預留核心土法適用性及施工技術要點分析

文／曹樹森、錢棟棟、李明 中車智能交通工程技術有限公司 北京 100078

丁學偉 江蘇中車城市發展有限公司 江蘇無錫 214104

引言：

預留核心土法在隧道施工中已得到長期廣泛的應用。大量的工程實踐表明，在軟弱破碎、淺埋、大跨等隧道施工中，隧道施工應堅持若爆破、短進尺、強支護、早封閉、勤測量的施工原則，預留核心土對控制隧道開挖面穩定效果顯著。在國內，預留核心土法已積累了大量的工程經驗和一些理論研究成果。但目前，由于安全形勢日趨嚴峻，許多隧道在設計中較為保守，特別是在高速鐵路中，在進洞或淺埋軟弱地層不少選擇采取CD 法、CRD 法[1]，甚至雙側壁導洞法。上述工法分部多、臨時支撐多、空間小，大型機械無法使用，施工效率低，成本高[2]。通過調研大量工程案例和研究成果，對不同工法進行對比，對預留核心土法的適用性和施工技術要點進行總結。

1、預留核心土法的基本原理

預留核心土法的基本原理是在掌子面不能自穩的不良圍巖中，開挖時把掌子面中央部位留下，利用殘留核心土與掌子面噴混凝土和掌子面錨桿組合在一起來保證掌子面穩定，利用殘留核心土的反壓作用抵抗掌子面的變形，并使前方土體處于三向應力狀態，減小前方土體松弛破壞的程度和范圍，防止掌子面失穩，保證隧道洞室的穩定性[3]。同時采用環形開挖，減少大范圍開挖對圍巖的擾動，并縮短支護施作間隔時間，避免軟弱巖體過度松弛，從而達到保護圍巖，充分發揮圍巖自身承載能力的目的，進一步提高了隧道洞室的穩定性[4]。2006年后，隨著新意法的理念逐步傳入我國，新意法是通過對隧道掌子面超前核心巖土介質的勘察、預測其穩定性，設計按隧道開挖后圍巖穩定、暫時穩定、不穩定將其劃分為三種形態[5]。據以信息化設計支護措施，確保隧道安全穿越復雜地層和實現全斷面開挖的一種動態設計施工指導原則，新意法強調控制圍巖變形、強調掌子面前方圍巖的超前支護和加固，通過監測和控制掌子面前方的圍巖、采用配套的機械化作業，實現全斷面開挖。可以看出預留核心土法在利用穩定掌子面來保證隧道洞室穩定的基本思路與新意法是一致的，但新意法更強調采用強有力的措施（通常為玻璃纖維錨桿）主動加固掌子面前方巖體（超前核心土），控制前方巖體變形，相對于預留核心土法被動控制來說，效果更好，并可通過調節玻璃纖維錨桿的密度和長度來適應不同地層[6]。

2、不同開挖方法的比較

2.1 力學效應對比

目前，針對某一特定隧道，為確定合理施工方法，常常開展不同開挖方法力學效應比較。由于預留核心土法通常用于軟弱圍巖（Ⅴ級）和大跨（一般為雙線及以上）隧道中，因此特針對上述條件，選擇10 個不同工況與預留核心土法對比的典型案例，同時增加了個別Ⅳ、Ⅵ圍巖和單線隧道以豐富成果。

2.2 圍巖變形

圍巖變形是由外界因素的作用引起的，在一般情況下，地下洞室的兩側圍巖常常會形成塑性楔體，首先向洞內變形，甚至局部破壞，進而危及整個圍巖的穩定性，隧道施工中，圍巖變形是隧道穩定性的直觀表現，圍巖變形量對襯砌或支護上的圍巖壓力大小很有影響，過大的和過小的圍巖變形都可引起圍巖壓力增大，適當的圍巖變形可使圍巖壓力有一定程度的降低，同時控制圍巖變形對隧道與支護結構的穩定起著十分關鍵的作用[7]。根據統計表1計算成果表明：從控制變形角度來說，雙側壁法＞CRD 法〉CD 法＞預留核心土法＞臺階法；在V 級圍巖雙線及以上隧道（跨度＞12m）條件下，在拱頂沉降方面，臺階法較核心土法大10%～50%，CD法較核心土法小10%～50%，在水平收斂方面：臺階法較核心土法大40%～60%，CD 法較核心土法小10%～45%[8]。CRD 法和雙側壁導坑法采集樣本較少，個案表明，圍巖變形較核心土法減少約20%～60%。上述數據表明，在Ⅴ級圍巖條件下，相對于臺階法，預留核心土法能有效減少圍巖變形，增加作業面穩定性，但較之CD 法等分部開挖臨時支撐的方法來說，在控制圍巖變形方面尚不足。

