隧道工程開挖方法優(yōu)化設(shè)計(jì)

王小虎

（北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司，北京 100855）

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通事業(yè)發(fā)展的規(guī)模愈來愈大，質(zhì)量要求愈來愈高，為了提高交通效率和通行安全，隧道建設(shè)規(guī)模在不斷擴(kuò)大，已經(jīng)成為鐵路、公路、城市交通中不可或缺的施工工程之一[1]。受地形、地貌及水文地質(zhì)等條件影響，隧道開挖不可避免地要穿越特殊地質(zhì)條件、富水地層和流砂層等復(fù)雜工程地質(zhì)區(qū)段，給工程的施工、建設(shè)、運(yùn)維等多方面帶來影響。所以在隧道開挖前，必須對隧道選址的氣象水文、地形地貌、巖土體工程地質(zhì)特征等施工條件進(jìn)行勘探，基于勘探結(jié)果進(jìn)行評價(jià)提出最為合理的隧道開挖施工方案[2]。根據(jù)JTG/T D70—2010《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》中要求，隧道施工過程中，必須對現(xiàn)場施工的地質(zhì)等條件進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測和預(yù)報(bào)，并與原有結(jié)果進(jìn)行核對，基于對比結(jié)果及時(shí)對施工方案進(jìn)行評價(jià)和動態(tài)調(diào)整，確保隧道施工建設(shè)安全[3]。

1 工程概況

1.1 隧道施工概況

本文以德陽市青衣江某隧道工程為例，該隧道全長359 m，雙洞三車道布置，單線延米總長為715 m，設(shè)計(jì)為暗挖隧道，按照新奧法原理進(jìn)行施工，明洞段采用明挖法施工，暗挖段采用鉆爆法施工，隧道為小凈距隧道，隧道最小凈距17.16 m，主洞建筑限界凈寬15.75 m，限高5.0 m；開挖寬度19.25 m，隧道內(nèi)輪廓寬16.42 m，高10.53 m，開挖斷面207.7 m2；隧道最大埋深51 m，洞身主要圍巖為強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖和中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，施工過程中采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，施工安全風(fēng)險(xiǎn)高。二次襯砌采用全斷面鋼模整體式液壓襯砌臺車（配鋼端模）施工，二次襯砌厚0.9 m。

隧道工程施工區(qū)范圍內(nèi)地貌單一，雖場地內(nèi)分布有自然形成的陡邊坡，根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查目前無自然滑坡、崩塌等不良地質(zhì)作用，主要受暴雨季節(jié)及巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育的影響，偶見有小崩滑現(xiàn)象。根據(jù)水質(zhì)分析成果報(bào)告，本工程區(qū)地下水為HCO3-Ca2+·Mg2+型水；上層滯水pH 為7.55；根據(jù)JTG C20—2011《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》附錄K 判定：擬建場地環(huán)境類別為Ⅱ類，工程區(qū)地下水對混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性。該隧道為Ⅴ級圍巖，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，如圖1 所示。首先施作超前支護(hù)，后進(jìn)行雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖支護(hù)。施工順序如下：中夾巖柱側(cè)導(dǎo)坑上臺階開挖Ⅰ，施作初期支護(hù)，臨時(shí)支護(hù)①；中夾巖柱側(cè)導(dǎo)坑下臺階開挖Ⅱ，施作初期支護(hù)，臨時(shí)支護(hù)②；另側(cè)導(dǎo)坑上臺階開挖Ⅲ，施作初期支護(hù)，臨時(shí)支護(hù)③；另側(cè)導(dǎo)坑上臺階開挖Ⅳ，施作初期支護(hù)，臨時(shí)支護(hù)④；拱部及核心土上臺階開挖Ⅴ，施作主洞拱部初期支護(hù)⑤；核心土中臺階開挖Ⅵ；核心土下臺階開挖Ⅶ，施作主洞初期支護(hù)⑦；拆除臨時(shí)支撐，施作仰拱鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及仰拱填充⑧；采用模板臺車施作拱墻全斷面二次襯砌⑨。

