大斷面軟巖開挖與支護研究

徐 應(yīng) 中

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072 )

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大斷面軟巖開挖與支護研究

徐 應(yīng) 中

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072 )

通過對達州長田新區(qū)楊柳埡隧道施工技術(shù)進行研究，歸納總結(jié)了軟巖常規(guī)鉆爆法施工中開挖與支護施工要點，可供類似工程參考應(yīng)用，以期達到培養(yǎng)工程局技術(shù)力量、節(jié)約工期、成本的目的。

大斷面；軟巖；開挖；支護；研究

1 概 述

達洲長田新區(qū)楊柳埡隧道為分離式雙洞隧道，右線起止樁號為K0+280～K0+970，全長690 m，左線起止樁號為K0+260～K0+970，全長710 m，區(qū)間埋深20～133 m，開挖斷面為162 m2，圍巖破碎，以V類圍巖為主。

2 開挖方法的比選

軟巖中的大斷面洞室不能使用一次成洞法，因為圍巖的自穩(wěn)時間不能滿足支護時間的需要，對此，鐵路系統(tǒng)編制出各類開挖方法，如CRD法、CD法，許多方法與水電工程相近，如留核心土法、分層法等。因此，選用適合該工程的開挖方法至關(guān)重要.

2.1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的優(yōu)缺點比較

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法雖然適用于大斷面隧洞開挖，但因?qū)⑵浞殖扇龎K后每塊凈空太小而不好操作，暫不開挖但必須開挖部分由于為了避免重復(fù)支護而只能做簡單支護，施工速度較慢，成本較高，故該工程未選用。

2.2 CRD法的優(yōu)缺點比較

CRD法，又稱交叉中隔壁法。該開挖方法因其工序太復(fù)雜，且亦存在重復(fù)支護過多的弊端，若按該方法施工，不僅成本極高，施工速度極其緩慢，而且比處理塌方還要復(fù)雜，故該工程未選用該方法。

2.3 分層開挖法和分區(qū)開挖法的優(yōu)缺點比較

同時對隧洞分上中下三層開挖和由中間向兩側(cè)分三個區(qū)的開挖方法進行了比選，這兩種方法雖然較雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD法簡單，但對于該工程多為Ⅴ類圍巖、巖石極為破碎、斷面大、掌子面不能自穩(wěn)的現(xiàn)狀，仍不宜采用以上兩種開挖方法。

2.4 留核心土法的優(yōu)缺點比較

由于掌子面常常不能自穩(wěn)而無法形成垂直掌子面，經(jīng)方案比選，該工程決定采用環(huán)形開挖留核心土法，同時將其與超短臺階法相比，臺階長度可適度加長，以減少上下臺階的施工干擾;與側(cè)壁法相比，施工機械化程度可相對提高，施工速度可加快，故選擇留核心土法不僅保證了施工安全，同時在成本和工期上對于該工程而言也是首選方案，故該工程最終選用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法施工。

環(huán)形開挖預(yù)留核心土法施工情況見圖1。

圖1 環(huán)形開挖預(yù)留核心土法開挖橫斷面圖

環(huán)形開挖預(yù)留核心土法施工工序：

(1)拱部超前支護①→拱部環(huán)形開挖②→拱部初期支護③。

(2)上臺階左側(cè)超前支護④→上臺階左側(cè)開挖⑤→上臺階左側(cè)初期支護⑥。

(3)上臺階右側(cè)超前支護⑦→上臺階右側(cè)開挖⑧→上臺階右側(cè)初期支護⑨。

3 支護理念與支護結(jié)構(gòu)

3.1 支護理念

“新奧法”改變了我們的支護理念，它把圍巖從一種荷載變?yōu)橐怀休d荷載的結(jié)構(gòu)。真正樹立這一理念、選擇正確的支護結(jié)構(gòu)與支護參數(shù)，對于圍巖支護問題就能迎刃而解。