表1 不同工法計算案例

在Ⅳ級圍巖雙線隧道、Ⅴ級圍巖單線隧道、Ⅵ級圍巖雙線隧道案例中，臺階法和預留核心土法圍巖變形基本相等，表明在Ⅳ級圍巖、Ⅵ級圍巖、單線隧道等條件下，預留核心土法較臺階法在控制圍巖變形上無太大優勢。

2.3 圍巖應力

圍巖應力是指地下洞室周圍巖石中單位面積上的內力強度，圍巖應力是判定圍巖穩定和洞室安全的重要因素，它可以通過理論分析、模型試驗和現場量測來確定，前述方法中按圍巖最大主應力比較得出：臺階法＞ 預留核心土法＞CD 法＞ 雙側壁導坑法；圍巖引領采集樣本較少，個案表明臺階法較核心土法大約40%，CD 法較核心土法小約10%～15%，雙側壁導坑法較核心土法小約40%[9]。上述分析表明預留核心土法較臺階法能較好地減少圍巖內部應力，控制圍巖塑性區發展，而與CD 法相比也較為接近，但與雙側壁導坑法相比在圍巖應力控制上則不足。

2.4 支護應力

隧道支護設計通常按圍巖不穩，支護幫助，遇強則強，遇弱則弱，按需提供，先柔后剛，協調工作，監控量測，動態調整的原則，施工過程中隧道支護受力存在施作時間效應，而在數值模擬計算中則是通過應力釋放率來進行考慮，由于計算案例的應力釋放率取值略有不同，同時各案例條件的不同、分部開挖對圍巖擾動頻繁等原因，在各案例中比較發現：CD 法、CRD 法、雙側壁導坑法的支護應力與預留核心土法相比，并無統一規律，在V級圍巖條件下，有些小于核心土法，有些大于核心土法；而臺階法，由于開挖分部少，則統一表現為支護應力最大，但各案例計算數據除臺階法外，基本滿足規范的安全系數。上述分析表明，核心土法相對于臺階法有利于減少支護應力，而相較于CD 法等，則需根據實際情況進行分析。

3、預留核心土法的施工要點

3.1 核心土幾何尺寸

大量工程案例和研究表明，掌子面的穩定性隨著臺階長度和核心土長度的增加而增加，但長度超過0.5D 后增幅逐漸趨緩，同時由于臺階過長造成仰拱封閉成環時間滯后，反而會影響隧道洞室穩定性，因此通常臺階合理長度在0.5～1D 范圍[10]；核心土長度需＞3m，考慮作業便利，一般取3～5m。同樣，核心土的面積太小，發揮作用十分有限，通常不小于整個斷面面積的50%，而核心土的高度和寬度，應根據具體隧道斷面尺寸，開挖方法（兩臺階：上臺階預留核心土長度宜為3～5m，下臺階距離一般在5～7m、三臺階：上臺階預留核心土長度宜為3～5m，中臺階長度宜控制在2～3m，且左右側錯開2～3m，仰拱與下臺階距離宜控制在15～25m）、開挖方式（人工、機械）、超前支護形式（超前小導管、管棚）等進行具體設置，以便于實際施工作業需要，通常上臺階取4～5m 左右，核心土高度2.5～3.5m，核心土寬度為隧道開挖寬度的1/3～1/2。核心土邊坡坡率按土質條件一般取1:0.5～1:0.75。

3.2 初噴混凝土

隧道在開挖后應及時進行初期噴射混凝土養護。在這個階段，國內的隧道施工管理往往以進度為先，而最初的噴射混凝土過程往往被忽略了。事實上，在容易風化（軟化）和破壞的巖石中，如果能及時封閉開挖，使混凝土層緊緊地粘在周圍的巖石上，對圍巖表面以抗力和剪力，使圍巖處于有利的三面受力狀態，防止圍巖強度的惡化，噴射混凝土層本身可以防止不穩定塊體的沖擊滑移，噴射混凝土層具有柔性性能。可以控制使圍巖射入圍巖之間的開放性裂縫而不產生有害的變形，噴射混凝土可以射入圍巖之間的開放性裂縫，填充表面凹槽，使斷裂的巖石表面粘連，保護砌塊不被撕裂和鑲嵌，提高它們之間的粘附性和摩擦阻力，有利于圍巖的松動。避免噴射混凝土層直接粘結在巖石表面，形成風化和止水的保護層，防止填塞接縫裂縫。噴射混凝土層跟隨開挖過程及時養護，早期強度高，有效避免圍巖風化和軟化，控制圍巖變形，提高圍巖的自穩性[11]。在采用預留核心土法的掌子面穩定性較差的軟弱圍巖隧道，應將初噴混凝土納入關鍵工序管理。在開挖完成（或開挖分離）和找頂完成后，應立即進行初噴混凝土，以盡快封閉巖面，鋪設厚度應根據圍巖情況控制在3～5cm，視圍巖情況決定。

