軟弱地層大斷面隧道施工方案與施工技術(shù)

蘇曉敏

（中鐵十一局一公司 湖北襄陽 441104）

軟弱地層大斷面隧道施工方案與施工技術(shù)

蘇曉敏

（中鐵十一局一公司 湖北襄陽 441104）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，鐵路建設(shè)領(lǐng)域出現(xiàn)出很多大的斷面隧道。本文將以大斷面隧道在軟弱地層中的施工作為研究對(duì)象，探討軟弱地層大斷面隧道施工方案和對(duì)技術(shù)施工進(jìn)行相應(yīng)的闡述。

軟弱地層；大斷面隧道；施工方案；施工技術(shù)

1 引言

筆者參與了湘桂鐵路永州到柳州擴(kuò)能改造工程VI標(biāo)施工，標(biāo)段共3座隧道8049m，其中：梅子坳隧道全長(zhǎng)5402m（筆者參與施工2197m）、四方嶺隧道全長(zhǎng)681m、六洛隧道全長(zhǎng)1966m。此隧道群位于廣西桂林北部山區(qū)，環(huán)山繞河，河谷深切，多成“V”型深谷，隧道所經(jīng)地區(qū)為剝蝕中低山地貌區(qū)，上覆粗角礫土、碎石土，下伏基巖為砂巖偶夾頁巖多呈軟弱圍巖，裂隙發(fā)育強(qiáng)烈，地質(zhì)條件較差，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖占到隧道全長(zhǎng)的75%以上。多數(shù)隧道進(jìn)、出口地形淺埋偏壓嚴(yán)重。隧道斷面面積為130.5～150.46m2的200km/h客貨共線鐵路隧道。

隧道設(shè)計(jì)采用的初期支護(hù)包括：I20b與I18型鋼拱架、三肢格柵鋼拱架、超前小導(dǎo)管、超前錨桿、鋼筋網(wǎng)及噴射混凝土；二次襯砌及拱墻采用C35混凝土。

2 軟弱地層大斷面隧道施工方案比選

在落實(shí)“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”十八字隧道施工方針，并認(rèn)真遵循原鐵建設(shè)[120]文件的前提下，在對(duì)軟弱地層進(jìn)行施工時(shí)，要選擇適合并且合理的施工方法。軟弱地層主要采取的施工方法有：雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法、CRD法以及臺(tái)階法（三臺(tái)階七步法）。

在本標(biāo)段隧道施工過程中，因需要充分考慮工程的工期和成本，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的具體情況和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，科學(xué)合理的選擇施工方案，因此將CRD法臺(tái)階法（三臺(tái)階七步法）與進(jìn)行比選。

2.1 CRD法

利用CRD方法對(duì)大斷面隧道進(jìn)行開挖，主要是從上中下部分還有左側(cè)和右側(cè)等部分依次進(jìn)行開挖。施工順序如下：施工超前支護(hù)：拱部120°范圍，打設(shè)39根準(zhǔn)108mm大管棚，管長(zhǎng)30m。開挖：首先施工結(jié)構(gòu)的上部左側(cè)，單循環(huán)開挖0.6m，隨后利用混凝土進(jìn)行噴射封閉，噴射封閉厚度約為5cm左右，然后架設(shè)全環(huán)I20b工字鋼架，并用混凝土進(jìn)行噴射，噴射厚度約為24cm左右。

待結(jié)構(gòu)的上部左側(cè)開挖的長(zhǎng)度約為3～5m的時(shí)候，然后開挖中部左側(cè)，開挖工序和剛開始相同。隨后施工結(jié)構(gòu)的上部右側(cè)、中部右側(cè)、下部左側(cè)和下部右側(cè)，它們的施工工序都是相同的，對(duì)仰拱，其開挖采用臨時(shí)棧橋的方法施工，開挖長(zhǎng)度不超過3m，并采用分段間隔開挖施工，待施工完成后，立即采用仰拱回填施工的初期支護(hù)方法。最后，利用襯砌模板臺(tái)車對(duì)工程中的二次襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行澆筑。

施工期間監(jiān)控量測(cè)，按照5m每斷面布置（V、VI級(jí)圍巖），對(duì)拱頂、拱腰、拱腳、仰拱填充面進(jìn)行水平收斂、拱頂下沉、仰拱頂面高程的監(jiān)測(cè)。

