當中導洞開挖一定距離后，進行上臺階左、右導洞交錯開挖，并施作初期支護，當上臺階左、右導洞開挖一定距離后，交錯進行下臺階左、右導洞開挖支護。同時，根據隧道圍巖條件與監控量測情況，嚴格把控掌子面與仰拱、二次襯砌間的安全步距，確保隧道施工安全。

圖7 分部臺階法施工工序(單位：m)

隧道襯砌結構按新奧法理念設計為復合式襯砌，初期支護采用噴射混凝土、鋼筋網、格柵鋼架和系統錨桿，二次襯砌為模筑鋼筋混凝土。隧道支護參數如圖7所示。

分部臺階法三維施工工序如圖8所示。主要工序為：①采用全斷面法先行開挖中導洞I，施作中導洞初期支護；②跳槽開挖上臺階左導洞II，施作上臺階左導洞初期支護；③跳槽開挖上臺階右導洞III，施作上臺階右導洞初期支護；④跳槽開挖下臺階左導洞IV，施作下臺階左導洞初期支護；⑤跳槽開挖下臺階右導洞V，施作下臺階右導洞初期支護；⑥施作仰拱；⑦施作仰拱填充；⑧模筑二次襯砌。

圖8 分部臺階法三維施工工序

4 分部臺階法實施效果

4.1 現場施工效果

隧道上臺階中導洞開挖尺寸為8.5m×8.33m(寬×高)，開挖面積為67.86m2，上臺階左、右導洞開挖面積為33.32m2，下臺階左、右導洞開挖高度為5.38m，開挖面積為49.45m2。

自2018年11月7日起，采用分部臺階法施工。先行開挖中導洞，12月14日中導洞貫通，耗時37d，平均每天進尺6.22m。其余工序隨后施工。各工序具體施工進度如表2所示。

表2 隧道各工序施工進度

現場施工過程主要節點如圖9所示。由圖9a可看出隧道中導洞施工狀況良好，掌子面與洞壁圍巖穩定。

圖9 現場施工過程主要節點

隧道中導洞貫通后，上臺階左、右導洞交錯開挖，如圖9b所示。中導洞貫通可盡早形成空氣對流，解決隧道通風問題，改善洞內施工環境。

隧道下臺階開挖現場施工情況如圖9c所示。上、下臺階保持一定安全距離平行交叉施工，有效減少施工干擾，提高施工效率。

二次襯砌現場施作情況如圖9d所示，可看出二次襯砌施工效果良好。

從現場實際施工情況可看出，分部臺階法施工工序簡單，對圍巖擾動少，通風效果好，且上、下臺階平行交叉開挖相互影響小，有效加快了施工進度，符合九家灣隧道實際情況。

4.2 技術經濟效果

之前定性地分析了雙側壁導坑法與CD法2種施工方法所需工期長、施工成本高，相反分部臺階法施工工期短、成本低。隧道施工結束后，對分部臺階法施工工期、成本及主要建筑材料工程量等方面數據進行了統計，與原設計IV級圍巖段采用CD法施工、V級圍巖段采用雙側壁導坑法施工所需主要建筑材料工程量進行對比，如表3所示。采用分部臺階法可加快施工進度，降低成本269.74萬元，主要材料工程量有不同程度減少，其中型鋼鋼架、管棚與支護鋼架用量減少最明顯，技術經濟效果良好。

表3 各施工方法主要經濟技術指標對比

5 結語

1)本文針對九家灣隧道具體條件，在地下水電廠房施工原則與方法的基礎上，提出分部臺階快速施工方法。

2)九家灣隧道較短，圍巖強度較高，開挖斷面大，采用“先行中導洞開挖，后左、右側導洞交錯開挖”的分部臺階法，施工工序簡單，對圍巖擾動少，且施工效率高、成本低。

3)現場科學合理的施工組織保證了隧道安全施工，加快了施工進度，減少了費用支出，取得了良好的實施效果，同時表明“先行中導洞開挖，后左、右側導洞交錯開挖”的分部臺階法適用于九家灣單洞4車道大斷面高速公路隧道開挖，可為類似工程提供參考。