三臺階法在城市超大斷面軟弱圍巖隧道中的運用

■陳仙華

（中鐵十七局第六工程有限公司，福州 350014）

1 工程概況

廈門市成功大道一期工程由3750m 的梧村山隧道、2980m 的萬石山隧道和鐘鼓山立交隧道組成，主線隧道為雙向六車道，行車限界13.5m×5m，梧村山隧道由北向南依次由明挖框架、雙聯(lián)拱、小凈距、分離式隧道組成，為避免拆遷，縱斷面調整為類似海底隧道的凹曲線型，其中出口段近400m 為淺埋，洞頂埋深在6m～40m，屬分離式隧道，開挖跨度16.2m，高度11m，在距出口275m 處（K9+910～860 段）覆蓋層僅6～10m，洞身圍巖均為砂性土，并伴有裂隙水，地表分布有大型球狀孤石。萬石山隧道圍巖變化多端，不間斷分布有軟弱帶及破碎帶,隧道埋深在20m～100m 之間。

2 工程地質條件

2.1 地質構造及地層巖性

隧址區(qū)地層結構較簡單，覆蓋層較簿，據地面調查及鉆探揭露，除表層部分地段分布有少量種植土及第四系殘坡積層外，主要由燕山晚期花崗巖(γ53(1))b)的不同風化層構成。外圍主要受三條斷裂帶控制，受其影響，區(qū)內構造運動主要表現(xiàn)為以斷塊差異升降運動為主，斷裂、裂隙走向主要呈NNE 向、高角度產出，并伴隨較多的閃長巖脈侵入，晚更新世以來運動逐漸減弱，形成了本區(qū)以剝蝕作用為主的地質環(huán)境。受后期弱構造運動的作用，本場區(qū)沿北東向斷裂帶侵入一系列寬厚大小不等的輝綠巖、閃長玢巖等中性、中酸性巖脈。

2.2 水文地質條件

隧址區(qū)內地下水主要賦存和運移于強風化帶及構造破碎帶的裂隙中。地下水類型為潛水，主要接受大氣降水的下滲及相鄰含水層的側向滲透補給，受地形、地貌影響變化較大，勘察期間測得各鉆孔混合地下水位埋深（3.1～8.75）m，水位標高（28.09～51.75）m，根據區(qū)域水文地質資料，預計地下水位年變化幅度約（5～8）m。由于隧道洞身主要受力區(qū)位于微、弱風化花崗巖中，故洞內地下水主要來自與隧道相交的構造裂隙破碎帶，受構造控制明顯。本隧道以壓扭性斷層為主，構造裂隙多呈閉合狀，間隙小，透水、儲水性能較差，因此地下水量總體不大，但也不排除局部斷裂帶較寬、富水性相對較好的可能性。根據地區(qū)工作經驗，洞內弱風化花崗巖一般呈淋濕狀態(tài)，有滲透水、滴水現(xiàn)象，斷裂帶偶有成股水流涌出，局部水量較大。

2.3 不良地質

梧村山隧道出口段近400m 為Ⅳ、Ⅴ級圍巖，覆蓋層僅6m～40m，其中K9+910～850 段覆蓋層僅6m～10m，屬超淺埋隧道，洞身圍巖為砂性土，并不同程度發(fā)育有球狀孤石，同時洞頂距中線40m 還有一幢5 層磚混辦公樓。萬石山隧道間斷性分布有斷層破碎帶。

3 隧道內輪廓斷面確定

本隧道以建筑限界為基礎,充分考慮襯砌結構的受力特性、工程造價、裝飾厚度及富余空間、運營設施的安裝空間等因素，采用受力條件好、斷面利用率高的三心圓斷面，拱部半徑7.55m，曲墻半徑為5.55m,凈空面積為88.04m2。隧道單洞凈寬13.92m，其中行車道寬度為3.75m×2＋3m，路緣帶寬度0.5m×2，檢修道寬度0.75m，凈高7.77m，限高5m。詳見圖1。

圖1 隧道凈空斷面

4 襯砌結構設計參數

梧村山隧道為三車道隧道（圖2），最大開挖寬度16.2m，最大開挖高度為11.02m（含仰拱），最大開挖斷面積為144.25m2，由于該隧道出口段有近400m 的超淺埋段，地質條件相對比較復雜，根據隧道所處的地質條件，按照新奧法原理進行設計，采用復合式襯砌，其支護參數按照工程類比，并結合有限元數值分析確定。

