大斷面黃土隧道施工工法研究

石 磊，侯小軍，武進(jìn)廣

(1.中鐵七局集團(tuán)有限公司，河南鄭州 450016;2.中鐵一局集團(tuán)有限公司，陜西西安 710000)

0 引言

隨著公路運(yùn)輸能力的大幅度提升，隧道建設(shè)己開始跨入“大斷面化”時代，傳統(tǒng)的挖掘方法已經(jīng)基本被淘汰，取而代之的是更快速、更安全、更有利于圍巖及掌子面穩(wěn)定的多種大斷面開挖掘進(jìn)施工新技術(shù)，如臺階法、CD 法、CRD 法、TBM 法和導(dǎo)坑法等［1－2］。施工技術(shù)的改進(jìn)和發(fā)展對大斷面隧道建設(shè)產(chǎn)生了巨大的影響，不僅加快了大斷面隧道的建設(shè)速度，而且促使隧道斷面形式、施工方式日趨經(jīng)濟(jì)、合理和科學(xué)［3］。

由于公路隧道存在跨徑大、斷面大、扁平率小等設(shè)計特點(diǎn)，尤其是在開挖后受到變形控制等因素影響，施工難度很大。陳懷慶［4］對采用三臺階預(yù)留核心土法、CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法處理大溶洞、松散堆積體、富水段等隧道不良地質(zhì)段進(jìn)行了論述;王文權(quán)［5］認(rèn)為在軟弱地層條件下，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是大跨度隧道施工的合理方法之一;黃明波［6］對臺階法在大跨水洞隧道中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述;柴江［7］對黃土公路隧道采用超前支護(hù)臺階法施工進(jìn)行了分析和研究?？梢钥闯?，以上研究對大斷面隧道或黃土隧道的工法適應(yīng)性做了深入探討，但對單洞三車道黃土公路隧道施工工法的適應(yīng)性以及控制大變形措施研究較少。本文以墩梁隧道為背景，通過隧道施工現(xiàn)場監(jiān)控量測分析，比較了雙側(cè)壁導(dǎo)坑、單側(cè)壁導(dǎo)坑和三臺階開挖施工工法在大斷面黃土隧道中的適用性及優(yōu)缺點(diǎn)，得出了不同施工工法控制大變形的措施，可為類似隧道工程施工提供借鑒。

1 工程概況

墩梁隧道為神府高速公路控制性工程之一，隧道所處區(qū)域?yàn)辄S土梁崗區(qū)、黃土梁峁溝壑區(qū)地貌，設(shè)計為雙向六車道分離式黃土隧道，所處地段地形變化較為復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害較發(fā)育，主要穿越V級黃土圍巖，特殊巖土主要為濕陷性黃土。隧道左線起點(diǎn)樁號為LK25+720，終點(diǎn)樁號為 LK27+048，全長1 328 m;右線起點(diǎn)樁號為K25+705，終點(diǎn)樁號為K27+120，全長1 415 m。隧道內(nèi)襯砌輪廓線寬15.02 m，高8.30 m，按新奧法設(shè)計施工，采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，設(shè)計時速為80 km/h，建筑限界凈寬14.25 m，凈高5.2 m。隧道設(shè)計為三心圓，最大開挖高度12.19 m，最大開挖寬度17.316 m，扁平率為0.703，為目前公路黃土隧道最大開挖斷面之一。

2 施工方法的選擇

2.1 開挖力學(xué)分析

隧道開挖后，由于周邊應(yīng)力解除，一部分范圍內(nèi)的巖體發(fā)生變形并向隧道內(nèi)移動，巖體中的初始應(yīng)力也隨著調(diào)整變化，并在一定范圍內(nèi)的巖體中進(jìn)行重新分布，使各種軟弱結(jié)構(gòu)面受到不同程度的破壞或松動;特別是爆破和風(fēng)化的影響，使節(jié)理、裂隙進(jìn)一步發(fā)展，因而，開挖后的巖體強(qiáng)度一般低于開挖前。

