軟弱地層大斷面隧道施工方案優(yōu)化與施工技術(shù)

李 紅 兵

(晉城市陵川縣交通運(yùn)輸局，山西 陵川 048000)

軟弱地層大斷面隧道施工方案優(yōu)化與施工技術(shù)

李 紅 兵

(晉城市陵川縣交通運(yùn)輸局，山西 陵川 048000)

研究了軟弱地層大斷面隧道的基本力學(xué)特征，結(jié)合工程實(shí)例，探討了軟弱地層大斷面隧道施工方案的優(yōu)化措施，并對(duì)CRD開(kāi)挖方法與三臺(tái)階七步開(kāi)挖方法作了對(duì)比分析，指出三臺(tái)階七步開(kāi)挖法在進(jìn)度等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊。

軟弱地層，大斷面隧道，開(kāi)挖方法

1 概述

近年來(lái)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)交通的需求量越來(lái)越大，在我國(guó)，鐵路、公路的建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大，為交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)，促進(jìn)了可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的有效實(shí)施。鐵路的建設(shè)環(huán)境一般都比較復(fù)雜，分布的區(qū)域比較廣，近年來(lái)大量涌現(xiàn)出大斷面的隧道，有些鐵路客運(yùn)專(zhuān)線的面積甚至達(dá)到了150 m2～180 m2,隧道建設(shè)已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入“大斷面化”時(shí)代。要想將大斷面隧道建設(shè)的合理、安全，并達(dá)到快速施工的目的，就必須對(duì)傳統(tǒng)施工方法和設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行重新認(rèn)識(shí)，與此同時(shí)，積極引用新的理念和新方法、新工藝對(duì)大斷面隧道中的相關(guān)設(shè)計(jì)與施工問(wèn)題進(jìn)行解決。隨著工程建設(shè)理論的不斷完善，施工技術(shù)也得到了不斷的發(fā)展，根據(jù)節(jié)約土地的相關(guān)需要，越來(lái)越多的隧道在軟弱地層中進(jìn)行修建，尤其是大斷面隧道的建設(shè)，在施工流程、施工技術(shù)、施工工藝以及施工管理、施工控制等方面提出了更高的要求，但是目前的情況是，可以供參考的施工與設(shè)計(jì)非常少，相關(guān)的管理者的經(jīng)驗(yàn)也很少，所以，軟弱地層大斷面隧道施工技術(shù)研究具有至關(guān)重要的意義。

2 軟弱地層大斷面隧道的基本力學(xué)特征

因?yàn)檐浫醯貙拥耐翆訔l件較差，大跨度隧道的開(kāi)挖跨度比較大，隧道開(kāi)挖過(guò)程中的受力相對(duì)復(fù)雜，因?yàn)榇罂缍人淼乐饕尸F(xiàn)一種拱形的結(jié)構(gòu)，隧道開(kāi)挖之后，周邊的應(yīng)力得到了解除，一些巖體發(fā)生變形以后向隧道內(nèi)移動(dòng)，巖體的初始應(yīng)力也發(fā)生了變化，在一定范圍內(nèi)巖體開(kāi)始重新分布。因?yàn)槭艿剿淼篱_(kāi)挖的影響，圍巖的三向受力狀態(tài)開(kāi)始發(fā)生變化，幾乎接近于二向的受力狀態(tài)，加上受到圍巖移動(dòng)與變形的影響，各種軟弱結(jié)構(gòu)因?yàn)槭艿讲煌潭鹊挠绊懓l(fā)生破壞松弛。尤其是因?yàn)槭艿搅芽p、節(jié)理等影響得到進(jìn)一步的發(fā)展，開(kāi)挖之后的巖體與開(kāi)挖之前比更低一些，圍巖更容易發(fā)生塑性屈服，進(jìn)而出現(xiàn)更大的變形。尤其是在淺埋隧道中拱形效應(yīng)得不到有效的發(fā)揮，這時(shí)候會(huì)產(chǎn)生非常大的松弛應(yīng)力，這對(duì)變形控制和圍巖穩(wěn)定是非常不利的。軟弱大斷面隧道的基本力學(xué)特征應(yīng)該從以下幾個(gè)方面說(shuō)起：

