漫談礦山法隧道技術(shù)第十講
——軟弱圍巖隧道中開(kāi)挖斷面早期閉合的施工技術(shù)

關(guān)寶樹(shù)

(西南交通大學(xué)， 四川 成都　610031)

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漫談礦山法隧道技術(shù)第十講
——軟弱圍巖隧道中開(kāi)挖斷面早期閉合的施工技術(shù)

關(guān)寶樹(shù)

(西南交通大學(xué)， 四川 成都610031)

闡述開(kāi)挖斷面早期閉合的概念，指出: 1)開(kāi)挖斷面早期閉合是針對(duì)不良圍巖的對(duì)策； 2)圍巖越差，要求閉合的時(shí)間、距離越短； 3)開(kāi)挖斷面分部越多，閉合距離越長(zhǎng)，對(duì)控制變形不利； 4)開(kāi)挖斷面的早期閉合是指初期支護(hù)的閉合，而不是指二次襯砌的閉合。介紹了日本隧道早期閉合仰拱設(shè)置方法分類(lèi)。認(rèn)為我們已經(jīng)知道如何實(shí)現(xiàn)早期閉合，但還沒(méi)有做到，這需要機(jī)械化水平的提高、縮短單項(xiàng)作業(yè)時(shí)間才能做到。日本采用的開(kāi)挖斷面早期閉合工法已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，介紹其標(biāo)準(zhǔn)模式及開(kāi)挖斷面早期閉合模式的內(nèi)涵。通過(guò)對(duì)日本采用早期閉合工法隧道的實(shí)例統(tǒng)計(jì)分析，將隧道圍巖早期閉合模式劃分為5種，歸納了采用早期閉合工法的理由，統(tǒng)計(jì)了哪些圍巖條件需采用早期閉合工法，并介紹了開(kāi)挖斷面早期閉合隧道的構(gòu)造參數(shù)，以及開(kāi)挖斷面早期閉合隧道的施工方法。以日本七尾公路隧道為例，詳細(xì)闡述全斷面早期閉合施工的管理方法，包括全斷面早期閉合的管理項(xiàng)目，最終位移值的管理基準(zhǔn)值和初期位移速度的管理基準(zhǔn)值及如何確定，全斷面早期閉合模式的基準(zhǔn)及如何根據(jù)施工實(shí)際進(jìn)行修正。從國(guó)內(nèi)外軟弱圍巖隧道的施工實(shí)例，特別是開(kāi)挖斷面早期閉合的實(shí)例中，總結(jié)軟弱圍巖隧道大斷面施工技術(shù)的基本經(jīng)驗(yàn)。最后指出把掌子面前方圍巖的補(bǔ)強(qiáng)與掌子面后方開(kāi)挖斷面早期閉合結(jié)合在一起，在有水的條件下，再把掌子面前方圍巖的超前鉆孔預(yù)測(cè)組合在一起，是解決不良圍巖隧道施工的基本方法。

隧道； 礦山法； 軟弱圍巖； 開(kāi)挖斷面早期閉合

0　引言

隧道施工中遇到的難題，基本上都是在軟弱圍巖和特殊圍巖施工中。工程實(shí)踐表明，在軟弱圍巖中如何盡可能地不讓圍巖松弛或少松弛只有2種方法，一個(gè)是開(kāi)挖后盡早使開(kāi)挖斷面閉合，一個(gè)是在開(kāi)挖前預(yù)先補(bǔ)強(qiáng)圍巖(預(yù)支護(hù))。實(shí)質(zhì)上，目前在軟弱圍巖隧道施工中采用的都是這2種方法的組合。因此，本講重點(diǎn)說(shuō)明在不良圍巖條件下，采用補(bǔ)強(qiáng)圍巖先行，而后采用大斷面開(kāi)挖和支護(hù)的方法使開(kāi)挖斷面早期閉合的施工技術(shù)。

1　開(kāi)挖斷面早期閉合的概念

這里所謂的開(kāi)挖斷面早期閉合，基本上是針對(duì)復(fù)合式支護(hù)體系而言的，與我們經(jīng)常提到的“快挖、快支、快閉合”的概念是一致的。

應(yīng)該指出：并不是所有的圍巖條件都要求開(kāi)挖斷面早期閉合，只是針對(duì)某些不良圍巖才這樣做。因此，可以說(shuō)開(kāi)挖斷面早期閉合是針對(duì)不良圍巖的對(duì)策。

應(yīng)該指出，在有自支護(hù)能力的圍巖中，開(kāi)挖斷面是自然閉合的。即開(kāi)挖后，無(wú)需支護(hù)，斷面會(huì)自行閉合。Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)圍巖基本上屬于此類(lèi)圍巖。因此，盡早使開(kāi)挖斷面閉合，是針對(duì)Ⅲ級(jí)以下的自支護(hù)能力不充分或沒(méi)有自支護(hù)能力的圍巖而言的，特別是后者。

