大斷面大變形軟巖隧道開(kāi)挖新方法探索

◎ 中鐵隧道集團(tuán)四處有限公司 韓靜玉

引言

據(jù)有關(guān)部門對(duì)軟巖隧道施工進(jìn)行的不完全統(tǒng)計(jì)，從2006年到2010年的4年時(shí)間內(nèi)，軟弱圍巖隧道發(fā)生事故共28起，對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，軟弱圍巖隧道事故主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：一是洞口坍方占20%；二是掌子面變形坍方占33%；三是掌子面后方坍方“關(guān)門”占47%。究其原因，主要有兩個(gè)方面，一是客觀上地質(zhì)和環(huán)境的復(fù)雜性，二是主觀上技術(shù)措施、施工方法及工藝、現(xiàn)場(chǎng)管理等原因。說(shuō)明軟巖隧道施工控制變形坍方對(duì)各施工單位都是需要解決的難題。

1 目前采用的施工方法及導(dǎo)致初期支護(hù)下沉的原因分析

在施工過(guò)程中由于初期支護(hù)下沉過(guò)大給隧道施工帶來(lái)極大麻煩，部分軟弱地質(zhì)隧道因初期下沉，花費(fèi)了大量財(cái)力和物力換拱，有的甚至發(fā)生了安全事故，一般情況下，當(dāng)變形量達(dá)150～250 mm時(shí)，拱部噴混凝土開(kāi)始出現(xiàn)微裂紋;當(dāng)變形量達(dá)250～350 mm時(shí),拱部噴混凝土開(kāi)始出現(xiàn)龜裂，當(dāng)變形量達(dá)350～450 mm時(shí),拱部噴混凝土開(kāi)始出現(xiàn)局部掉快;當(dāng)變形量達(dá)450～600 mm時(shí)，工字鋼架開(kāi)始扭曲變形,繼續(xù)發(fā)展將發(fā)生坍方，找出導(dǎo)致下沉的原因，尋求更好的解決方法，對(duì)軟弱圍巖隧道施工是非常有意義的。

1.1 地質(zhì)原因

顯著變質(zhì)的巖類有片巖、強(qiáng)風(fēng)化千枚巖、膨脹性凝灰?guī)r、軟質(zhì)粘土層、強(qiáng)風(fēng)化的凝灰?guī)r、凝灰?guī)r和泥巖分互層、泥巖破碎帶和礦化變質(zhì)粘土等是導(dǎo)致隧道變形的主要因素，若單純靠改變地質(zhì)的方法來(lái)控制下沉其成本較高，如水平旋噴樁預(yù)加固措施，全隧全環(huán)施作長(zhǎng)管棚或全隧全斷面超前注漿，這是成本和工期都不允許的。

1.2 由施工方法方面引起的原因分析

通過(guò)對(duì)施工過(guò)程中導(dǎo)致下沉過(guò)大的各種因素分析，探索軟弱地質(zhì)條件下減小下沉的新施工方法，是本文要探索的主題。在軟弱圍巖地質(zhì)條件下大斷面隧道施工時(shí)，國(guó)內(nèi)目前主要采用的開(kāi)挖及支護(hù)方法主要三臺(tái)階六部法、CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，根據(jù)不同的圍巖選用不同的方法，每種方法對(duì)地質(zhì)有一定的適宜性。

