復雜環(huán)境下軟硬交互地層小凈距隧道開挖技術

張興愿

摘 要：以北京東路1#號隧道施工為依托，確立了淺埋軟硬交互地層小凈距隧道施工開挖技術，提出了巖質圍巖和土質圍巖采用兩種有密切聯系但又有區(qū)別的開挖方法，小凈距隧道中夾巖柱加固措施，在保證施工的連續(xù)性的基礎上實現了施工的差異性，有效地控制了地表及洞內沉降，保證了施工安全。

關鍵詞：小凈距隧道 預留核心土弧形導坑法 微臺階輔以部分中隔壁和臨時仰拱法

中圖分類號：U459.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（c）-0061-06

1 工程概況

北京東路1#隧道位于貴陽市市區(qū)，隧道單洞全長1455 m，凈高8.01 m，單洞凈寬14.79 m，斷面積171 m2，隧道進口段凈距設計為1.89 m，出口凈距為4.89 m，根據小凈距的定義，此隧道屬于典型的小凈距隧道；隧道埋深在5.4 m～19 m之間；洞身通過地段圍巖級別全部為Ⅴ級圍巖，地質主要為強風化頁巖、泥巖和泥質灰?guī)r，遇水易軟化，地下水發(fā)育，局部存有極少量中風化或弱風化巖體團塊。北京東路1#隧道走向從西到東，起于貴陽萬東花園后，依次穿越貴陽市文聯倉庫、貴開路拆遷安置房一棟6層和一棟8層樓、在建金獅小區(qū)獅子組團2#和3#樓、貴烏變電站、在建的金獅中學、貴陽市精神病院、百花山路、金獅游泳館，金獅小區(qū)17#、18#、20#、21#樓、止于百花山民房區(qū)，其與地面建筑的相互關系見圖1。該隧道遭遇上軟下硬（上部強風化，下部中風化或弱風化）以及局部地段軟硬交替（強風化巖體局部夾雜中風化巖體團塊）等地質現象，加上隧道開挖跨度大，埋深淺、地表建筑物密集，為國內罕見的穿越建筑密集城區(qū)的小凈距隧道，其施工安全風險大，爆破技術要求高，對中夾巖柱的保護必須及時，因此，在如此復雜城市環(huán)境下軟硬交互地層淺埋小凈距隧道使用何種開挖工法，是工程成敗的關鍵。

2 先行洞及開挖工法的確定

在工程施工中，采用計算機模擬與現場監(jiān)測數據相結合的方式來確定非對稱建筑荷載下、不同質地圍巖的先行洞及開挖工法。先行洞的選取。以巖質圍巖模擬計算拱頂沉降和中夾巖柱的主應力及水平位移來確定先行洞，土質圍巖與巖質圍巖計算結果基本相同，不再贅述。巖質圍巖左洞先行和右洞先行拱頂沉降對比見圖2和圖3。從圖2和圖3看，2種工法以右洞先行沉降較小。因此，單就拱頂沉降而言，選用右洞作為先行洞對施工安全是有利的。巖質圍巖左洞先行和右洞先行中夾巖柱的主應力和水平位移中巖柱應力監(jiān)測結果見圖4和圖5。巖質圍巖CRD法和微臺階預留核心土弧形導坑法不同先行洞中夾巖柱水平位移監(jiān)測結果見圖6和圖7，結果表明，不論是在巖質圍巖還是土質圍巖情況下，不管采用何種工法進行施工，選用右洞先行時，拱頂的豎向位移、中夾巖柱的應力及水平位移都較選用左洞先行時要小，這是由于非對稱建筑荷載下圍巖體應變能密度分布不均勻，存在相對較大區(qū)（建筑物荷載和地層荷載較大）和相對較小區(qū)（建筑物荷載和地層荷載較?。?，隧道開挖過程中，通過應力重分布（實現內力平衡的過程），應變能（彈性和塑形應變能或彈性和塑性勢能）將從應變能密度較大區(qū)向較小區(qū)轉移。故復雜城市環(huán)境下軟硬交互地層淺埋小凈距隧道宜選擇右洞（埋深大、荷載大一側）作為先行洞。施工中按右洞先行于左洞35～50 m控制，右洞洞口段初支成環(huán)，仰拱及填充施做后，再開挖左洞。

3 巖質圍巖段洞身開挖及工序

根據地質勘探資料，在建北京東路1#隧道里程樁號K0+400～K0+600段為巖質圍巖。隧道在里程K0+460時從8層安置樓和8層金獅組團2#、3#樓下方穿過，左洞距離8層安置樓的條形地基只有7 m，右洞距離8層金獅組團2#、3#樓的樁基只有6.4 m，為典型的非對稱荷載作用下的小凈距隧道施工。