所謂“斷面閉合”有2個(gè)概念，一個(gè)是橫斷面的斷面閉合，一個(gè)是縱斷面的斷面閉合(見(jiàn)圖1)，兩者是相互配合的。從圖1來(lái)看，橫斷面閉合可能出現(xiàn)在上部斷面，也可能出現(xiàn)在下部斷面，而縱斷面閉合則是指最終斷面的閉合。實(shí)際上，斷面閉合多數(shù)是指縱向的斷面閉合?？v向的斷面閉合可以用時(shí)間或距離表示。例如在幾小時(shí)內(nèi)閉合，或在幾米內(nèi)閉合，這與圍巖條件有極大的關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，圍巖越差，要求的斷面閉合時(shí)間越短，也就是斷面閉合距掌子面的距離越短。

Fig. 1Concept diagram of close of longitudinal cross-section of tunnel

從閉合距離來(lái)看，山嶺隧道采用大斷面或全斷面開(kāi)挖，是縮短開(kāi)挖斷面閉合時(shí)間(閉合距離)、減少?lài)鷰r松弛的重要前提條件，也是實(shí)現(xiàn)隧道工程施工機(jī)械化和安全施工的重要條件之一。這也是當(dāng)前山嶺隧道施工技術(shù)發(fā)展的主流。而斷面分部越多，閉合距離就越長(zhǎng)，顯然對(duì)控制可能發(fā)生的變形不利。

所謂的早期閉合的“早”，一般是指初期支護(hù)在距掌子面1D范圍內(nèi)的閉合。開(kāi)挖斷面早期閉合是指初期支護(hù)的早期閉合，而不是二次襯砌的閉合，實(shí)質(zhì)上就是隧道底部與上部斷面早期閉合成環(huán)。因此，要特別關(guān)注隧道底部結(jié)構(gòu)的形成。

根據(jù)日本學(xué)者近期的研究成果，以早期斷面閉合(這里稱(chēng)為“早期閉合仰拱”)為重點(diǎn)，把其按時(shí)期和程度(剛性)劃分為3個(gè)水準(zhǔn)，如表1所示。

我們已經(jīng)知道了如何實(shí)現(xiàn)斷面早期閉合，但還沒(méi)有做到。其基本前提是采用大斷面開(kāi)挖、縮短單項(xiàng)作業(yè)時(shí)間、提高綜合作業(yè)的機(jī)械化水平，這要依靠隧道施工機(jī)械的開(kāi)發(fā)和利用；否則，斷面早期閉合仍然是句空話(huà)。

2　開(kāi)挖斷面早期閉合工法的基本模式

目前，日本采用的開(kāi)挖斷面早期閉合工法已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了，其標(biāo)準(zhǔn)模式見(jiàn)圖2。

開(kāi)挖斷面早期閉合模式的內(nèi)涵如下：1)施工采用功率為330 kW的軟巖隧道掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行全斷面早期閉合； 2)早期閉合距離以Lf=6 m為基本，視初期位移速度(dδ/dt),選定Lc=3 m和掌子面閉合； 3)采用形狀穩(wěn)定的曲線掌子面，為確保掌子面作業(yè)的安全，防止掉塊和剝落，可噴射掌子面混凝土； 4)開(kāi)挖的輔助工法基本上采用注漿長(zhǎng)鋼管超前支護(hù)，必要時(shí)采用掌子面錨桿補(bǔ)強(qiáng)圍巖； 5)根據(jù)量測(cè)的初期位移速度等，決定下一步施工。

3　事例分析

為了便于分析，選定了22個(gè)事例。其中DⅡ1-2例、DⅡ2-8例、DⅢ1-4例、DⅢ2-5例、E1-3例(相當(dāng)于我們的Ⅳ～Ⅵ級(jí)圍巖)，并劃分了5種早期閉合模式(見(jiàn)表2)。

采用早期閉合方法的理由匯總見(jiàn)表3。

從收集的43座采用早期斷面閉合工法的隧道的文獻(xiàn)來(lái)看[1]，采用早期斷面閉合工法的理由可歸納為：1)為了抑制埋深大、不良圍巖的凈空位移； 2)作為應(yīng)對(duì)洞口段滑坡的對(duì)策，抑制對(duì)周邊圍巖的影響； 3)抑制埋深淺、地表存在重要結(jié)構(gòu)物的隧道施工引起的地表下沉等。

實(shí)施隧道斷面早期閉合工法的圍巖狀況見(jiàn)表4。

事例中DⅡ-1、DⅡ-2、E-1型開(kāi)挖斷面早期閉合隧道的構(gòu)造參數(shù)見(jiàn)表5。E-1的構(gòu)造見(jiàn)圖3。

表1　早期閉合仰拱設(shè)置方法分類(lèi)