2.2 三臺(tái)階七步施工法

在施工過程的中，主要分為七個(gè)開挖面，這種作業(yè)方法簡(jiǎn)單的說，就是在七個(gè)不同的位置一起進(jìn)行開挖施工，分部做好開挖的支護(hù)工作，以保證支護(hù)整體的完成，進(jìn)而減少施工作業(yè)的時(shí)間。開挖時(shí)，主要分為上部及中部、下部和底部等四個(gè)部分，利用錯(cuò)臺(tái)臺(tái)階的形式進(jìn)行施工。

在此施工過程中，主要在上部和中部之間要保留不超過5m的間距，上部要超前開挖3～5m，同理，中部與下部之間也要保留有不超過5m的間距，底部和下部之間的間距也是如此，以此類推進(jìn)行逐級(jí)開挖。對(duì)于這種施工方法來說，在開挖階段的初期，應(yīng)形成平行支護(hù)并確保下臺(tái)階支護(hù)體系的形成，這種支護(hù)體系必須具有良好的穩(wěn)定性和封閉性。通常情況下，利用這種方法進(jìn)行大斷面隧道施工時(shí)，為了工程施工的方便，要控制各個(gè)臺(tái)階的高度，以上臺(tái)階為例來說，高度要保持在3～5m，而中臺(tái)階的高度一般為3～4m之間，下臺(tái)階與中臺(tái)階具有相同的高度。同時(shí)，在輪廓線中，要在提前留出大約30cm的厚度，并采用人工進(jìn)行開挖。在以上的施工中，要判斷圍巖的穩(wěn)定性，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)。然后再對(duì)仰拱進(jìn)行施工，并進(jìn)行填充。其施工立體效果圖如圖1所示。

圖1 三臺(tái)階七步施工法立體效果圖

這種方法大大縮短了工作時(shí)間，形成了一個(gè)穩(wěn)定且封閉的下臺(tái)階支護(hù)體系。在遇到斷層破碎、軟弱圍巖和淺埋等穩(wěn)定性較差的圍巖是，開挖過程中要采取輔助措施來防止坍塌。

2.3 方案分析

對(duì)上述的方案進(jìn)行比較可以得知，對(duì)于CRD法來說，其具有可以控制變形的優(yōu)點(diǎn)，并改進(jìn)大斷面，使其成為小的斷面，從而施工安全和工程質(zhì)量得以保障。但是其也具有施工周期長(zhǎng)，工程的進(jìn)度不理想的缺點(diǎn)。相比之下，三臺(tái)階七步法的施工周期大幅縮短，在保證工期、安全性和工程質(zhì)量的前提下，三臺(tái)階七步法是非常重要的必選方案。因此，在隧道進(jìn)洞的階段及穿越斷層裂隙水發(fā)育等極為不良地質(zhì)條件時(shí)，應(yīng)采用CRD法進(jìn)行施工，在進(jìn)入地質(zhì)較為穩(wěn)定，裂隙水不發(fā)育地段時(shí)，可參考三臺(tái)階七步法進(jìn)行施工。

3 軟弱地層大斷面隧道的力學(xué)特征和共性問題

3.1 軟弱地層大斷面隧道基本的力學(xué)特征

軟弱地層的土層條件相對(duì)較差，大隧道開挖的跨度比通常也比較大，開挖過程中的受力條件也相對(duì)較復(fù)雜。因?yàn)榇罂缍人淼乐饕獮橐环N拱形結(jié)構(gòu)，開挖后，解除了周邊的應(yīng)力，巖體發(fā)生了變形，變形后的巖體向隧道內(nèi)移動(dòng)，巖體內(nèi)的初始應(yīng)力也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，一定范圍內(nèi)的巖體重新開始分布。受到隧道的開挖影響，圍巖的三向受力狀態(tài)也開始發(fā)生相應(yīng)的變化，近乎接近二向受力的狀態(tài)，再加上在變形和圍巖移動(dòng)的影響下，各種軟弱結(jié)構(gòu)在受到不同程度的影響作用下進(jìn)而發(fā)生破壞松弛現(xiàn)象，尤其是受到裂縫、節(jié)理等因素的進(jìn)一步影響下，開挖以后的巖體與開挖之前的巖體相比強(qiáng)度更低一些，圍巖較容易發(fā)生塑性屈服，進(jìn)而出現(xiàn)更大變形破壞的現(xiàn)象。尤其是淺埋隧道中的拱形效應(yīng)沒有有效地得到發(fā)揮，就會(huì)產(chǎn)生非常大的松弛應(yīng)力，這對(duì)控制變形和圍巖穩(wěn)定是十分不利。