（a）三臺(tái)階六部法工序圖（如圖1）

三臺(tái)階法施工步序：①—上臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)（開(kāi)挖長(zhǎng)度7～10m）；②—左中臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)（開(kāi)挖長(zhǎng)度4～7m）；③—右中臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)（開(kāi)挖長(zhǎng)度4～7m）；④—左下臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)（開(kāi)挖長(zhǎng)度10～15m）；⑤—右下臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)（開(kāi)挖長(zhǎng)度10～15m）；⑥仰拱開(kāi)挖支護(hù)。從上述施工步序看仰拱開(kāi)挖支護(hù)是最后的工序。然而該工序卻是保證隧道基礎(chǔ)穩(wěn)固的關(guān)鍵工序。在上臺(tái)階開(kāi)挖過(guò)程中，為了穩(wěn)定掌子面需留核心土，拱腳兩側(cè)通常是用挖機(jī)開(kāi)挖的，難以控制高程，經(jīng)常出現(xiàn)超挖現(xiàn)象，導(dǎo)致拱腳立在虛碴上，即使墊上小塊木板或鋼板也難保證拱腳牢固。由于上臺(tái)階中部留核心土兩側(cè)空間太小，上斷面拱腳處的鎖腳錨管（錨桿）無(wú)法按設(shè)計(jì)施作到位，在地應(yīng)力作用下導(dǎo)致上臺(tái)階拱架下沉。地下水豐富的隧道，多臺(tái)階施工時(shí)因排水不暢上臺(tái)階拱腳也是經(jīng)常被水浸泡的部位，加速了拱架下沉。中下臺(tái)階開(kāi)挖更是將一個(gè)基本穩(wěn)定的上臺(tái)階拱腳再次松動(dòng)，同樣存在拱腳超挖問(wèn)題，進(jìn)一步加速了上臺(tái)階拱架下沉速度，中下部初期支護(hù)大約需要30天左右才能封閉成環(huán)，這期間的下沉量非常大，導(dǎo)致很多隧道變形換拱甚至塌方。

圖1 三臺(tái)階法施工

（b）CRD法施工工序圖（如圖2）

CRD法施工步序：①部開(kāi)挖支護(hù)。超前預(yù)支護(hù)，風(fēng)鎬開(kāi)挖，每循環(huán)進(jìn)尺0.5～0.6m，開(kāi)挖后及時(shí)封密成環(huán)，臨時(shí)仰拱間隔2～3m預(yù)留空洞，以便翻碴至②部，臺(tái)階長(zhǎng)度3m左右。②部開(kāi)挖支護(hù)。超前預(yù)支護(hù)，利用PC120小挖機(jī)開(kāi)挖，風(fēng)鎬配合修邊，每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺0.5～0.6m，開(kāi)挖后及時(shí)封閉成環(huán)，裝載機(jī)出碴。③④部開(kāi)挖支護(hù)，施工方法同①②部，③部落后②部5～10m，④部落后③部3 m左右。⑤⑥部開(kāi)挖支護(hù)，施工方法同③④部。①②③④部開(kāi)挖至比較好的圍巖后，掌子面合并為三臺(tái)階施工，PC120小挖機(jī)及裝載機(jī)配合開(kāi)挖⑤部，⑥部作為運(yùn)輸通道，開(kāi)挖⑥部時(shí)，⑤部作為運(yùn)輸通道。當(dāng)?shù)冖俨介_(kāi)挖后，鋼拱架底部架設(shè)在土上或木板（鋼板）上，由于鋼拱架底部沒(méi)有一個(gè)穩(wěn)固的基礎(chǔ)，在上部荷載的作用下，拱架在不斷的下沉，只有在全斷面的所有工作面全部完成后，即鋼拱架全斷面封閉成環(huán)后，下沉才基本停止。在沒(méi)有封閉成環(huán)的時(shí)間里，每個(gè)工段的鋼拱架每天都在下沉。而更重要的是當(dāng)?shù)冖俨绞┕ね瓿珊?，在進(jìn)行第②步施工時(shí)，是把第①步施工的鋼拱架底部的基礎(chǔ)挖空，然后安裝第2步的鋼拱架。這就使第①步的鋼拱架處于懸空狀態(tài)，也就使第步①的鋼拱架產(chǎn)生了新一輪的更嚴(yán)重的下沉。