3.1 工法選擇

本段落設計為CRD法，但此段為石質圍巖，施工過程中需要爆破，爆破對CRD法的中隔墻破壞非常大；同時CRD法單洞斷面小，不利機械于施工和人工操作，效率低。后調整為微臺階預留核心土環(huán)形導坑法。兩種工況的拱頂沉降測點布置如圖8所示，拱頂沉降結果見表1和圖9。兩種工況的中夾巖柱應力測點布置見圖10，應力結果見表2和圖11，中夾巖柱水平位移測點布置如圖13，水平位移結果見表3、圖14和圖15。噴射混凝土彎矩、軸力對比結果見圖15。經計算機模擬拱頂豎向位移和現場2種工況拱頂沉降監(jiān)控量測數值對比，以及2種功法下中夾巖柱左右兩側的水平位移及中夾巖柱左右兩側的應力值的比對可知：采用CRD法施工對采用微臺階預留核心土弧形導坑法在控制拱頂沉降、中夾巖柱水平位移上等有一定的優(yōu)勢，但綜合考慮工程工期和造價方面，采用微臺階預留核心土弧形導坑法能在保證施工安全的基礎上加快工程的進度，減少工程的總投資，因此北京東路1#隧道巖質圍巖段施工宜采用微臺階預留核心土弧形導坑法進行施工。

3.2 微臺階預留核心土弧形導坑法工序

見表4。

3.3 土質圍巖段洞身開挖及工序

根據地質勘探資料，在建北京東路1#隧道里程樁號K0+690～K0+900段為土質圍巖。走向從西到東，隧道橫向穿越百花山沖溝，里程K0+792.8時，從金獅3號停車場，21#樓1單元及24#樓基地持力層通過。左洞穿過金獅3號停車場和21#樓一單元，與基底高差約8.3 m，右洞距24#樓垂直距離13.1 m，水平距離5.8 m，對開挖沉降要求及其嚴格，施工難度極大，因此施工工法的選擇也尤其重要。

3.3.1 工法選擇

在土質圍巖中，如果依然采用二臺階的微臺階預留核心土弧形導坑法有可能不能滿足施工對圍巖及隧道變形的控制，故以里程為K0+792.8的剖面地質條件與建筑物荷載進行模擬計算對比CRD法、微臺階預留核心土弧形導坑法和微臺階輔以部分中隔墻和臨時仰拱法三種開挖工法的施工力學行為，確定適合土質圍巖的小凈距施工開挖方案為“微臺階輔以部分中隔墻法”。（1）拱頂沉降。結果見表5。不管采用何種開挖方法，左洞拱頂的最大沉降值基本上是一致，但右洞拱頂的沉降值差距較大，其中，CRD法的拱頂沉降值最小，微臺階預留核心土弧形導坑法的拱頂沉降值最大，而微臺階輔以部分中隔墻和臨時仰拱法則居中。（2）地表沉降值。不同工法結果見圖20。（3）支護系統(tǒng)內力。噴射混凝土彎矩結果見圖21～圖23及表6。噴射混凝土軸力結果見圖24～圖26。施工現場圖見圖27和圖28。結果發(fā)現：微臺階輔以部分中隔墻和臨時仰拱法施工相較于CRD法施工在抑制拱頂沉降和地表變形方面稍處于劣勢，但相較微于臺階預留核心土弧形導坑法可產生相對較小的拱頂沉降，可更好的抑制地表的沉降。從施工方便、控制地層變形、工程進度和工程造價等因素綜合考慮，北京東路1#隧道土質圍巖斷的施工宜采用微臺階法輔以部分中隔墻和臨時仰拱進行施工。

3.3.2 微臺階輔以部分中隔墻和臨時仰拱法施工工序

微臺階輔以部分中隔墻和臨時仰拱法的施工開挖方式如圖29所示。其詳細的施工工序如下：1—右洞上臺階左導坑開挖支護、中隔墻、臨時仰拱施工；2—右洞中臺階左側開挖及支護；3—右洞上臺階右導坑開挖支護及臨時仰拱施工；4—右洞中臺階右側開挖及支護；5—右洞下臺階左側開挖及支護；6—右洞下臺階右側開挖及支護；7—右洞左側小仰拱開挖及澆注；8—右洞右側小仰拱開挖及澆注；9—右洞中臺階核心土開挖；10—右洞下臺階核心土開挖；11—右洞中槽仰拱開挖及澆注；12—左洞上臺階右導坑開挖支護、中隔墻、臨時仰拱施工；13—左洞中臺階右側開挖及支護；14—左洞上臺階左導坑開挖支護及臨時仰拱施工；15—左洞中臺階左側開挖及支護；16—左洞下臺階右側開挖及支護；17—左洞下臺階左側開挖及支護；18—左洞右側小仰拱開挖及澆注；19—左洞左側小仰拱開挖及澆注；20—左洞中臺階核心土開挖；21—左洞下臺階核心土開挖；22—左洞中槽仰拱開挖及澆注。