(a)支護(hù)結(jié)構(gòu)的橫斷面(b)早期閉合的縱斷面

圖2早期閉合的標(biāo)準(zhǔn)模式

Fig. 2Standardized mode of early close

表2隧道斷面早期閉合模式的劃分

Table 2Classification of early close mode of excavation cross-section of tunnel

表3　采用早期閉合的理由統(tǒng)計(jì)

9

表4　圍巖性質(zhì)(事例數(shù))

開(kāi)挖斷面早期閉合構(gòu)造的構(gòu)件與隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)規(guī)格相同。因?yàn)橐s短早期閉合的距離，確保隧道的力學(xué)穩(wěn)定性，抑制過(guò)大變形的發(fā)生，變形富余量應(yīng)與襯砌位移速度相對(duì)應(yīng)，在DⅡ級(jí)圍巖設(shè)定為0，在E級(jí)圍巖設(shè)定為10 cm。

4　開(kāi)挖斷面早期閉合隧道的施工方法

全斷面早期閉合方法是按全斷面開(kāi)挖和每次 3 m早期閉合的模式交互施工。早期閉合距離基本上取Lf=6 m。早期閉合施工單元考慮施工性和施工速度，取Lc=3 m(見(jiàn)圖2)。在早期閉合施工步驟中，全斷面按一次掘進(jìn)長(zhǎng)度1 m，連續(xù)開(kāi)挖3 m，而后一次開(kāi)挖仰拱3 m。設(shè)置3榀仰拱型鋼鋼架，噴混凝土在 3 m間進(jìn)行，開(kāi)挖棄碴臨時(shí)回填仰拱的3 m，這樣就完成了全斷面早期閉合的1個(gè)循環(huán)。

掌子面在清除易于剝落的巖塊后，修整成曲面形狀，采用能夠提高掌子面自穩(wěn)性的穩(wěn)定形狀的曲面掌子面。曲面掌子面由直平面和曲面構(gòu)成。掌子面開(kāi)挖長(zhǎng)度Ls的目標(biāo)是一次掘進(jìn)長(zhǎng)度L的2倍(包括架設(shè)型鋼鋼架的富余量0.3 m)，即基本上Ls=2L。

5　全斷面早期閉合的施工管理方法

下面通過(guò)事例說(shuō)明全斷面早期閉合施工的管理方法。

日本七尾公路隧道長(zhǎng)1 760 m，通過(guò)地段的地質(zhì)為凝灰角礫巖、白色凝灰?guī)r層以及含礫砂巖層等。根據(jù)圍巖試件的試驗(yàn)結(jié)果，幾乎所有項(xiàng)目都顯示是膨脹性圍巖。在這些地段為了抑制變形的增大趨勢(shì)，采用了全斷面早期閉合的施工方法。采用全斷面早期閉合區(qū)間的橫斷面和縱斷面見(jiàn)圖4和圖5。

圖3　早期閉合構(gòu)造(E-1)(單位：mm)

圖4　七尾隧道的橫斷面(全斷面早期閉合區(qū)間)(單位：mm)

Fig. 4Horizontal cross-section of Qiwei Tunnel in Japan (full-face early closed section)(mm)

根據(jù)施工實(shí)際，設(shè)定了如表6所示的全斷面早期閉合模式的基準(zhǔn)。同時(shí)，根據(jù)“洞內(nèi)位移的最終位移值”“洞內(nèi)位移的初期位移速度”“掌子面評(píng)價(jià)點(diǎn)”3個(gè)指標(biāo)設(shè)定了模式的變更基準(zhǔn)，來(lái)綜合判斷是否變更模式(加強(qiáng)或減輕)。

七尾隧道共有4個(gè)區(qū)間，總長(zhǎng)366.6 m，采用全斷面早期閉合工法。其洞內(nèi)位移數(shù)據(jù)(最終位移值)見(jiàn)圖6，這是隧道開(kāi)挖后產(chǎn)生的最終位移值，沒(méi)有包括仰拱施工時(shí)產(chǎn)生的位移值。

為了合理應(yīng)用全斷面早期閉合，通過(guò)七尾隧道研究了全斷面早期閉合的施工管理方法。是以“抑制埋深大的不良圍巖發(fā)生過(guò)度變形(松弛)”為目的采用的。首先，設(shè)定全斷面早期閉合施工中的管理項(xiàng)目(見(jiàn)表7)，以其中比較重要的管理項(xiàng)目——最終位移值作為管理基準(zhǔn)值；而后，從最終位移值反推初期位移速度，設(shè)定初期位移速度的管理基準(zhǔn)值。