3.2 軟弱地層大斷面隧道共性問題和對(duì)策

（1）在一般的情況下，如果排除構(gòu)造應(yīng)力造成的影響，圍巖壓力的主要方向就是豎向的，在側(cè)向上的壓力比較小，這也就是說，如果洞室的矢高較小，那么圍巖就是相對(duì)比較穩(wěn)定的，否則，就會(huì)影響到圍巖的穩(wěn)定性，控制和減小一次性開挖高度就對(duì)圍巖穩(wěn)定性起到至關(guān)重要的作用。

（2）對(duì)于大斷面隧道，其矢高越大，在施工期間拱部的拉應(yīng)力相應(yīng)的也會(huì)變大，因此，若拱部破碎或裂隙發(fā)育，掉塊頻繁或裂隙水發(fā)育影響圍巖穩(wěn)定后，需要強(qiáng)化拱部支護(hù)的參數(shù)，以此來確保結(jié)構(gòu)的安全性。

（3）隧道的輪廓通常比較扁平，這就使圍巖成拱效應(yīng)被相應(yīng)的削弱，如果想要形成比較自然的平衡拱，就要確保圍巖具有足夠高的強(qiáng)度，此外，還要保證有足夠大的埋深，如果在施工過程中的下沉量相對(duì)來說較大，就會(huì)使較大的荷載施加在支護(hù)結(jié)構(gòu)上。及早進(jìn)行封閉，將初期支護(hù)封閉成環(huán)，及時(shí)施作仰拱也可有效對(duì)穩(wěn)定圍巖抑制拱頂下沉和周邊收斂。

（4）對(duì)大斷面隧道而言，對(duì)初期支護(hù)，要求具有一定的整體性，支護(hù)結(jié)構(gòu)承受很大的荷載。所以，對(duì)整個(gè)斷面，尤其是支護(hù)接頭的位置，要保證拱架剛性連接質(zhì)量。除此之外，對(duì)各個(gè)接頭部分而言，初期支護(hù)和圍巖也要保證其連接具有可靠性。

4 結(jié)束語

結(jié)合以上說明，隨著大斷面隧道的逐漸增加，在保證安全性和施工進(jìn)度的前提下，一定要對(duì)各種設(shè)計(jì)技術(shù)和施工方案進(jìn)行全面的分析，對(duì)施工控制、施工管理、施工工藝、施工技術(shù)和施工流程等方面也相應(yīng)地提出了更高的要求。因此在解決施工中存在的各種問題時(shí)，要全面利用各種新概念和新方案。在隧道的施工過程中，工作人員應(yīng)根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況來做好監(jiān)控量測(cè)和觀察記錄，并根據(jù)實(shí)際的情況來對(duì)圍巖進(jìn)行分析，并判斷其穩(wěn)定性。一旦發(fā)現(xiàn)與實(shí)際情況不符的圍巖狀況，施工單位要視實(shí)際圍巖狀況、監(jiān)控量測(cè)結(jié)果并結(jié)合常規(guī)地質(zhì)調(diào)查、鉆孔法、物探法等相關(guān)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)結(jié)果，提出相應(yīng)的意見和建議，然后報(bào)請(qǐng)業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、咨詢等方面協(xié)商后進(jìn)行修改，以保證施工的安全、順利進(jìn)行。

[1]午向陽，蔣宗權(quán)，李鵬飛，等.大斷面隧道下穿高速公路施工方案優(yōu)化研究[J].鐵道建筑，2010（11）：72～73.

[2]蒙秀林.軟弱地層大斷面淺埋暗挖隧道施工技術(shù)探討[J].科技資訊，2012（33）：164～165.

[3]樊明軍.大斷面隧道施工技術(shù)研究[J].黑龍江交通科技，2013（12）：195～196.

U455.4

A

1004-7344（2016）09-0135-02

2016-3-10

蘇曉敏（1983-），男，工程師，大學(xué)本科，主要從事鐵路及市政軌道交通方面的研究。