隧道洞口段預(yù)加固技術(shù)與施工工法研究

摘要：本文首先對淺埋段隧道圍巖變形特點及時空進行分析，總結(jié)對比了隧道洞口到主要預(yù)加固措施，并提出主要施工開挖方法，并且對各種施工方法的優(yōu)劣及適用條件進行了比較。對淺埋段隧道施工具有科學(xué)的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：隧道，洞口段，預(yù)加固技術(shù)

Pre - reinforcement Technology and Construction Method of Tunnel Portal Section

（Ningbo Traffic Construction Engineering Supervision & Construction Co. LTD，

Ningbo 315177，China）

Abstract：：In this paper， the deformation characteristics and temporal and spatial analysis of surrounding rock of shallow tunnel are analyzed. Then the main pre-reinforcement measures are compared and put forward the main construction excavation methods， which of advantages and disadvantages are compared. It is of scientific significance to the construction of shallow tunnel.

Key words： Tunnel， Tunnel Section， Pre - reinforcement Technology

0.前言

圍巖是指由于受到隧道開挖影響而引起應(yīng)力狀態(tài)改變的巖土體[1]。在隧道開挖過程中，由于主要影響因素不同，其對圍巖的擾動程度也不同，但隧道開挖所引起的力學(xué)過程和圍巖變形的變化規(guī)律都隨開挖面所處位置的變化而變化，產(chǎn)生明顯的時空效應(yīng)。

影響圍巖壓力的因素有很多，一般分為兩種，一種是地質(zhì)因素，包括圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)、巖體的結(jié)構(gòu)面以及巖石的力學(xué)性質(zhì)等；一種是工程因素，包括施工方法、施做支護的時間、支護剛度、隧道形狀等[2]。

1.淺埋隧道圍巖變形特點及時空效應(yīng)分析

1.1隧道圍巖縱向變形曲線

隧道在開挖后，掌子面前方和后方一定范圍的圍巖由于應(yīng)力重分布會產(chǎn)生一定的變形，對于淺埋隧道，由于圍巖自承能力較弱，在上覆荷載的作用下，容易產(chǎn)生地表沉降，從而影響到地面的建筑物，若不加以控制，則會出現(xiàn)圍巖松弛甚至塌方。

根據(jù)隧道縱向變形特點可以將圍巖變形分為三個階段：（1）掌子面前方超前變形段；（2）掌子面后方變形段；（3）變形穩(wěn)定段[3]。

1.2隧道圍巖變形的時空效應(yīng)分析

隧道開挖變形的時空效應(yīng)包括空間效應(yīng)和時間效應(yīng)。空間效應(yīng)指的是隧道開挖過程中，由于受到開挖面的約束，使開挖面附近的圍巖不能立即釋放其全部瞬時彈性位移。時間效應(yīng)指的是隧道開挖后圍巖隨時間增加變形持續(xù)變化的特性[4]。

根據(jù)與開挖面的距離可以分為微小變形區(qū)域、急劇增大區(qū)域、緩慢變形區(qū)域和穩(wěn)定變形區(qū)域。如圖2所示。

根據(jù)上圖可知：開挖面前方的微小變形區(qū)域（1～1.5D），約占總變形量20%—30%，主要由掌子面開挖引起前方圍巖應(yīng)力釋放以及圍巖失水固結(jié)而產(chǎn)生變形，但由于沒有產(chǎn)生臨空面，變形還比較微小；開挖面后方的急劇增大區(qū)域（1～3D），約占總變形量的50%—60%，該區(qū)域圍巖由于掌子面開挖產(chǎn)生臨空面，使得土體的邊界條件發(fā)生改變；緩慢變形區(qū)域（開挖面后方3～5D），約占總變形量的10%—15%，該區(qū)域變形量增加緩慢，變形曲線開始收斂；穩(wěn)定變形區(qū)域（開挖面后方大于5D），圍巖變形基本完成，圍巖趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