圖5　七尾隧道的縱斷面(全斷面早期閉合區(qū)間)

Fig. 5Longitudinal cross-section of Qiwei Tunnel in Japan (full-face early closed section)

5.1全斷面早期閉合的管理項(xiàng)目

全斷面早期閉合的管理項(xiàng)目見(jiàn)表7。

施工管理中，在隧道開(kāi)挖后迅速判斷支護(hù)的穩(wěn)定性是很困難的。為此，一般都是根據(jù)初期位移速度來(lái)預(yù)測(cè)最終位移值。全斷面早期閉合的場(chǎng)合要針對(duì)最終位移值的管理值設(shè)定初期位移速度，而利用初期位移速度的管理基準(zhǔn)值進(jìn)行施工管理。

表6　全斷面早期閉合模式的基準(zhǔn)(用于第1區(qū)間)

圖6　七尾隧道擴(kuò)挖時(shí)的位移值(最終位移值)

管理項(xiàng)目意義、地位最終位移值圍巖及支護(hù)的重要管理項(xiàng)目初期位移速度 根據(jù)開(kāi)挖后的量測(cè)值推定最終位移值的大致基準(zhǔn)掌子面評(píng)價(jià)點(diǎn)(掌子面觀察) 用肉眼辯別圍巖的同時(shí),檢查量測(cè)數(shù)據(jù)是否合理初期仰拱閉合后的位移速度 確認(rèn)初期仰拱的閉合效果,特別是評(píng)價(jià)回填后不能確認(rèn)的初期仰拱的穩(wěn)定性

5.2最終位移值的管理基準(zhǔn)值確定

在七尾隧道中，根據(jù)圍巖的極限應(yīng)變?cè)O(shè)定最終位移值的管理基準(zhǔn)值。施工一開(kāi)始，決定以拱頂下沉40 mm、凈空位移90 mm作為基準(zhǔn)值進(jìn)行施工管理。其結(jié)果在全斷面早期閉合區(qū)間，噴混凝土發(fā)生了開(kāi)裂，其開(kāi)裂狀況見(jiàn)圖7。據(jù)此，認(rèn)為拱頂下沉在30 mm以上，或者凈空位移在60 mm以上時(shí)，噴混凝土?xí)l(fā)生開(kāi)裂。

圖7　噴混凝土發(fā)生開(kāi)裂的狀況

噴混凝土發(fā)生開(kāi)裂時(shí)的應(yīng)變?chǔ)攀怯稍u(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性基準(zhǔn)值的極限應(yīng)變和單軸抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖(見(jiàn)圖8)決定的。首先，根據(jù)下式確定噴混凝土發(fā)生開(kāi)裂時(shí)的應(yīng)變?chǔ)拧?/p>

ε=δ/r×1/(1-α)×100=30/6 000×1/(1-0.4)×

100=0.9%。

式中:δ為七尾隧道噴混凝土發(fā)生開(kāi)裂時(shí)的隧道壁面位移，取30 mm；r為七尾隧道的半徑，6 000 mm；α為隧道先行位移，取40%。

此外，調(diào)查了過(guò)去的施工實(shí)際，全斷面早期閉合大概適用于單軸抗壓強(qiáng)度為0.1～3 MPa的圍巖，此范圍示于圖8。

圖中的散點(diǎn)表示的是不同的巖類(lèi)。

圖8極限應(yīng)變和單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

Fig. 8Ultimate strain vs. uniaxial compressive strength

據(jù)此，需要采用全斷面早期閉合工法的圍巖，其極限應(yīng)變(分布帶的中央值)比噴混凝土發(fā)生開(kāi)裂時(shí)的應(yīng)變大。這說(shuō)明此時(shí)即使噴混凝土發(fā)生開(kāi)裂，也不會(huì)損傷圍巖穩(wěn)定性?？傊?，在全斷面早期閉合中，即使噴混凝土發(fā)生開(kāi)裂，如及時(shí)應(yīng)對(duì)，圍巖不會(huì)發(fā)生松弛。

依上所述，在全斷面早期閉合中，為使完成后支護(hù)的健全狀態(tài)能夠達(dá)到抑制位移的效果，在設(shè)定管理基準(zhǔn)值時(shí)，既要考慮圍巖的穩(wěn)定性，又要考慮支護(hù)的穩(wěn)定性。實(shí)際施工中，在噴混凝土發(fā)生開(kāi)裂、支護(hù)強(qiáng)度降低的場(chǎng)合，做好能夠迅速實(shí)施對(duì)策的準(zhǔn)備是很重要的。