從力學(xué)角度來看，軟弱圍巖是一種在特定條件下具有顯著塑性變形的復(fù)雜力學(xué)介質(zhì)，主要表現(xiàn)為非線性大變形力學(xué)特性［8］。軟巖大斷面隧道的分次開挖過程實(shí)際上是對圍巖的不同部位時而做加載、時而做卸載的復(fù)雜加卸載過程［9］。根據(jù)軟巖的非線性大變形力學(xué)特性，不同的開挖(卸載)順序?qū)a(chǎn)生不同的圍巖變形結(jié)果［10］，因此，軟巖大斷面隧道施工應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際條件采用相應(yīng)的施工方法。

2.2 開挖方法的優(yōu)選

隧道開挖是一個不可逆的、非線性力學(xué)的動態(tài)演變過程，施工期和運(yùn)營期的隧道穩(wěn)定和這個過程緊密相關(guān)。大型地下工程，不管是水電洞室群，還是大跨度隧道，都避免不了分期或分部(塊)開挖，這不僅和工程地質(zhì)條件相關(guān)，而且還和施工硬件(開挖設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、支護(hù)材料及支護(hù)設(shè)備)密切相關(guān)，更離不開目前的施工經(jīng)驗(yàn)積累和理論成果水平。

施工方法的選擇應(yīng)以地質(zhì)條件為主要依據(jù)，結(jié)合工期、建筑物長度、斷面尺寸、結(jié)構(gòu)類型以及施工技術(shù)力量等因素綜合考慮，同時，要考慮在地質(zhì)條件變化的情況下變換施工方法的可能性。

本隧道主要穿越黃土梁卯溝壑區(qū)，地質(zhì)情況比較復(fù)雜，特殊巖土主要為濕陷性黃土。根據(jù)設(shè)計地質(zhì)分析資料可知，隧道深埋段圍巖為鈣質(zhì)結(jié)核較多的老黃土和粉砂性黃土。針對不同地質(zhì)地形情況在淺埋段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖，進(jìn)入深埋段以后根據(jù)地質(zhì)變化情況在進(jìn)口段采用三臺階法開挖，出口段地質(zhì)情況較差，可分別采用單側(cè)壁和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行開挖。各施工工法見圖1—3。

3 施工監(jiān)控量測

黃土隧道主要存在節(jié)理垂直發(fā)育，彼此在水平方向上的連接力較弱，在干燥時強(qiáng)度較大，隧道圍巖及初期支護(hù)受力較小，遇水后顆粒連接力消弱，黃土強(qiáng)度隨之降低，從而引起圍巖和初期支護(hù)受力增大，使沉降不易控制。考慮到傳統(tǒng)量測方法測量難度及誤差較大，在施工中利用高精度全站儀和反光膜片(蘇光6×6)進(jìn)行隧道變形量測。施工中按設(shè)計要求進(jìn)行監(jiān)控量測和測量，通過對變形數(shù)據(jù)的分析，確定隧道的穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)設(shè)計圖紙要求，墩梁隧道黃土雙側(cè)壁法施工現(xiàn)場典型斷面測試主要為拱部沉降和收斂量測，分別在淺埋段和深埋段各選取2個斷面進(jìn)行分析。

在墩梁隧道施工過程中，按照設(shè)計要求每隔10 ～ 50 m 設(shè)置斷面( 根據(jù)圍巖情況決定斷面間距) ，并在開挖后24 h內(nèi)取得第1組數(shù)據(jù)。用徠卡TCR－802精密全站儀觀測下沉和收斂變形，最前端的一個斷面緊跟掌子面，以便及時觀察圍巖穩(wěn)定情況。觀測頻率為:前15 d每d觀測1次或2次，16～30 d每2d觀測1次，30～90 d每周觀測1～2次，90 d以上每月觀測1～3次。

3.1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工地段

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工一側(cè)導(dǎo)坑先行，先行導(dǎo)坑臺階法開挖，上臺階每次開挖1～2榀，并與中臺階拉開5 m左右，開挖中臺階2～4榀，再開挖下臺階2～4榀，并與中臺階步距控制在5 m左右;待先行側(cè)壁導(dǎo)坑掘進(jìn)35 m時開始后行側(cè)壁導(dǎo)坑開挖，在開挖過程中仍然遵循上、中、下臺階施工距離，防止距離太小發(fā)生坍塌或沉降過大;最后，進(jìn)行中導(dǎo)坑開挖，并滯后后行側(cè)壁導(dǎo)坑15 m左右，拆除側(cè)壁臨時支撐并仰拱開挖，仰拱開挖長度約7 m。雙側(cè)壁量測斷面布置見圖4，施工過程中量測分析選取的斷面為RK27+096.8。