圖1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工工序圖

1.2 隧道洞身開挖方法優(yōu)化調(diào)整原因

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)素描、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、巖石試驗(yàn)、監(jiān)控量測等信息顯示，地質(zhì)情況：現(xiàn)場實(shí)際圍巖巖石天然強(qiáng)度比勘察設(shè)計(jì)提出的相對較高一些，中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖較多，其他基本與原勘察設(shè)計(jì)一致；監(jiān)控量測情況：地表累計(jì)下沉量為5.9 mm，拱頂累計(jì)下沉量為4.8 mm，水平凈空收斂累計(jì)為16.2 mm，與設(shè)計(jì)提出的預(yù)留變形量200 mm 有較大出入，初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)的安全性較高；施工技術(shù)條件：①雙側(cè)壁導(dǎo)坑法爆破開挖把整個(gè)斷面分成7 塊分別依次開挖，由于均需爆破作業(yè)，每個(gè)導(dǎo)坑上下臺階無法同時(shí)組織施工，施工順序及組織相對較難，并嚴(yán)重影響施工進(jìn)度；上一循環(huán)完成后立即組織下一循環(huán)作業(yè)，爆破對臨時(shí)支護(hù)影響較大，特別是臨時(shí)仰拱受爆破變形較大；另每塊開挖斷面小，用炸藥量相對較多，成本也有一定的增加。綜上考慮爆破作業(yè)，由于圍巖巖質(zhì)較硬，需爆破作業(yè)，小斷面導(dǎo)坑爆破影響因素較多，需調(diào)整一次開挖斷面面積。②雙側(cè)壁導(dǎo)坑法機(jī)械開挖也是把整個(gè)斷面分成7 塊分別依次開挖，巖石屬于砂質(zhì)泥巖，局部為砂巖，巖質(zhì)較硬，用破碎錘不易破碎，機(jī)械開挖時(shí)間久；開挖斷面按雙側(cè)壁七步導(dǎo)坑施工，每個(gè)導(dǎo)坑斷面約為30 m2，施工空間小，對大型機(jī)械正常運(yùn)轉(zhuǎn)有一定的限制；每個(gè)導(dǎo)坑上下臺階無法同時(shí)組織施工，施工順序及組織相對較難，并嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。綜上由于巖質(zhì)較硬，需大型機(jī)械開挖作業(yè)，但由于每個(gè)導(dǎo)坑斷面較小，大型機(jī)械無法組織施工，需調(diào)整一次開挖斷面面積。

2 隧道洞身開挖方法優(yōu)化調(diào)整

2.1 施工工藝選擇

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》相關(guān)要求[3]，在隧道施工過程中，應(yīng)進(jìn)行動態(tài)設(shè)計(jì)與信息化施工，即應(yīng)當(dāng)對已完成開挖的地段進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境、圍巖等級等進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測監(jiān)控，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對工程施工開挖方法、支護(hù)參數(shù)等進(jìn)行動態(tài)合理調(diào)整，確保隧道施工過程的安全，達(dá)到隧道施工安全、節(jié)約工程投資的目的。①動態(tài)設(shè)計(jì)應(yīng)依據(jù)施工過程中反饋的各種信息，包括超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測數(shù)據(jù)掌子面的地質(zhì)描述和揭露的地質(zhì)條件等，通過分析與評價(jià)所獲得信息，并與預(yù)設(shè)計(jì)時(shí)的地質(zhì)資料相對比，確定地質(zhì)變化情況，對隧道施工方法（包括特殊的、輔助的施工方法）、斷面開挖步驟及順序、支護(hù)參數(shù)等進(jìn)行相應(yīng)合理的調(diào)整。②隧道土建工程設(shè)計(jì)應(yīng)貫徹動態(tài)設(shè)計(jì)與信息化施工的思想，制訂地質(zhì)觀察、預(yù)報(bào)和監(jiān)控量測的總體方案，為動態(tài)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)和施工方法。