采用全斷面早期閉合時(shí)，設(shè)定最終位移管理基準(zhǔn)值的方法流程見(jiàn)圖9。圖9中管理基準(zhǔn)值(δc)的設(shè)定，要根據(jù)左上方的極限應(yīng)變和右上方的確保噴混凝土穩(wěn)定2方面決定。實(shí)際上，噴混凝土等發(fā)生變異時(shí)的洞內(nèi)位移的設(shè)定方法是個(gè)問(wèn)題。

根據(jù)七尾隧道的事例研究，拱頂下沉在30 mm以上、凈空位移在60 mm以上，噴混凝土?xí)l(fā)生開(kāi)裂。這是根據(jù)施工實(shí)際得到的值，只能作為雙車(chē)道公路隧道設(shè)定管理基準(zhǔn)值的參考。

5.3初期位移速度的管理基準(zhǔn)值

圖7顯示的七尾隧道噴混凝土發(fā)生開(kāi)裂時(shí)的最終位移值是拱頂下沉30 mm、凈空位移60 mm。根據(jù)此數(shù)據(jù)與該隧道的最終位移值(見(jiàn)圖10和圖11)的關(guān)系，結(jié)合七尾隧道的施工實(shí)際，可以大致確定將拱頂下沉速度10 mm/d、凈空位移速度20 mm/d作為初期位移速度的管理基準(zhǔn)值。

圖9　全斷面早期閉合區(qū)間管理基準(zhǔn)值設(shè)定步驟

Fig. 9Standard value setting procedures for full-face early close section

圖10拱頂下沉的初期位移速度和最終位移值關(guān)系(七尾隧道)

Fig. 10Relationship between initial displacing velocity and final displacing velocity of arch crown subsidence (Qiwei Tunnel)

圖11凈空位移的初期位移速度和最終位移值關(guān)系(七尾隧道)

Fig. 11Relationship between initial displacing velocity and final displacing velocity of clearance dispalcement (Qiwei Tunnel)

在實(shí)際施工中，全斷面早期閉合開(kāi)始時(shí)可參考初期位移速度的大致基準(zhǔn)(拱頂下沉速度10 mm/d、凈空位移速度20 mm/d)和最終位移值的大致基準(zhǔn)(拱頂下沉30 mm、凈空位移60 mm)，設(shè)定管理基準(zhǔn)值。全斷面早期閉合開(kāi)始后，根據(jù)施工實(shí)際反饋，修正初期位移速度和最終位移值的管理基準(zhǔn)值。

在實(shí)際施工中，基于施工實(shí)際修正模式采用基準(zhǔn)如下。

5.3.1第1個(gè)區(qū)間支護(hù)模式的修正

第1個(gè)區(qū)間是根據(jù)表2的模式進(jìn)行變更的。

1)加強(qiáng)到A-2(圖6中的⑤)

采用全斷面早期閉合工法后，圍巖狀況劣化，水平凈空位移超過(guò)基準(zhǔn)值(達(dá)90 mm)。同時(shí)，根據(jù)量測(cè)，型鋼鋼架(H-150)的壓應(yīng)力從拱頂?shù)焦凹绯霈F(xiàn)很大的值(達(dá)到510 MPa)。根據(jù)此量測(cè)數(shù)據(jù)可以看出采用全斷面早期閉合工法時(shí)，型鋼鋼架負(fù)擔(dān)了很大的荷載，為了起到控制變形的作用，需要采取具有足夠承載力的支護(hù)模式。

把型鋼鋼架改為H-200、噴混凝土厚度從 200 mm增加到250 mm后，控制了水平凈空位移，型鋼鋼架(H-200)的壓應(yīng)力也減小到390 MPa。

2)加強(qiáng)到A-3(圖6中的⑥)

加強(qiáng)到A-2后，圍巖狀況繼續(xù)劣化，水平凈空位移再次超過(guò)基準(zhǔn)值。為此采用了仰拱橫撐(H-200)，同時(shí)把一次仰拱的閉合距離從9 m縮短到6 m，抑制了水平凈空位移的發(fā)展。

3)加強(qiáng)到A-4(圖6中的⑦)

加強(qiáng)到A-3模式后，初期位移速度顯著增加，在掌子面附近發(fā)生了不能設(shè)置橫撐的狀況。因此，為了抑制初期位移速度，在隧道全周?chē)娚涓邚?qiáng)度(σck=36 MPa)混凝土，一次仰拱施工循環(huán)從2 m縮短到1 m，迅速架設(shè)橫撐?？梢钥闯黾訌?qiáng)前的初期位移速度是43.9 mm/d，加強(qiáng)后是17.3 mm/d。其結(jié)果如圖6中的⑦所示，也控制了最終位移值。

4)基準(zhǔn)的修正內(nèi)容

根據(jù)第1個(gè)區(qū)間的施工實(shí)際，修正后的全斷面早期閉合模式的基準(zhǔn)見(jiàn)表8。作為第2區(qū)間和第3區(qū)間的應(yīng)用基準(zhǔn)。