圖4 雙側(cè)壁量測斷面Fig.4 Monitoring of tunnel section constructed by double side drift method

2009年9月5日布設(shè)RK27+096.8斷面右側(cè)導(dǎo)洞拱頂、右側(cè)導(dǎo)洞臨時側(cè)和右側(cè)導(dǎo)洞永久側(cè)，對應(yīng)圖4中E，F(xiàn)，G 3個測點(diǎn);9月16日布設(shè)左側(cè)導(dǎo)洞拱頂、左側(cè)導(dǎo)洞永久側(cè)和左側(cè)導(dǎo)洞臨時側(cè)，對應(yīng)圖4中H，I，J 3個測點(diǎn)。施工過程中右側(cè)導(dǎo)坑先行，在2009年9月30日進(jìn)行右側(cè)導(dǎo)坑閉合，2009年10月7日進(jìn)行左側(cè)導(dǎo)坑閉合，至10月7日完成仰拱閉合工作，量測斷面沉降和收斂關(guān)系曲線見圖5和圖6。

圖5 2009年時間－沉降關(guān)系曲線Fig.5 Time VS settlement in 2009

圖6 2009年時間－收斂關(guān)系曲線Fig.6 Time VS convergence in 2009

10月7日全斷面成環(huán)支護(hù)后，變形速率逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

中導(dǎo)開挖后，收集整理雙側(cè)壁量測圖中對應(yīng)拱部A，B 2個測點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)，沉降基本小于30 mm，說明雙側(cè)壁導(dǎo)坑法作業(yè)能很好地控制拱部沉降和地表沉降。

在收集的觀測數(shù)據(jù)中，砂質(zhì)堆積新黃土沉降和收斂都比較大，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在RK27+001處最大沉降值達(dá)120.8 mm，水平收斂值達(dá)95.2 mm。在老黃土雙側(cè)壁導(dǎo)坑法中，觀測最大沉降值為50.8 mm，收斂值為87.8 mm。由于在雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工過程中開挖中導(dǎo)掌子面時需對下導(dǎo)進(jìn)行拉槽，造成兩拱腳間形成暫時的空槽，特別是老黃土開挖干擾更大，初步判斷在老黃土中收斂較大與開挖方法有直接關(guān)系。

3.2 單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工地段

單側(cè)壁量測斷面布置見圖7。

圖7 單側(cè)壁量測斷面Fig.7 Monitoring of tunnel section constructed by single side drift method

通過對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在單側(cè)壁施工中臨時支撐側(cè)沉降變化較大，在支撐完成后的25～30 d內(nèi)下沉和收斂趨于穩(wěn)定，量測斷面沉降和收斂關(guān)系曲線見圖8和圖9。

圖8 時間－沉降關(guān)系曲線Fig.8 Time VS settlement

圖9 時間－收斂關(guān)系曲線Fig.9 Time VS convergence

通過觀測發(fā)現(xiàn)，在臨時支撐側(cè)沉降變化較大，最大沉降值為54 mm，收斂值為42 mm，永久側(cè)拱部最大沉降值為29 mm。

3.3 三臺階法施工地段

進(jìn)口段采用三臺階法施工，拱部的垂直壓力較大，在上、中臺階的拱腳處設(shè)置大拱腳來增加支撐力，減小拱頂?shù)某两蹬c邊墻的收斂。為檢驗(yàn)系統(tǒng)錨桿在黃土隧道中控制沉降與收斂的作用，在左洞增加了40 m的試驗(yàn)段，試驗(yàn)段將原設(shè)計的鎖腳錨桿變?yōu)? m長的復(fù)合鎖腳錨管，并取消拱部90°范圍內(nèi)的系統(tǒng)錨桿，復(fù)合鎖腳錨管采用φ50鋼管注漿后插入φ22鋼筋。三臺階量測斷面布置見圖10，普通段量測斷面LK25+941的沉降和收斂曲線見圖11和圖12，試驗(yàn)段量測斷面LK25+866的沉降和收斂曲線見圖13和圖14。