圖2 三車道隧道II 類圍巖段襯砌斷面圖

隧道初期支護以噴射砼、錨桿、鋼筋網為主要支護手段，二次襯砌采用C25 素混凝土或C25 鋼筋混凝土。洞口加強段、斷層破碎帶、局部軟弱帶采用Φ42 小導管預注漿作為超前預支護措施。隧道各類圍巖支護襯砌參數詳見表1。

表1 隧道襯砌支護參數表

5 隧道開挖方案選擇

大跨度軟弱圍巖隧道的施工方法，主要有臺階法和雙側壁導坑法、中隔墻法等。但在工程實踐中，發(fā)現(xiàn)雙側壁導坑法和中隔墻法存在以下缺點：一是限制了大型施工機械的使用，降低了工效；二是在軟硬圍巖相間的隧道施工中，施工方法的調整時間很長；三是臨時施工支護多，投入大，不經濟；四是施工中相互干擾大。鑒于上述情況，結合本工程的實際地質，梧村山隧道出口400m 的淺埋軟弱圍巖段采用三臺階七步平行流水法進行施工。

5.1 工藝原理

采用三層短臺階，分步平行開挖，分步平行施作拱墻初期支護，混凝土仰拱超前施作及時封閉，構成穩(wěn)固的初期支護體系，保護圍巖的天然承載力，有效抑制圍巖變位，經量測監(jiān)控信息化反饋指導施工，及時調整支護參數和混凝土襯砌施作時間。

在斷層帶、破碎帶等自穩(wěn)性較差的地層和富水地層中，采取大管棚、小導管預注漿固結、止水等輔助施工措施后，上部弧形導坑法短臺階開挖施作拱部初期支護，再左右錯開開挖及施作邊墻初期支護；混凝土仰拱緊跟下臺階并及時施作盡早閉合形成支護體系受力。

5.2 技術特點

(1)施工空間大，可以引進大型施工機械多作業(yè)面平行施工，工效高；部分軟巖地段可以采用挖掘機直接開挖下半斷面，減少圍巖擾動。

(2)在地質復雜結構復雜多變、軟硬巖相間的隧道施工中，便于靈活地調整施工方法，進度穩(wěn)定，工期保障性強。

(3)能適應不同跨度和多種斷面型式，沒有需拆除的臨時支護，節(jié)省投資。

(4)爆破施工可以分成多個作業(yè)面進行，將集中爆破化為分散爆破，既減少對圍巖的擾動，又充分利用了時間空間，還增加了爆破臨空面，降低了炸藥消耗。

(5)混凝土仰拱超前施作，便于初期支護及早封閉成環(huán)承載，且改變了洞內作業(yè)、運輸環(huán)境。

(6)無需投入特殊設備，投入少，操作性強，易推廣。

6 施工工藝

6.1 開挖

對隧道周邊圍巖預加固后進行分部平行開挖。

Ⅴ級圍巖和斷層破碎帶采用三臺階分步平行開挖法，施工順序見圖3。上臺階采用風鎬開挖，預留核心土，臺階高度控制在2.5m 以內，便于拱部拱架安裝，中臺階和下臺階及仰拱采用挖掘機開挖、裝碴，每循環(huán)進尺一般控制在0.5m～1.2m 之間為宜，臺階高度以3m為宜，上臺階和中臺階距離控制在5m，中臺階和下臺階距離控制在10m。

Ⅳ級圍巖采用兩臺階法平行開挖，遵循“弱爆破、短開挖”的原則，采用光面爆破和預裂光爆層微振動控制爆破技術開挖上半斷面，以減少對圍巖的擾動。炮眼深度一般控制在1.5m～2.0m 之間。

6.2 初期支護施工

初期支護是由錨桿、鋼筋網、鋼架和噴射砼組成的一種聯(lián)合受力結構。為保護圍巖的天然承載力，初期支護要盡快施作。

（1）初噴混凝土封閉巖面。開挖完成并經人工修整無欠挖后，盡早對巖面進行初噴。先將凹洼部分找平，噴射砼表面應大面平整并略呈濕潤光澤，無干斑或滑移流淌現(xiàn)象。

圖3 三臺階七步平行流水作業(yè)法施工步驟圖

（2）施作系統(tǒng)錨桿，掛設鋼筋網。錨桿為全長粘結型砂漿錨桿，桿體為Φ22mm 的20MnSi 螺紋鋼筋，長度4m，間距0.8m，梅花形布置，徑向施作。各臺階初期支護連接處左右兩側均需設不少于兩根鎖腳錨桿，確保初期支護不失穩(wěn)。為確保錨桿施作質量，有條件時，鎖腳錨桿應盡量采用注漿小導管并再插入一根Φ22 螺紋鋼增大鎖腳小導管的剛度。