圖2 CRD工法斷面布置

（c）雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序圖（如圖3）

雙側(cè)壁導(dǎo)法施工步序：①部開(kāi)挖支護(hù)，超前預(yù)支護(hù)，風(fēng)鎬開(kāi)挖，每循環(huán)進(jìn)尺0.5～0.6m，開(kāi)挖后及時(shí)封密成環(huán)，臨時(shí)仰拱間隔2～3m預(yù)留空洞，人工翻碴至②部，臺(tái)階長(zhǎng)度3m左右。②部開(kāi)挖支護(hù)，超前預(yù)支護(hù)，利用PC120小挖機(jī)開(kāi)挖，風(fēng)鎬配合修邊，循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺與①部同步，開(kāi)挖后及時(shí)封閉成環(huán)，裝載機(jī)出碴。③④部開(kāi)挖支護(hù)，施工方法同①②部，③部落后②部5～10m，④部落后③部3 m左右。⑤部開(kāi)挖支護(hù)。落后④30m左右，PC120小挖機(jī)開(kāi)挖并翻碴至⑦部，風(fēng)鎬配合修邊，每循環(huán)進(jìn)尺0.5～0.6m，架設(shè)左側(cè)拱部初支拱架及臨時(shí)中立柱。⑥部開(kāi)挖支護(hù)。落后⑤1m左右，PC120小挖機(jī)開(kāi)挖并翻碴至⑦部，風(fēng)鎬配合修邊，每循環(huán)控制進(jìn)尺與⑤部同步，架設(shè)右側(cè)拱部初支拱架及拆除臨時(shí)中立柱。⑦部開(kāi)挖支護(hù)。落后⑥3m左右，PC120小挖機(jī)開(kāi)挖并翻碴至⑧部，循環(huán)控制進(jìn)尺與⑤⑥部同步，落后3～5m架設(shè)臨時(shí)橫撐，以便為PC120小挖機(jī)預(yù)留操作空間。⑧部開(kāi)挖支護(hù)。落后⑦3m左右，PC120小挖機(jī)開(kāi)挖，裝載機(jī)出碴，每循環(huán)控制進(jìn)尺與⑦部同步，初支仰拱及時(shí)合環(huán)。該工法造成初期支護(hù)下沉的原因與CRD工法的類似。

圖3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

2 新開(kāi)挖方法—長(zhǎng)錨桿（錨索）超前支護(hù)加下部群洞開(kāi)挖法

2.1 長(zhǎng)錨桿（錨索）超前支護(hù)

預(yù)應(yīng)力錨索（錨桿）能提供較高的支護(hù)抗力、長(zhǎng)系統(tǒng)注漿錨管加固圍巖縮小松動(dòng)圈，起到主動(dòng)支護(hù)，控制圍巖變形，確保施工安全的作用，是大變形軟巖隧道施工的核心工序，同時(shí)能探明前方地質(zhì)狀況，起到超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的作用，解決好長(zhǎng)錨桿（錨索）施工效率和效果，就可以組織快速的分部循環(huán)作業(yè)，快速封閉支護(hù)結(jié)構(gòu)，提高工效，是解決大變形隧道施工的關(guān)鍵，國(guó)內(nèi)外軟弱圍巖典型擠壓性變形隧道(奧地利陶恩隧道、阿爾貝格隧道、日本惠那山隧道及我國(guó)家竹箐隧道等)的成功治理經(jīng)驗(yàn)證明，長(zhǎng)錨桿是主動(dòng)控制軟弱圍巖大變形的主要手段。應(yīng)按照“錨桿打入圍巖松動(dòng)圈外穩(wěn)定巖層中不小于2 m”的原則確定錨桿長(zhǎng)度，以使其形成較厚的圍巖加固圈，從而控制圍巖松弛變形范圍，減少變形量及作用于被動(dòng)控制變形的支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)上的荷載，節(jié)省工程投資。

圖4 群洞工序圖

2.2 群洞法施工步序

通過(guò)對(duì)上述三種軟巖常用工法導(dǎo)致初期支護(hù)下沉的原因分析研究，提出一種新的施工方法，即長(zhǎng)錨桿（錨索）超前支護(hù)加下部群洞開(kāi)挖法，下部群洞開(kāi)挖法其基本原理也是將大斷面劃分為小斷面，減小開(kāi)挖跨度，先穩(wěn)固下部再開(kāi)挖上部的施工方法。采用臨時(shí)支護(hù)的方法首先在隧道下部開(kāi)挖幾個(gè)導(dǎo)洞，同時(shí)在導(dǎo)洞內(nèi)做好初期支護(hù)的仰拱部分，為上部拱架打下一個(gè)穩(wěn)固的基礎(chǔ)，以減少拱架下沉量，如圖4。

2.3 群洞法施工步序

①先施工中導(dǎo)洞；②再施工兩側(cè)導(dǎo)洞；③以兩側(cè)導(dǎo)洞為基礎(chǔ)，沿上部輪廓開(kāi)挖并安裝上部鋼拱架；④以群洞初期支護(hù)為基礎(chǔ)，挖除上部芯土；⑤拆除群洞臨時(shí)支護(hù)施工。