通過觀測發(fā)現(xiàn)，普通段最大下沉值達(dá)到115 mm，發(fā)生在拱腰處，開挖線處最大收斂值達(dá)到90 mm;試驗(yàn)段最大下沉值為60 mm，也發(fā)生在拱腰處，開挖線處最大收斂值為35 mm;當(dāng)仰拱施工完成后，下沉和收斂趨于穩(wěn)定，不再發(fā)生變化。相比普通段，試驗(yàn)段下沉和收斂都減少很多，這是因?yàn)殒i腳錨管的剛度較大，限制了圍巖的下沉與收斂。拱部系統(tǒng)錨桿在黃土隧道中所起的作用沒有在石質(zhì)圍巖中的作用大，在黃土隧道中應(yīng)該增加鎖腳錨桿或鎖腳錨管來限制沉降和收斂。

4 不同施工方法比較

通過對墩梁黃土大斷面隧道分別采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑、單側(cè)壁導(dǎo)坑、三臺階開挖施工方法進(jìn)行分析比較，得出了3種工法的優(yōu)缺點(diǎn)、適用性以及控制大斷面黃土隧道變形的關(guān)鍵技術(shù)措施。

4.1 進(jìn)度比較

經(jīng)過對墩梁隧道各施工方法、監(jiān)控量測結(jié)果進(jìn)行比較分析，雙側(cè)壁施工根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況不同，每循環(huán)開挖1～2榀，淺埋段每月掘進(jìn)25～31 m，深埋段每月掘進(jìn)35～40 m，平均每月掘進(jìn)37.5 m。在仰拱施工前需開挖11次，回填3次，在多次開挖過程中造成支護(hù)放松，變形量增大，但在鋼拱架閉合成環(huán)后，變形基本趨于穩(wěn)定。

單側(cè)壁施工每循環(huán)開挖2榀，每月掘進(jìn)40～50 m，平均每月掘進(jìn)45 m，較雙側(cè)壁開挖工序少，因而進(jìn)度較快。在隧道變形控制上，有中隔壁支撐能有效地控制變形量，但中隔壁支撐拆除較困難，且在拆除后易造成支護(hù)放松，變形量增大。

三臺階施工每循環(huán)開挖2榀，每月掘進(jìn)70～90 m，開挖工序較少，工作場地較大，有利于機(jī)械化作業(yè)，提高施工進(jìn)度;但由于沒有臨時支撐，拱部垂直壓力較大，如果下部支撐不夠，容易產(chǎn)生掉拱現(xiàn)象，發(fā)生安全事故。

深埋段由于地質(zhì)情況差異，采取雙側(cè)壁導(dǎo)坑、單側(cè)壁導(dǎo)坑和三臺階3種方式開挖，設(shè)計中支護(hù)參數(shù)存在一定差異，雙側(cè)壁、單側(cè)壁施工中需要進(jìn)行臨時支撐安裝和拆除，占用了大量時間。

根據(jù)以上分析可知:3種方法中三臺階掘進(jìn)速度最快，其次是單側(cè)壁和雙側(cè)壁，其中，在取消三臺階系統(tǒng)錨桿設(shè)計后，可以提高施工效率28.5%。

4.2 優(yōu)缺點(diǎn)及適用性比較

在支護(hù)設(shè)計參數(shù)相同的條件下，不同施工工法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用性對比見表1。

表1 大斷面黃土隧道不同工法優(yōu)缺點(diǎn)及適用性綜合比較Table 1 Advantages，disadvantages and applicability of different construction methods for large cross-section loess tunnels

4.3 大斷面黃土隧道控制變形關(guān)鍵技術(shù)

4.3.1 雙側(cè)壁施工變形控制

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在開挖過程中能有效地控制拱部沉降。由于將大斷面劃分為左、中、右3個導(dǎo)坑斷面，每個斷面又分為上、中、下3個部分開挖，并及時使拱架落地成環(huán)，使初期支護(hù)完全受力，充分發(fā)揮了初期支護(hù)和巖體的自穩(wěn)能力，使沉降和收斂得到有效控制。但是，在開挖仰拱(初期支護(hù)閉合)和拆除側(cè)壁臨時支撐時會造成拱腳位置暫時松弛，拱部沉降和拱腳部分收斂會相對變大，所以在進(jìn)行雙側(cè)壁施工時，應(yīng)采取以下措施減少變形。