1)因?yàn)榇髷嗝嫠淼赖目缍仍黾?，主要呈現(xiàn)“扁平”的拱形結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)近似于橢圓形，受到的承載力比較小，所以隧道開(kāi)挖時(shí)會(huì)引起一系列的圍巖應(yīng)力，這些圍巖應(yīng)力在分布過(guò)程中是非常不利的，拱腳處的圍巖應(yīng)力相對(duì)較大，難以對(duì)隧道變形進(jìn)行控制，對(duì)地基的承載能力提出相對(duì)較大的要求。

2)拱頂部位會(huì)相應(yīng)的產(chǎn)生比較大的松弛圍巖壓力，這就導(dǎo)致了圍巖穩(wěn)定性的不斷降低。因?yàn)樗淼篱_(kāi)挖的寬度和高度越來(lái)越大，對(duì)隧道底部的埋深提出一定的要求，如果在埋深較小、地層條件差、圍巖成拱的作用得不到有效發(fā)揮時(shí)，圍巖開(kāi)始不斷的松散下落，這樣就會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較大的松弛圍巖壓力。所以，軟弱地層大斷面隧道拱頂部位會(huì)產(chǎn)生較大的松弛圍巖壓力。

3 軟弱地層大斷面隧道施工方案優(yōu)化

3.1 工程概況

某工程的隧道埋深為20 m，最大埋深為50 m，工程的地質(zhì)條件較差，埋深較淺。該隧道上被全新的殘積粉質(zhì)粘土覆蓋，基巖主要為炭質(zhì)頁(yè)巖、砂巖、灰?guī)r等，該區(qū)域中的巖層性質(zhì)相對(duì)復(fù)雜，為泥質(zhì)灰?guī)r或偶夾灰?guī)r。隧道穿越的巖層主要為軟質(zhì)巖，大部分為強(qiáng)風(fēng)化層，巖體的穩(wěn)定性和強(qiáng)度都比較差。該工程的地下水具有弱酸型酸性，開(kāi)挖過(guò)程中遇到的地下水相對(duì)較少，地表水的來(lái)源主要為大氣降水。隧道設(shè)計(jì)中的圍巖條件較差，開(kāi)挖高度為13.5 m，跨度為16 m，開(kāi)挖的斷面比較大。隧道設(shè)計(jì)中一般會(huì)采用小導(dǎo)管超前支護(hù)，具體的設(shè)計(jì)斷面如圖1所示。

3.2 施工方案

該隧道采用CRD法開(kāi)挖，依據(jù)已有的實(shí)例以及施工現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，按照相關(guān)比選原則對(duì)施工方案進(jìn)行選擇，在選擇過(guò)程中對(duì)工期要求以及開(kāi)挖成本進(jìn)行充分的考慮，并提出三臺(tái)階七步開(kāi)挖法施工方案。

3.2.1 CRD開(kāi)挖方法

就施工工序來(lái)說(shuō)，CRD法開(kāi)挖將工程的斷面氛圍上部、中部和下部等共6個(gè)部分開(kāi)挖，與CRD法的施工工藝相結(jié)合，某工程的開(kāi)挖工序?yàn)椋?)施作1部，單循環(huán)0.5 m開(kāi)挖，噴射厚混凝土4 cm，混凝土噴至28 cm。2)開(kāi)挖長(zhǎng)度累計(jì)3 m～5 m，然后開(kāi)挖2部，單循環(huán)開(kāi)挖0.5 m，噴射厚混凝土4 cm，將混凝土噴至28 cm。3)2部的累計(jì)開(kāi)挖長(zhǎng)度為3 m～5 m，然后開(kāi)挖3部，單循環(huán)開(kāi)挖0.5 cm，噴射厚混凝土4 cm，再將混凝土噴至28 cm。4)3部的累計(jì)長(zhǎng)度為3 m～5 m，然后開(kāi)挖4部，單循環(huán)開(kāi)挖0.5 m，噴射4 cm的厚混凝土，再將混凝土噴至28 cm。5)4部的累計(jì)長(zhǎng)度為3 cm～5 cm，然后開(kāi)挖5部，單循環(huán)開(kāi)挖0.5 m，噴射厚混凝土4 cm，再將混凝土噴至28 cm。6)5部的累計(jì)長(zhǎng)度為3 cm～5 cm，然后開(kāi)挖6部，單循環(huán)開(kāi)挖0.5 m，噴射厚混凝土4 cm，再將混凝土噴至28 cm。7)當(dāng)6部開(kāi)挖到了一定長(zhǎng)度以后，將臨時(shí)搭建的鋼架拆除(將混凝土噴至28 cm時(shí)用到)，將Ⅶ部仰拱回填。8)通過(guò)對(duì)隧道襯砌模板臺(tái)車(chē)進(jìn)行利用，對(duì)隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行一次性澆筑。