2.4 控制初期支護(hù)下沉的措施

群洞臨時(shí)支護(hù)采用強(qiáng)度較高的工字鋼，間距與正洞初期支護(hù)的鋼拱架相對(duì)應(yīng)，并與初期支護(hù)的鋼拱架用螺栓連接，便于拆卸。拱架上按設(shè)計(jì)間距焊接套管，2榀臨時(shí)拱架之間聯(lián)接筋采用套管聯(lián)接，聯(lián)接筋背后安裝木板，用于擋土。臨時(shí)支護(hù)采用跳噴混凝土，即每隔5榀噴1榀，便于拆裝，以便下一區(qū)段重復(fù)利用。下面對(duì)下部群洞開(kāi)挖法各方面的情況進(jìn)行分析。

臨時(shí)導(dǎo)洞穩(wěn)定性分析。①中洞開(kāi)挖一般控制在某種程度5m×5m左右。在原狀土里開(kāi)挖一個(gè)截面為500cm×500cm、上下都為弧形的導(dǎo)洞，且以I20工字鋼及擋土木板作為支護(hù)。②中洞形成了，兩側(cè)的導(dǎo)洞也便于形成。③臨時(shí)支架安全分析。I20工字鋼截面積39.5cm2，屈服強(qiáng)度2800kg／cm2，承載力p＝39.5×2800＝110600kg≈100 t，大型挖掘機(jī)自重20t，按由4根立柱承擔(dān)，每根立柱5 t，安全系數(shù)k＝100÷5＝20。計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，即使采用大型挖掘機(jī)在臨時(shí)支護(hù)上操作，也安全可靠，且有很大的安全儲(chǔ)備。土壓力對(duì)拱架產(chǎn)生的內(nèi)力難以準(zhǔn)確計(jì)算，但根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)洞按正洞間距架設(shè)拱架并跳噴砼，通過(guò)定性分析和經(jīng)驗(yàn)應(yīng)該是安全的。④上部環(huán)形開(kāi)挖留核心土的可行性分析。上部環(huán)形開(kāi)挖留核心土的方法同常規(guī)微臺(tái)階施工方法，應(yīng)該更安全。⑤初期支護(hù)拱架安全性分析。由于影響初期支護(hù)拱架安全的因素很多，難以定量分析，影響因素有土的物理力學(xué)性質(zhì)、含水量大小、回填土的厚度、施工時(shí)間長(zhǎng)短、下沉量大小、拱架拼裝質(zhì)量等，定性分析屬于安全。

理由是：a)全拱與半拱軸力相等。把初期支護(hù)上半部分的鋼拱架進(jìn)行力學(xué)分析可以知道，把上半部分鋼拱架一次性施工安裝與CRD法的分Ⅰ、Ⅲ部2次安裝（即先安裝一半）進(jìn)行比較，全拱與半拱軸力是相等的，而且全拱內(nèi)力以軸力為主，彎矩很小，改善了受力條件。而先安裝Ⅰ部半拱拱架，Ⅰ部拱架易產(chǎn)生大的彎矩。b)由于是自下而上的施工，有利于保證鋼拱架的拼裝質(zhì)量，鋼拱架安裝質(zhì)量提高了，承載能力也提高了。c)圍巖保護(hù)好，自穩(wěn)能力提高，減小了鋼拱架的荷載。d）在下部導(dǎo)洞形成后，最有效的排除了上部土壤中的水分，改善了土的物理力學(xué)性質(zhì)，也即減小了上部初期支護(hù)拱架的荷載。

3 結(jié)論

在軟弱地質(zhì)條件下大斷面隧道施工時(shí)，長(zhǎng)錨桿（錨索）超前支護(hù)將可有效改良隧道前方地質(zhì)重要條件，下部群洞將大斷面變成多個(gè)斷面洞室，從下往上施工，可有效控制初期支護(hù)下沉和收斂問(wèn)題。而且施工比三臺(tái)階法、CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)洞法安全、速度快、質(zhì)量好，二次襯砌及時(shí)跟近，初期支護(hù)變形時(shí)間較短，可實(shí)現(xiàn)基本不變形，減小預(yù)留沉降量設(shè)置，節(jié)約回填砼方量，可明顯降低工程造價(jià)。因此，在軟弱地質(zhì)條件下大斷面、超大斷面隧道施工時(shí)，長(zhǎng)錨索（錨桿）超前支護(hù)加下部群洞法應(yīng)是未來(lái)隧道施工首選工法。