表8　全斷面早期閉合模式的基準(zhǔn)(用于第2區(qū)間和第3區(qū)間)

5.3.2基于第3個(gè)區(qū)間施工實(shí)際的修正

加強(qiáng)到B-2(圖6中的⑧)。

在第3個(gè)區(qū)間優(yōu)先采用高強(qiáng)度噴混凝土，其結(jié)果如圖6中的⑧所示，沒(méi)有設(shè)置橫撐，只用高強(qiáng)度噴混凝土就可以提高控制變形的效果。

優(yōu)先采用高強(qiáng)度噴混凝土的區(qū)間如圖12所示。雖然在一次仰拱施工后水平凈空位移立即收斂(圖12中的A)，但拱頂下沉僅降低了位移速度，并沒(méi)有形成收斂的趨勢(shì)，而且水平凈空位移在距掌子面30 m后再次增大(圖12中的B)。

為掌握其原因，對(duì)此進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)在隧道腳部噴混凝土發(fā)生了開(kāi)裂。隧道腳部出現(xiàn)很大的下沉，損傷了一次仰拱的連續(xù)性，推定這可能是洞內(nèi)位移不收斂的原因。

圖12　洞內(nèi)位移數(shù)據(jù)

為使洞內(nèi)位移收斂，隧道腳部一體化是很重要的。為此，在隧道腳部噴射高強(qiáng)度混凝土(σck=36 MPa)，如圖13所示，最終洞內(nèi)位移收斂了(圖12中的C)。

圖13　腳部加固對(duì)策

但是在此區(qū)間澆筑仰拱混凝土?xí)r，洞內(nèi)位移再次增加(圖12中的D)。圖14是仰拱施工時(shí)的洞內(nèi)位移數(shù)據(jù)。從圖14可以看出，拱頂下沉最大值是19.6 mm，水平凈空位移是30.8 mm，都很大。此位移是取掉一次仰拱上的回填物引起的，回填物的重量也起到控制隧道位移的作用。

圖14　仰拱混凝土施工時(shí)的位移值

考慮取掉回填物時(shí)的位移值，為確保要求的凈空斷面，澆筑了剛性大的混凝土仰拱，結(jié)果洞內(nèi)位移收斂了(圖12中的E)。

因此，考慮仰拱施工時(shí)的穩(wěn)定性，設(shè)定了加強(qiáng)模式的基準(zhǔn)。根據(jù)前文所述的施工實(shí)際，證實(shí)橫撐與型鋼鋼架接續(xù)形成環(huán)狀閉合體是很重要的。從一次仰拱閉合后的位移速度(見(jiàn)表9)來(lái)看，當(dāng)一次仰拱閉合后出現(xiàn)5 mm/d 以上的位移速度時(shí)，在下一循環(huán)要設(shè)置橫撐。修正后的基準(zhǔn)見(jiàn)表10。

表9　一次仰拱閉合后的位移速度

6　軟弱圍巖隧道大斷面施工技術(shù)的基本經(jīng)驗(yàn)

從總結(jié)國(guó)內(nèi)外軟弱圍巖的施工實(shí)例，特別是開(kāi)挖斷面早期閉合的實(shí)例中，應(yīng)該吸取的經(jīng)驗(yàn)歸納如下。

1)盡可能采用大斷面開(kāi)挖技術(shù)，是實(shí)施“快挖”的前提。在技術(shù)條件成熟時(shí)，可選擇全斷面法或超短臺(tái)階的全斷面法。日本的隧道工程基本上采用全斷面法和超短臺(tái)階的全斷面法。據(jù)統(tǒng)計(jì)[2]，日本70%以上在建和已建隧道采用臺(tái)階法施工，開(kāi)挖進(jìn)尺大都控制在1.0～2.0 m，最差的采用1.0 m，最好的也不超過(guò) 2.0 m，即采用我們所謂的“短進(jìn)尺、多循環(huán)”的開(kāi)挖循環(huán)方式。實(shí)際上，在有足夠長(zhǎng)的超前支護(hù)的條件下，進(jìn)尺采用不小于 1.0 m是比較合適的。

2)采取有力措施縮短開(kāi)挖循環(huán)的作業(yè)時(shí)間，如多數(shù)采用單臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖、機(jī)械架設(shè)型鋼鋼架、錨桿機(jī)械手、大容量的噴混凝土機(jī)等，確保在要求的閉合距離內(nèi)完成相應(yīng)的作業(yè)。