根據(jù)隧道施工過程中的地質(zhì)、監(jiān)控量測、施工技術(shù)條件等因素分析，青衣江隧道為雙向三車道分離式隧道，圍巖級別為Ⅴ級圍巖，根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》中施工開挖方法分類，可采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法及CRD 開挖法，但結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際圍巖巖質(zhì)較硬，需爆破或大型機(jī)械開挖，參考大型機(jī)械開挖對凈空的要求，我單位建議將開挖方法調(diào)整為采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法。

2.2 單側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖的施工工藝及方法

單側(cè)壁導(dǎo)坑法將斷面分成兩大塊，其中每一塊采用上下臺階法開挖。側(cè)壁導(dǎo)坑尺寸應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、斷面形狀、機(jī)械設(shè)備和施工條件而定，其寬度宜為0.5 倍洞寬。臨時(shí)中隔壁可設(shè)置為弧形或直線，其強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件確定，如圖2 所示。施工作業(yè)順序?yàn)椋旱谝唬陨舷屡_階法開挖側(cè)壁導(dǎo)坑，并進(jìn)行初期支護(hù)（錨桿加鋼筋網(wǎng)，或錨桿加鋼支撐，或鋼支撐，噴射混凝土），應(yīng)盡快使導(dǎo)坑的初期支護(hù)閉合；第二，相隔30～50 m 后，以上下臺階法開挖另一側(cè)導(dǎo)坑，使其一側(cè)支承在導(dǎo)坑的初期支護(hù)上，并盡快施作底部初期支護(hù)，使全斷面閉合；第三，拆除導(dǎo)坑支護(hù)中的臨時(shí)初期支護(hù)；第四，澆筑二次襯砌。

圖2 單側(cè)壁導(dǎo)坑施工工藝流程圖

2.3 方案對比

2.3.1 工程數(shù)量變化情況

由于施工方案的優(yōu)化調(diào)整與主體工程工程量無影響，僅從臨時(shí)支護(hù)的雙側(cè)壁優(yōu)化調(diào)整至單側(cè)壁，其他相關(guān)參數(shù)與原設(shè)計(jì)一致，具體臨時(shí)支護(hù)工程量變化情況見表1。

表1 臨時(shí)支護(hù)每延米工程數(shù)量表（單洞）

2.3.2 建設(shè)投資變化情況

由于從雙側(cè)壁導(dǎo)坑法優(yōu)化調(diào)整為單側(cè)壁導(dǎo)坑法，導(dǎo)致臨時(shí)支護(hù)工程量減少，計(jì)劃優(yōu)化調(diào)整為單側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖方法共計(jì)513 延米，根據(jù)目前核定清單單價(jià)計(jì)算（局部清單單價(jià)有誤），每優(yōu)化調(diào)整1 延米工程造價(jià)減少9 847.24 元，共計(jì)優(yōu)化調(diào)整513 延米，累計(jì)工程造價(jià)減少5 051 632 元，見表2。

表2 開挖方法優(yōu)化調(diào)整后費(fèi)用增減情況表

2.3.3 工程進(jìn)度情況

1）施工計(jì)劃。根據(jù)已審批的隧道專項(xiàng)施工方案，開挖及支護(hù)分部的進(jìn)度指標(biāo)為1 m/d，進(jìn)出口30 m淺埋0.5 m/d，左洞計(jì)劃進(jìn)洞日期為2020年11月14日，計(jì)劃貫通日期為2021年11月13日；右洞計(jì)劃進(jìn)洞日期：2020年12月19日，計(jì)劃貫通日期為2021年12月21日；