1)優(yōu)化洞內(nèi)施工組織，減少工序銜接時間，及時閉合成環(huán)，使初期支護(hù)形成整體。

2)保證噴射混凝土密實(shí)，使鋼拱架直接參與受力，以減少巖體變形。

3)開挖過程中控制好仰拱與掌子面間的距離，根據(jù)量測資料和地質(zhì)情況合理確定初期支護(hù)拆除方案。

4.3.2 單側(cè)壁施工變形控制

單側(cè)壁施工可以有效地控制拱部沉降，但在中、下部拱架落地時會產(chǎn)生較大的沉降和收斂，較雙側(cè)壁來說不利于收斂控制，拆除臨時支撐時拱部沉降會發(fā)生變化，在施工過程中可以采取以下措施進(jìn)行控制。

1)開挖過程中嚴(yán)格控制仰拱和掌子面、臨時支撐之間的距離，盡早完成仰拱施工，從而有效控制收斂變形。

2)導(dǎo)坑開挖過程中應(yīng)及時將永久支撐落地，控制每次開挖落地距離，保證左右側(cè)落地位置不在同一里程，使永久支撐盡早參與整體受力，緩解臨時支撐壓力，有效控制沉降。

3)重視鎖腳錨桿施工，保證在永久支撐沒有落地前鎖腳錨桿可以承受大部分壓力。保證噴射混凝土密實(shí)，使鋼拱架直接參與受力，以減少巖體變形。

4.3.3 三臺階施工變形控制

采用三臺階開挖隧道會引起較大的拱頂沉降和水平位移，其中上、中臺階開挖會引起較大的拱頂沉降和位移。上弧導(dǎo)坑開挖后，拱頂短時間內(nèi)會發(fā)生較大變形，下臺階、仰拱開挖引起的拱頂沉降和縱向位移較小。為有效控制沉降和收斂，施工過程中可采取以下控制措施。

1)控制弧形導(dǎo)坑開挖距離和開挖后拱腳位置，保證鎖腳錨桿和擴(kuò)大拱腳施工質(zhì)量，控制上臺階開挖后發(fā)生沉降。

2)根據(jù)施工情況及時完成中、下臺階支撐落地，并在施工中做到隨挖隨支，避免鋼拱架拱腳懸空。

3)重視超前小導(dǎo)管施工，保證導(dǎo)管長度、外插角、注漿和搭接長度。

4)及時施工仰拱，合理控制開挖距離。

5 結(jié)論與討論

1)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法由于預(yù)留了開挖掌子面核心土，保證了掌子面穩(wěn)定，操作安全系數(shù)高，適應(yīng)性相對比較強(qiáng)，特別是控制圍巖松弛效果明顯。單側(cè)壁導(dǎo)坑法安全可靠，坑道暴露時間短，開挖面小，對圍巖擾動小，但施工進(jìn)度較慢，造價較高。三臺階法開挖工序少，有利于機(jī)械化作業(yè)，施工進(jìn)度有明顯優(yōu)勢，但在地質(zhì)較差地段變形難以控制。

2)大斷面隧道具有扁平的拱形結(jié)構(gòu)，開挖后的應(yīng)力重分布對圍巖受力非常不利。選擇合理的施工工法可有效縮小一次開挖斷面，采取及時閉合成環(huán)的方法、重視及優(yōu)化鎖腳錨桿施工、控制仰拱與掌子面間的距離，可有效地控制施工變形。

3)大斷面隧道施工的核心是維持掌子面圍巖的穩(wěn)定和保證施工進(jìn)度。超前支護(hù)是穩(wěn)定掌子面不可缺少的手段。黃土因其具有遇水浸蝕后結(jié)構(gòu)迅速破壞的獨(dú)特力學(xué)性質(zhì)，所以，選擇快捷有效的支護(hù)參數(shù)對大斷面黃土隧道施工尤為重要。將施工方法模式化是保證施工安全、提高工程質(zhì)量、降低工程造價的重要措施，需要在今后大斷面隧道施工管理中進(jìn)一步探索。

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