3)施工機(jī)械也很有針對(duì)性，如能夠從下部斷面進(jìn)行上部斷面開(kāi)挖的鉆孔機(jī)械、預(yù)先打設(shè)拱腳錨桿或錨管的施工機(jī)械等。應(yīng)該說(shuō)，提高施工的安全性，施工機(jī)械的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用起著重要的作用。例如，首先從掌子面撤出作業(yè)人員，而采用遠(yuǎn)距離控制處于掌子面的機(jī)械進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)，是目前世界各國(guó)都在實(shí)施或研究的方法。

4)“快支”包括2方面，一個(gè)是初期支護(hù)，一個(gè)是預(yù)支護(hù)。在初期支護(hù)不能控制圍巖松弛(變形)的條件下，必須采取預(yù)支護(hù)，變被動(dòng)為主動(dòng)。

5)按圍巖分級(jí)選定初期支護(hù)參數(shù)，通過(guò)鋼架量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，當(dāng)初期支護(hù)不能滿(mǎn)足控制變形的要求時(shí)，主要采取變更其規(guī)格的方法，而不是采取增加厚度、加密間距等方法。如采用高強(qiáng)度噴混凝土、變更鋼架的規(guī)格、增加短超前支護(hù)(如小導(dǎo)管)等，因?yàn)樵黾訃娀炷梁穸纫埠?，縮短鋼架的間距也好，都將增加該項(xiàng)作業(yè)的時(shí)間，并無(wú)謂地?cái)U(kuò)大開(kāi)挖斷面，從安全性和經(jīng)濟(jì)性上看是不利的。

表10　全斷面早期閉合模式的基準(zhǔn)(用于第4區(qū)間)

6)采用解析法或經(jīng)驗(yàn)預(yù)計(jì)隧道開(kāi)挖后可能發(fā)生的變形的量級(jí)是最大的難題。日本規(guī)定，軟弱圍巖隧道量測(cè)到的位移超過(guò)100 mm(圍巖的單軸抗壓強(qiáng)度為5 MPa，極限應(yīng)變?yōu)?.0%，開(kāi)挖半徑為5.0 m，可能量測(cè)的位移是總位移值的50%條件下的凈空位移值)，就屬于大變形的范疇。量測(cè)位移超過(guò)100 mm就意味著實(shí)際位移可能超過(guò)200 mm。因此，日本是以100 mm作為一個(gè)基準(zhǔn)。也就是說(shuō)，在軟弱圍巖隧道必須采取各種措施把量測(cè)位移控制在100 mm以?xún)?nèi)，這也是日本在極為軟弱圍巖中的隧道設(shè)置預(yù)留變形量的一個(gè)基準(zhǔn)(在其他情況下均不設(shè)預(yù)留變形量)。

因此，建議施工目標(biāo)就是把量測(cè)位移控制在100 mm以?xún)?nèi)。

當(dāng)擠出位移較大時(shí)(例如根據(jù)計(jì)算或量測(cè)預(yù)測(cè)可能超過(guò)50 mm 時(shí))，必須采取補(bǔ)強(qiáng)圍巖的對(duì)策予以控制。

在臺(tái)階法中，控制腳部下沉異常重要，要預(yù)先采取預(yù)加固對(duì)策對(duì)腳部圍巖予以補(bǔ)強(qiáng)。

7)“快閉合”指盡可能地縮短閉合距離，讓開(kāi)挖斷面早期閉合。一般來(lái)說(shuō)，閉合距離應(yīng)控制在開(kāi)挖斷面寬度的1倍以?xún)?nèi)。也就是說(shuō)，從開(kāi)挖到變形收斂的距離也應(yīng)在這個(gè)距離內(nèi)，斷面增大，這個(gè)距離就要相應(yīng)縮短。日本收集了30座發(fā)生擠壓性大變形隧道的實(shí)例[3]，其中72%是采用所謂的超短臺(tái)階的全斷面法。在通過(guò)斷層破碎帶和圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比在0.7～1.2的軟弱破碎的蛇紋巖地帶的三遠(yuǎn)公路隧道中，斷面閉合距離約取距上部斷面掌子面7～9 m，而意大利采用全斷面法開(kāi)挖時(shí)，閉合距離只有0.5D左右。

8)必須堅(jiān)持二次襯砌在變形收斂后設(shè)置的原則，即二次襯砌不承載的原則。只要各項(xiàng)技術(shù)到位，是完全可以做到這一點(diǎn)的，但在斷層破碎帶以及特殊圍巖中，為了承受可能產(chǎn)生的“后荷”現(xiàn)象，必須修筑二次襯砌(這意味著，在其他場(chǎng)合，可以不修筑二次襯砌，把初期支護(hù)+圍巖作為永久支護(hù))。

9)重視對(duì)揭露的掌子面圍巖的觀察，加強(qiáng)對(duì)初期位移速度的量測(cè)，為預(yù)測(cè)最終位移值創(chuàng)造良好條件。