3.3 超前支護

超前支護是確保開挖工作面穩定和進入隧道施工項目的輔助措施。目前超前支護主要方式是超前管棚、小導管及自進式錨桿，洞內因作業空間有限，所以一般采用超前小導管，超前小導管注漿施工技術，是在灌漿法加固地基的基礎上發展起來的一項圍巖超前加固技術，它是在固結法的基礎上發展起來的一種地基加固方法，基本原理是在隧道開挖的周邊，將小通道以一定的角度向前推進到基巖中，通過水泥泵的壓力，使水泥漿通過小通道滲透并擴散到巖層的孔隙或裂縫中，從而改善巖體的物理和力學性能[12]。在溝槽面的自承式拱門、巖層周圍形成加固套管，有效限制了巖層的松弛和變形，從而達到提高溝槽面巖層的自穩能力，延長巖層自穩期的目的。然而，在隧道洞口的淺埋部分或當圍巖的自穩定性較弱時，應考慮使用大型或中型管棚系統。有時還可以增加鋼筋籠，與強鋼筋斷面組合成一個系統，對自穩性較弱的圍巖進行預支撐和加固，對防止軟弱圍巖的下沉、松動和崩塌，保證施工安全起到很大作用。在洞口中使用中型管棚時，應優化下層土壤的大小和形狀，以適應管棚的結構需要，并適當調整管棚的外部角度。自走式錨桿是一種集鉆孔、固井、錨固功能于一體的錨桿。它在軟弱和斷裂的松散巖層中提供固結和錨定，可靠、高效且易于施工。用一個簡單的手鉆就可以安裝錨[13]。使用特殊的塞子和灌漿接頭可以進行高壓灌漿，提供灌漿效率，并且易于操作，可以快速灌漿。超前支護應注意周長和灌漿質量，否則將達不到預期效果。

3.4 開挖

采用預留核心土法一般采用機械輔以人工開挖。若圍巖需要爆破，則可以通過輔助措施等方法，提高圍巖穩定性，盡量實現臺階法開挖為宜，而不采用預留核心土法。應根據實際情況和監控量測結果，以安全為前提，控制單次開挖進尺，盡快封閉巖面，通常Ⅴ級圍巖上臺階不超過2 榀拱架或1.5m，中、下臺階不超過4 榀拱架或3m，仰拱一次不超過6m。中、下臺階兩側應錯開施工，錯開距離3～5m。

3.5 鎖腳錨管

預留核心土法與CD 法等方法相比無臨時支護，支護結構整體強度和剛度相對較弱。因此必須重視鎖腳錨管施工質量，以提高鋼架受力性能[14]。施工中通常采用φ42鋼管，由于作業空間有限，深度一般為4.5m 左右，特殊地層可能采用φ89 鋼管，長度6m，則必須通過簡易潛孔鉆來實施。錨管與豎直方向夾角通常取20°與40°，與鋼架之間采用“L”形鋼筋焊接。

結語：

（1）預留核心土法能較好地改善隧道掌子面穩定性，較CD 法等分部開挖方法相比在進度和成本上有較大的優勢，在軟弱地層隧道施工工法比選上，應盡量推選，通過研究，在確保安全的基礎上優先選用。

（2）預留核心土法適用于淺埋、軟弱圍巖（V 級圍巖）等具有一定自穩性的雙線隧道；對于Ⅵ級圍巖，則應采用大管棚、超前預加固等輔助措施后再考慮是否采用。但預留核心土對圍巖變形（地表沉降）控制效果不如CD 法等，在地表沉降控制嚴格地區不宜采用。

（3）預留核心土存在合理尺寸范圍和最優尺寸選擇，在設計施工中，應通過研究確定，以提高施工安全。

（4）預留核心土法應重視初噴混凝土、開挖步序、開挖進尺、鎖腳錨桿等施工要求和施工質量，方能成功運用。