鋼筋網由Φ8 的鋼筋焊接而成，網格間距為15cm，鋼筋網應隨受噴面的起伏鋪設，并與錨桿連接牢固。

6.3 安裝鋼架

鋼架是軟弱圍巖中初期支護的重要組成部分，應嚴格按照設計要求加工制作和架設。施工時，要特別重視鋼架落腳位置地基，必須落在原狀土上，并用20＃槽鋼墊起。鋼架應垂直隧道中線，嚴格按照施工規(guī)范控制，否則三個臺階形成后，會造成鋼架扭曲。鋼架連接接頭要牢固。拱腳部位易發(fā)生塑性剪切破壞，故接頭的角鋼連接板要焊接牢靠。為增強鋼架的整體穩(wěn)定性，應將鋼架與縱向連接筋、結構錨桿、定位系筋和鎖腳錨桿焊接牢固。

6.4 施作拱部超前支護和二次襯砌噴射砼

拱部按照設計技術參數施作下一循環(huán)超前支護，并把該支護的尾端焊接在鋼架上。而后分層噴射砼，每層厚度在5cm～6cm，鋼架保護層不小于2cm，整個噴射砼表面要平順。

6.5 監(jiān)控量測、修正支護參數

嚴格按照設計要求進行拱頂下沉和周邊收斂位移量測，通過監(jiān)控量測的信息反饋，及時調整支護參數，以保證結構的安全。監(jiān)控量測項目及頻率如表2 所示。

監(jiān)控量測中應注意：

表2 監(jiān)控量測項目及頻率表

（1）為取得開挖后圍巖早期狀態(tài)變化數據，各項測點應盡量靠近開挖 面布置（不大于2m），在爆破后24h 內或下次爆破前，讀取初次讀數。

(2)周邊收斂、拱頂下沉和地表下沉各項測點應盡量集中斷面布置，以便量測成果的協(xié)調分析、綜合運用。

6.6 仰拱施工

在拱墻初期支護完成后，要及時左右錯位跳挖仰拱，安裝仰拱鋼筋，進行仰拱混凝土澆注施工，使初期支護盡早封閉成環(huán)。構成穩(wěn)定的初期支護體系。并為運輸創(chuàng)造良好的環(huán)境。

6.7 混凝土襯砌

采用可調式防水板作業(yè)臺車施作防水層，鋪設時要采用無釘孔工藝，并視初期支護的平整情況，將防水板預留一定的富余量，防止過緊而被混凝土擠破?；炷烈r砌采用全斷面液壓鋼模襯砌臺車，泵送混凝土灌注。采用商品砼，輸送車運輸。澆注時左右對稱灌注，防止臺車偏移。

7 K9+910～850 超淺埋段施工

K9+910～850 段覆蓋層僅6m～10m，屬超淺埋隧道，洞身圍巖為砂性土，并不同程度發(fā)育有球狀孤石，同時洞頂右側距中線40m 還有一幢5 層磚混辦公樓。施工中采取了超前大管棚預注漿和爆破監(jiān)測等措施。

管棚采用φ108mm×6mm 無縫鋼管，每循環(huán)長度20m，共設3 循環(huán)，管棚傾角控制在7.5°以內，拱部120°范圍打設，管棚間距40cm，每循環(huán)搭接長度約3m，為了使管棚打設有足夠的空間，在管棚打設處2m范圍初期支護凈空需要加寬50cm。管棚打設完畢后，再采取三臺階七步平行流水法施工。

由于洞頂上方右側距洞身軸線約40m 有一幢5 層磚混辦公樓，爆破施工時，委托專業(yè)爆破監(jiān)測單位對辦公樓進行了嚴密的監(jiān)測，按照1.0cm/s 的振動速度進行控制，實測出最大允許段藥量為6kg。

通過采取上述措施，順利安全地通過K9+910～850超淺埋段。

8 結束語

（1）三臺階七步平行流水開挖法施工淺埋大跨軟弱圍巖隧道非常實用，能夠有效保證大跨隧道拱部的施工安全。

（2）靈活的開挖與支護手段及相應的技術措施適應了地質變化，可以在多種開挖法中變化過渡，真正做到“巖變我變”，有效保證了隧道施工安全。這在萬石山間斷性軟弱圍巖中特別適用，極大地減少了工序轉換所帶來的機械設備及人員等資源配置。

（3）與雙側壁導坑法相比，可節(jié)省大量的臨時支護費用，減少投資，每延米節(jié)約近5000 元。