4 開挖安全控制技術措施

本隧道巖質圍巖采用微臺階法鉆爆開挖，土質圍巖采用微臺階法輔以部分中隔墻和臨時仰拱、挖掘機+人工配合開挖。（1）中夾巖柱的加固措施。采用“小導管注漿+系統(tǒng)錨桿+水平貫通預應力錨桿”法對中夾巖柱進行加固。其中土質圍巖和節(jié)理裂隙發(fā)育的巖質圍巖段采用先“小導管注漿+系統(tǒng)錨桿”加固提高中夾巖柱圍巖參數，然后對其采用“水平貫通預應力錨桿”加固；巖質節(jié)理裂隙不發(fā)育的圍巖，由于可注漿性差，提高圍巖參數較為困難，使用低預應力對拉錨桿對中壁進行加固，為了避免預應力的損失，可采用多次張拉的方法進行。錨桿長度為2洞之間中夾巖柱的厚度（1.89～4.89 m）。Φ25 mm螺紋鋼筋，張拉設備采用穿心式單作用千斤頂。錨桿預張拉力為50 kN，一端固定，一端張拉。錨桿固定端和張拉端沿縱向間隔一排布置，在同一截面上間隔進行張拉，以避免產生局部壓應力集中。施加預拉力時，邊張拉、邊擰緊錨具，施加初始預加力的相應油壓值一般為設計油壓的10%，以此作為丈量鋼筋伸長量的起算點。預拉力錨桿的張拉一律采用雙控法，油壓值的誤差不得超過±2%，伸長量的誤差不得超過±5%（量測伸長率時注意巖體壓縮，參照點不得采用墊板）。施工中千斤頂端部及非張拉端鋼筋端部嚴禁站人，并加設防護措施。張拉后的鋼筋在未灌漿前嚴禁碰擊、踩踢。灌漿工作必須避開鋼筋端部，以防預應力鋼筋突然斷裂彈出傷人。（2）洞身周圍巖土體預加固措施。巖質圍巖條件下，采用超前小導管預加固；土質圍巖條件下，采用大管棚+超前小導管預加固。（3）錨筋樁加固。對圍巖極其破碎，滲水突出比較嚴重地段，在上臺階鋼架底部每側設6φ42鋼管鎖腳和鋼板聯結，鎖腳鋼管中植入φ22鋼筋，提高其整體剛度；在中臺階每側設φ80鋼管錨筋樁；在不便于潛孔鉆施工地段，采取各榀工字鋼拱腳采用鋼板焊接在一起，或用20號工字鋼（0.4m長）取代連接鋼筋，增強各榀工字鋼架之間的整體性，控制初期支護下沉及向隧道內收縮變形。（4）控制爆破。通過爆破試驗，居民對1.2cm/s的爆破速度能夠承受，對于大于1.2cm/s的爆破速度，許多居民表現出了擔心和恐慌，有鑒于此，將房屋的控制爆破速度為1.2cm/s，貴烏電站為0.5cm/s作為爆破控制指標。采用分區(qū)高精度數碼電子雷管平峰微震精細控制爆破技術，見圖30和圖31，保障了隧道和上部建筑物的安全并有效消除了居民對房屋下部爆破的恐慌。

5 結語

（1）復雜城市環(huán)境下軟硬交互地層淺埋小凈距隧道開挖時，應以荷載大、埋深大一側作為先行洞開挖，以保證施工安全。（2）復雜城市環(huán)境下軟硬交互地層淺埋小凈距隧道開挖時關鍵是加固中間巖柱。由于該類型隧道圍巖自穩(wěn)性及支護結構的受力較一般隧道復雜，對于軟弱圍巖必須注漿預應力對拉錨桿等措施加固。以確保中間巖柱的穩(wěn)定。（3）爆破作業(yè)，必須采用預裂爆破和光面爆破技術、分區(qū)域以平峰微震精細控制爆破，保證隧道和上部建筑物的安全并有效消除了居民對房屋下部爆破的恐慌，同時減小爆破震動對隧道結構的影 響。（4）復雜城市環(huán)境下軟硬交互地層淺埋小凈距隧道開挖前，必須對洞身周圍巖土體預加固，控制開挖進尺、初支及時封閉成環(huán)、仰拱、二襯緊跟，必要時中臺階初支拱腳設錨筋樁等措施。

參考文獻

[1] 劉澤.淺埋偏壓小凈距公路隧道開挖施工技術[J].市政技術，2010（4）.

[2] 楊得升.復雜條件下大斷面小凈距隧道施工方法及荷載力學分布機制研究[D].中南大學，2011.

[3] 劉生秀.小凈距雙洞隧道施工技術[J].采礦技術，2004（4）.