2 洞口段主要預(yù)加固措施

根據(jù)國內(nèi)外工程經(jīng)驗，洞口施工多數(shù)是在預(yù)加固支護系統(tǒng)下進行的，。常用的預(yù)加固措施包括錨桿技術(shù)、抗滑樁技術(shù)、擋土墻技術(shù)、小導(dǎo)管技術(shù)、大管棚技術(shù)等。

錨桿技術(shù)：適用于圍巖為塊石體、順層、陡坎、平緩山坡及淺埋隧道洞口頂豎向加固?？梢约庸虣M向?qū)挾却笥?-2倍洞跨，縱向長度不大于2倍洞跨，工藝簡單，與洞內(nèi)施工相互干擾小。

抗滑樁技術(shù)：適用于淺層滑坡帶、順層帶、偏壓帶或巖層間有塑性滑層時，用于加固對施工、運營有影響的滑動帶、順層帶、偏壓段，抗滑能力強，工藝簡單。

擋土墻技術(shù)：適用于滑坡帶及圍巖破碎帶，工藝簡單，對淺層滑坡體及落石較多時圍巖處理非常有效。

大管棚技術(shù)：適用于淺埋段、地表建筑物密集段、含水破碎帶，對地表下沉控制嚴(yán)格地段，II類及II類以下圍巖段。該技術(shù)支護能力強，周期長，受施工場地限制。

小導(dǎo)管技術(shù)：適用于較干燥的、凝結(jié)力差的巖層、斷層帶、II類軟弱圍巖無水帶，用以加固埋深≤0.5倍洞跨，拱長；埋深0.5-1倍洞跨，2/3拱長；埋深≥1倍洞跨，0.5倍拱長。支護效果好，在有孤石時難度大。

2洞口段基本開挖方法

采用合理的預(yù)加固方案和施工方法是保證隧道施工安全的重要措施。隧道洞口段施工方法的選擇應(yīng)綜合考慮現(xiàn)場施工條件、圍巖類別、埋深、隧道斷面大小等因素綜合選擇。目前，隧道洞口段常用的施工方法主要由臺階法和分部開挖法兩類[5]。

2.1 臺階法

臺階法是通過把設(shè)計斷面分成上、下兩部分分別進行開挖支護的一種常用的施工方法。臺階法適用于洞口圍巖在Ⅲ、Ⅳ級圍巖，有兩臺階開挖和兩臺階環(huán)形開挖留核心土法兩種形式。特點是：隨著臺階長度的逐漸縮短，拱頂下沉、地表沉降、周邊水平收斂等明顯減小，根據(jù)圍巖破碎程度和施工條件，可調(diào)整臺階長度。臺階法開挖如圖3所示。endprint

2.2 分部開挖法

分部開挖法是通過把隧道斷面分塊并有序地進行依次開挖，其中某一部分會超前開挖，故有時稱為導(dǎo)坑超前開挖法。分布開挖法特點：通過減跨作用、施加支護可以限制圍巖過多變形；通過小導(dǎo)坑超前開挖，探明地質(zhì)情況，及時調(diào)整開挖方法。主要適用于淺埋段、軟弱破碎地層或大斷面的隧道施工。

（1）環(huán)形開挖留核心土法

環(huán)形開挖留核心土法適用于淺埋、易發(fā)生涌水、掌子面塌方及破碎土質(zhì)圍巖地段。特點是：可以在短距離圍巖發(fā)生突變時采用，能夠穩(wěn)定掌子面，確保施工安全，但施工工序增多。

（2）單側(cè)壁導(dǎo)坑法（CD法）

CD工法通過將斷面跨度一分為二，先開挖一側(cè)導(dǎo)洞，然后進行初期支護施作并在斷面中部位置架立臨時支撐，當(dāng)先開挖一側(cè)超前一定距離之后，再開挖另一側(cè)，期間進行初期支護并保留中間的臨時支撐隔墻。