10)把“施工技術(shù)到位”作為重點(diǎn)，加強(qiáng)施工管理。

在大規(guī)模的隧道工程建設(shè)中，存在一個(gè)非?，F(xiàn)實(shí)的問(wèn)題，就是技術(shù)不到位。如果這個(gè)問(wèn)題解決了，很多不應(yīng)該出現(xiàn)的問(wèn)題將迎刃而解。例如噴混凝土，我們要求1 d的初期強(qiáng)度達(dá)到9～10 MPa，要求錨桿都要設(shè)置墊板，要求鋼架與圍巖或噴混凝土密貼等，都存在技術(shù)不到位的問(wèn)題，由此引發(fā)的大變形、塌方等事故是不少的。

7　結(jié)語(yǔ)

本講說(shuō)明的開(kāi)挖斷面早期閉合的方法，普遍適用于軟弱圍巖及特殊圍巖，特別是對(duì)控制大變形具有指導(dǎo)意義。我們?cè)趯?shí)際施工中也開(kāi)始體會(huì)出這種方法的價(jià)值，也積累了一些經(jīng)驗(yàn)。把掌子面前方圍巖的補(bǔ)強(qiáng)與掌子面后方開(kāi)挖斷面早期閉合結(jié)合在一起，在有水的條件下，再把掌子面前方圍巖的超前鉆孔預(yù)測(cè)組合在一起，是解決不良圍巖隧道施工的基本方法。

[1]中野清人. 早期閉合トンネルの現(xiàn)狀と舉動(dòng)分析[C]//トンネル工學(xué)報(bào)告集.東京：土木學(xué)會(huì)，2010: 151-162.(Nakano Kiyoshihito. State-of-art and dynamic analysis of early closed tunnel[C]//Symposium of Tunnel Engineering. Tokyo: Japan Society of Civil Engineers, 2010: 151-162. (in Japanese))

[2]鬼頭夏樹(shù). 全斷面早期閉合における情報(bào)化施工の適用實(shí)績(jī)[C]//トンネル工學(xué)報(bào)告集.東京：土木學(xué)會(huì)，2010：145-150.(Kito Natsuki. Informatization construction cases of full-face early closed tunnels[C]//Symposium of Tunnel Engineering. Tokyo: Japan Society of Civil Engineers, 2010: 145-150. (in Japanese))

[3]高橋浩. 事例に基づく押出し性地山におけるネンネルの設(shè)計(jì)、施工の提案[C]//土木學(xué)會(huì)論文集.[S.l.]:[s.n.],2004: 83-96.(Takahashi Hao. Design and construction of expansive rock tunnel based on cases[C]//Symposium of Japan Society of Civil Engineers. [S.l.]: [s.n.], 2004: 83-96. (in Japanese))

Tunneling by Mining Method: Lecture X: Construction Technologies for Early Close of Excavation Cross-section of Tunnel in Soft and Weak Surrounding Rocks

GUAN Baoshu

(Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, Sichuan, China)

The concept of early close of excavation cross-section is introduced. It is pointed out that: 1) The early close of excavation cross-section has to be adopted in bad surrounding rocks. 2) The close time and distance of excavation cross-section reduce with the surrounding rock goes worse. 3) The close distance of excavation cross-section increases with partition of excavation cross-section increases. 4) The early close of excavation cross-section indicates the close of primary support. The classification of setting of early closed inverted arch of tunnels in Japan is introduced. The author believes that we have to learn how to improve the construction technologies so as to realize early close of excavation cross-section. The standards for early close of excavation cross-section in Japan have been perfected. The mode of the standards and concept of early close in Japan are introduced. The tunnels in Japan, adopting early close of excavation cross-section,are introduced. The early close modes of excavation cross-section are divided into 5 kinds. The rationality of adopting early close of excavation cross-section is summarized. The surrounding rock conditions in which early close of excavation cross-section has to be adopted are summarized. The structural parameters and construction technologies of tunnel using early close of excavation cross-section are introduced. The construction management methods of early close of excavation cross-section of Qiwei Tunnel in Japan, including management items, final displacement management standards, primary displacement speed management standards, early close modes and related modification, are introduced in detail. The construction technologies for large-cross-section tunnel in soft and weak surrounding rocks are summarized. The combination method of reinforcement of surrounding rock ahead of excavation face and early close of excavation cross-section, together with advance geological prediction hole drilling (under condition of water), are the basic methods for construction of bad surrounding rocks.

tunnel; mining method; soft and weak surrounding rock; early close of excavation cross-section

2015-08-10

關(guān)寶樹(shù)(1932—)，男，遼寧人，西南交通大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，從事隧道及地下工程教學(xué)和科研50余年，隧道與地下工程資深專(zhuān)家。E-mail: guanbaoshu@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.08.001

U 45

A

1672-741X(2016)08-0887-10