2）目前情況。載止目前現(xiàn)場已完成左洞開挖支護(hù)24.6 m，右洞兩側(cè)導(dǎo)坑累計(jì)完成開挖支護(hù)10 m，折算完成1.5 m，進(jìn)度目前滯后，主要影響進(jìn)度原因?yàn)椋孩俣局匚廴咎鞖饧捌渌蛴绊懀镜卣笸９ぃ塾?jì)停工10 d；②火工品的使用時(shí)間影響，每天0 時(shí)至10時(shí)（早晨派出所上班后到工地監(jiān)管后才能放炮），每天影響10 h，進(jìn)度指標(biāo)影響近4 成；③機(jī)械開挖由于多種方案比選，影響施工進(jìn)度。綜上所述，由于火工品的使用受影響，計(jì)劃1 a 貫通的青衣江隧道，需1.7 a 才能貫通，加之后期二襯、洞門、附屬、路面和電消交專業(yè)等，需2.7 a 才能竣工，如按2020 年9 月25 日開工計(jì)算，需2023 年9 月10 日才能竣工，這也僅考慮全部日歷天施工，由于政府等不可控原因停工未計(jì)算在內(nèi)。

3）方案優(yōu)化調(diào)整后施工計(jì)劃。單側(cè)壁開挖較雙側(cè)壁開挖相對簡單，但也需分部開挖，根據(jù)我單位施工經(jīng)驗(yàn)開挖及支護(hù)分部的進(jìn)度指標(biāo)為1.5 m/d。①爆破開挖。考慮火工品的影響，進(jìn)度指標(biāo)應(yīng)調(diào)整為1 m/d，雖前期工期有一定滯后，如后期由于政府等不可控原因停工較少，可通過搶工期的措施確保施組計(jì)劃及合同工期按期完成。②機(jī)械開挖。如選定工效良好的大型機(jī)械開挖，由于機(jī)械本身原因，部分下臺階及全部仰拱需爆破施工，進(jìn)度指標(biāo)可控制在1.5 m/d，雖前期工期有一定滯后，如后期由于政府等不可控原因停工累計(jì)在45 d內(nèi)，能確保合同工期按期完成。

2.3.4 施工安全情況

從雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖優(yōu)化調(diào)整為單側(cè)壁導(dǎo)坑開挖，由于減少了臨時(shí)支護(hù)工程量，安全系數(shù)降低，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，但施工過程中加強(qiáng)監(jiān)控量測，根據(jù)量測數(shù)據(jù)可增設(shè)仰拱、橫撐等臨時(shí)支護(hù)措施，確保施工安全，如量測變形數(shù)據(jù)仍過大，及時(shí)調(diào)整為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖。

2.3.5 施工質(zhì)量情況

從雙側(cè)壁導(dǎo)坑開挖優(yōu)化調(diào)整為單側(cè)壁導(dǎo)坑開挖，僅對臨時(shí)支護(hù)進(jìn)行調(diào)整減小，僅涉及臨時(shí)工程，對主體工程無影響，因此，優(yōu)化調(diào)整開挖方法對工程質(zhì)量無影響。

3 結(jié)束語

隧道施工方案的優(yōu)化調(diào)整應(yīng)以施工安全和施工質(zhì)量為前提，兼顧工程工期要求和成本投入。所以，施工年方案優(yōu)化調(diào)整必須基于對現(xiàn)場施工安全、現(xiàn)場施工環(huán)境、設(shè)備設(shè)施投入、成本控制和質(zhì)量要求等充分論證評價(jià)的前提下實(shí)施的。為了保證現(xiàn)場施工安全，必須按照相關(guān)要求強(qiáng)化動態(tài)監(jiān)測和信息化管理。同時(shí)，要充分依托原有方案設(shè)計(jì)，尤其在設(shè)備設(shè)施投入、成本控制等方面，要對機(jī)械設(shè)備投入進(jìn)行細(xì)化方案設(shè)計(jì)和對比，在保證安全和工期要求的基礎(chǔ)上優(yōu)化選擇。