3.2.2 三臺(tái)階七步開(kāi)挖方法

這種開(kāi)挖法主要是指在施工過(guò)程中通過(guò)七個(gè)開(kāi)挖面開(kāi)挖，從不同的位置同時(shí)開(kāi)挖，分部進(jìn)行支護(hù)，從而形成一個(gè)支護(hù)整體，使作業(yè)時(shí)間得到縮短的一種作業(yè)方法。在初期將平行當(dāng)作初期支護(hù)，在下臺(tái)階形成一種封閉的、穩(wěn)定的支護(hù)體系。三臺(tái)階七步法開(kāi)挖主要將斷面從上到下共分為四個(gè)部分，通過(guò)錯(cuò)臺(tái)臺(tái)階進(jìn)行開(kāi)挖。在一般情況下，上部會(huì)比中部超前幾厘米，依此類(lèi)推，中部會(huì)比下部超前幾厘米，下部會(huì)比底部超前幾厘米，再進(jìn)行逐級(jí)開(kāi)挖。為了使作業(yè)變得更加方便，一般會(huì)將上臺(tái)階開(kāi)挖高度控制在4 cm～5 cm，將中臺(tái)階的開(kāi)挖高度控制在3 cm～4 cm，將下臺(tái)階的高度控制在3 cm～4 cm。開(kāi)挖的時(shí)候要將開(kāi)挖的輪廓線之內(nèi)預(yù)留出大概30 cm的厚度，采用鐵鎬進(jìn)行開(kāi)挖。

三臺(tái)階七步開(kāi)挖法施工工藝圖如圖2所示。

4 施工方案比選

根據(jù)上面的介紹，兩種方法從施工進(jìn)度、質(zhì)量及安全等方面進(jìn)行了比選。CRD法的主要特點(diǎn)是對(duì)變形進(jìn)行控制，可以將大斷面改為小斷面，在質(zhì)量、進(jìn)度以及安全中的缺點(diǎn)比較多，尤其表現(xiàn)在施工進(jìn)度方面三臺(tái)階七步開(kāi)挖法比CRD法的進(jìn)度快了大概兩倍。所以，在保證安全、工期以及質(zhì)量的前提下將三臺(tái)階七步開(kāi)挖法作為CRD法的主要比選方案。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著鐵路、公路的建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大，隧道的長(zhǎng)度和開(kāi)挖跨度都在不斷增長(zhǎng)之中，現(xiàn)在大量涌現(xiàn)出大斷面的鐵路隧道，要想將大斷面鐵路隧道建設(shè)的合理、安全，并達(dá)到快速施工的目的，就必須對(duì)傳統(tǒng)施工方法和設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行重新認(rèn)識(shí)，與此同時(shí)，積極引用新的理念和新方法、新工藝對(duì)大斷面鐵路隧道中的相關(guān)設(shè)計(jì)與施工問(wèn)題進(jìn)行解決。本文通過(guò)兩種方案的初級(jí)比選，得出的結(jié)論是兩種方法在具體應(yīng)用中各有優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，其中三臺(tái)階七步開(kāi)挖法在進(jìn)度等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，而且應(yīng)用的范圍非常廣泛。

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Construction scheme optimization and construction technology of large-section tunnel with soft stratum

LI Hong-bing

(JinchengLingchuanBureauofTrafficTransportation,Lingchuan048000,China)

The paper studies basic mechanical characteristics of large-section tunnel with soft stratum, explores construction scheme optimizing measures of large-section tunnel with soft stratum by integrating with engineering examples, and compares and analyzes CRD excavation method with three steps seven footwork excavation method, and finally points out advantages of three steps seven footwork excavation method, which has wide application prospect.

soft stratum, large-section tunnel, excavation method

1009-6825(2014)28-0197-03

2014-07-31

李紅兵(1969- )，男，工程師

U455

A