在軟巖中的支護，一定要牢牢樹立充分利用并提高圍巖自承能力這一理念。使圍巖中起支護作用的各種結(jié)構(gòu)物，如鋼拱架(格構(gòu)梁)、錨桿、噴混凝土等共同聯(lián)合起作用而組成一個支承拱，在軟巖中這幾項要素缺一不可，否則不是被破壞，就是頂不住松弛巖體產(chǎn)生的山巖壓力。盡量不要讓圍巖松弛，一般而言，沒有松弛的圍巖保持其承載力或再提高圍巖的承載力比較容易,一旦松弛，就很難再讓其保持原來的承載力。

3.2 支護結(jié)構(gòu)

3.2.1 支護結(jié)構(gòu)中錨桿類型的選擇

在聯(lián)合體支承拱中，錨桿起到的是主導(dǎo)性作用，因此，錨桿類型的選擇極為重要。錨桿在硬巖與軟巖中的作用機理是有差別的，筆者介紹了楊柳埡隧道施工中錨桿方案的比選：

自進式錨桿：為中孔錨桿，原來的設(shè)計目的是在松散破碎巖體中使用一種能保證注漿飽滿的全固結(jié)錨桿，但事實上存在成本高、抗剪能力差、注漿無法飽滿等缺陷。

水泥卷錨桿：施工方便，只能用于能成孔的巖體中，錨固力稍低于砂漿錨桿，錨桿孔周邊無砂漿滲透，實際上是一種摩擦型錨桿。

通過對楊柳埡隧道支撐拱中所使用的錨桿進行試驗比選,最終選擇了全固結(jié)砂漿錨桿。全固結(jié)砂漿錨桿雖然安裝困難(一般松散體巖石中成孔差)，不能施加預(yù)應(yīng)力，但可以施加張拉應(yīng)力，若在桿尾加墊板、待其達到一定強度后再施加張拉應(yīng)力(預(yù)應(yīng)力更好)，則約束圍巖變形的效果很好。值得重視的是注漿質(zhì)量、漿液水灰比、稠度以及注漿泵性能。錨桿長度不宜過長，密度要適當(dāng)，砂漿濃度中的水灰比以(0.45～0.5)∶1為宜。

3.2.2 錨桿參數(shù)的選擇

若圍巖出現(xiàn)不穩(wěn)定跡象，說明原來使用的錨桿參數(shù)不對，因此，錨桿參數(shù)的確定十分重要。錨桿的作用有兩個方面：在塊狀圍巖中其具有懸吊作用與組成支承拱作用；在松軟巖體中，其懸吊作用不明顯，主要是起支承拱作用。因此，筆者主張：塊狀硬巖中錨桿可以布置的稀一點，而軟巖中則要布置的有足夠的密度，可以是1 m×1 m甚至更密，錨桿長度與洞室斷面大小及形狀有關(guān)，該工程采用的是0.8 m×0.8 m，效果較好。

3.2.3 管棚的選擇

管棚的選擇和使用：鐵道系統(tǒng)喜歡大長管棚，但實際上隧道內(nèi)不宜使用大管棚。因為大管棚需要一個操作空間，長管棚使后段外仰過多而成為無用段，而且在隧道中大管棚與小管棚的作用是一樣的，所以，該工程選擇了小管棚，通過施工應(yīng)用，效果很好。

3.3 支護強度

新奧法強調(diào)支護強度，但必須區(qū)別于支護厚度與支護剛度。當(dāng)圍巖出現(xiàn)不穩(wěn)定或變形量過大時，不能用增加支護物的厚度或剛度去解決問題，而是要增加支護強度去抑制圍巖變形。增加支護強度的最好辦法是增加錨桿的長度與密度。當(dāng)然，視情況也要增加支護物中的鋼構(gòu)件，也就是說，在軟巖中，不能過份強調(diào)柔性支護，如使用工字鋼架，必須明白鋼拱架與巖石面之間不能脫空，鋼架不一定大。

3.4 軟巖開挖后的及時支護與封閉

及時支護與及時封閉：新奧法強調(diào)適時支護，開挖后對圍巖退讓部分應(yīng)力后尋找一最佳支護時間，即在支護阻力達到最低點時進行支護。這一點在硬巖中或許能找到，但在軟巖中卻是找不到的，或許其根本就不存在。因此，對于軟巖而言一定要及早支護。一般的做法是立即噴一層混凝土，及早封閉巖面；封閉和充填所有節(jié)理裂隙，阻止裂隙間小顆粒與軟弱物質(zhì)被擠壓出來，保持其具有的楔子作用，不降低圍巖強度，保持圍巖穩(wěn)定。實踐也證明了及時采用噴混凝土封閉，能延長圍巖的自穩(wěn)時間(但不能阻止圍巖變形)，從而有時間做進一步的支護，如安裝格構(gòu)梁、錨桿及再噴混凝土等。需要注意的是支護時間，對于硬巖(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類巖)可延后一段時間，而軟巖則宜早。

當(dāng)然，在沒有自穩(wěn)時間或自穩(wěn)時間很短的圍巖中開挖，超前管棚與超前錨桿的預(yù)支護是很有必要的。在高塑性地層中開挖成洞后及時形成封閉環(huán)非常必要，封閉底拱可以用底襯混凝土，也可以用工字鋼加底錨。

3.5 噴鋼纖維混凝土

噴鋼纖維混凝土在不良地質(zhì)條件下的洞室開挖中能起到快速封閉的作用。通過噴射鋼纖維混凝土，能快速、有效地提高不穩(wěn)定塊體、斷層及巖脈等不良地質(zhì)條件下圍巖的自穩(wěn)能力，從而保證施工安全。用噴鋼纖維混凝土與噴微纖維混凝土來取代網(wǎng)噴混凝土是一個很好的發(fā)展方向。

對于噴鋼纖維混凝土，不能完全照搬設(shè)計從試驗室出來的指標(biāo)，試驗室配制的鋼纖維用量每m3混凝土通常達到50～70 kg。通過楊柳埡隧道噴鋼纖維混凝土施工，筆者認(rèn)為鋼纖維的摻量最好為每m3混凝土不超過40 kg。因為鋼纖維加多了其密實度不好，強度反而下降，且易結(jié)團、難噴。鋼纖維加進混凝土中，雖然能防止混凝土表面開裂，但能否增加抗拉強度尚存疑問。試驗結(jié)果為：低標(biāo)號混凝土中，能增加抗拉強度；高標(biāo)號混凝土中，抗拉強度增加極微。

4 塌方的處理

第一類塌方：塊狀巖體中之塌方，規(guī)模不大時宜采用自上而下錨、噴支護進行處理。

第二類塌方：松散體、高塑性巖體中，規(guī)模較大時宜對松散體的圍巖進行支護，支護剛度必須大，需將格構(gòu)梁改為工字鋼。

5 洞口開挖

軟巖區(qū)洞口的開挖：平整掌子面，對開挖邊線以外洞臉噴混凝土支護與錨桿支護，沿開挖邊線設(shè)置管棚，未開挖時即架設(shè)格構(gòu)梁，自上而下分層開挖。

楊柳埡隧道進出口上覆巖層較薄，分別采用了管棚和吊頂法施工，效果較好。

6 結(jié) 語

通過對楊柳埡隧道開挖施工技術(shù)進行研究,總結(jié)出軟巖開挖中的施工要點,實質(zhì)上是對新奧法的發(fā)展應(yīng)用。新奧法是一種理念，而不是一種具體的施工方法，從這一理念出發(fā)、總結(jié)出軟巖中的開挖方法和支護觀念，可為工程局培養(yǎng)新一代技術(shù)力量起到一定的指導(dǎo)作用。

[1] 吳煥通，隧道施工及組織管理指南[M].北京：人民交通出版社，2005.

[2] 混凝土鋼纖維， YB/T151-1999[S].

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2016-08-24

TV52;TV7

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1001-2184(2016)05-0068-03

徐應(yīng)中(1973-)，男，四川巴中人，高級工程師，從事水利水電工程施工技術(shù)與管理工作.