（3）交叉中隔壁法（CRD法）

CRD工法是將大斷面隧道分部進行開挖，首先開挖一側(cè)的上臺階并及時施作初期支護和臨時支撐，再開挖該側(cè)下臺階并同樣施作初期支護和臨時支撐，最后采用相同的工序?qū)α硪粋?cè)進行開挖支護，做到步步封閉成環(huán)。

（4）雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是首先開挖隧道兩側(cè)超前導(dǎo)坑，并且早早地對兩超前導(dǎo)坑進行初期支護和臨時支撐施作，再對剩余斷面部分采用二臺階開挖。主要在不允許過大沉降的洞口段、Ⅳ、Ⅴ級淺埋、偏壓、軟弱圍巖以及塌方段采用。

（a）環(huán)形開挖留核心土法施工 （b）CD工法施工

（c）CRD工法施工 （d）雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工

3 洞口段施工方法比選

選擇洞口段施工方法應(yīng)以工程地質(zhì)條件為主要依據(jù)，并結(jié)合建筑物沉降要求、埋深、斷面尺寸、襯砌結(jié)構(gòu)類型、工期要求、現(xiàn)場施工技術(shù)力量等進行考慮。此外，當(dāng)勘察工程地質(zhì)不準(zhǔn)確、地質(zhì)條件發(fā)生突變時，應(yīng)考慮變更設(shè)計、施工工法的必要性。

隧道施工方案選擇應(yīng)滿足安全性、科學(xué)性、可操作性。

隧道洞口段施工選擇合理的施工工法和支護措施是非常必要的，這不僅可以確保施工安全、圍巖穩(wěn)定，而且加快施工進洞、縮短工期，提高經(jīng)濟效益。同時可以減少對圍巖的擾動次數(shù)，降低施工和運營的成本，保護周邊環(huán)境。

由表可知，淺埋偏壓、軟弱圍巖的隧道洞口段施工采用施工方法有：

（1）隧道洞口圍巖較好時，采用短臺階法施工，圍巖變差后可采用微臺階法施工。一般不建議采用全斷面開挖，因為在大斷面的公路隧道洞口中采用全斷面開挖，對圍巖的擾動較大，支護不及時，從而導(dǎo)致圍巖松弛過大，增大了坍塌的可能性。且由于難以及時施作支護，隧道變形過大，并增大隧道工程造價。

（2）在土質(zhì)隧道且洞口圍巖屬于Ⅴ級時，一般采用微臺階法施工；當(dāng)工期允許的情況下，可以采用環(huán)形開挖留核心土法，遇水圍巖變差時可以變更成中隔壁法或雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。

（3）在淺埋、偏壓、破碎的Ⅴ級圍巖地段的隧道洞口，優(yōu)先考慮采用環(huán)形開挖留核心土法；當(dāng)?shù)乇碛薪ㄖ锘蛘叱两狄蟛荒苓^大時，可采用中隔壁法或雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。

4 結(jié)語

本文分析了淺埋段隧道圍巖變形特點和時空分析，總結(jié)了洞口段主要施工開挖方法，并且對各種施工方法的優(yōu)劣及適用條件進行了比較。對淺埋段隧道施工具有科學(xué)的指導(dǎo)意義。

參考文獻：

[1]龔萬明，余世根，陳燦，等.大斷面公路隧道圍巖壓力影響因素分析[J].施工技術(shù)，2013，02

[2]PEILA D. A theoretical study of reinforcement influence on the stability of a tunnel face[J]. Geotechnical and Geological Engineering， 1994，12（2）：145-168.

[3]Kotake， N Yamamoto， Y.&Oka K. Design for umbrella method based on numerical and field measurements[J].Tunnelling and Ground Conditions， 2001，15（3）： 501-508

[4]劉學(xué)增、俞文生等.《隧道穩(wěn)定性評價與塌方預(yù)警》，同濟大學(xué)出版社，2010：8-9

[5]李建斐.公路隧道喇叭型直接進洞技術(shù)研究[D].西安：長安大學(xué)，2010

[6]劉斌.軟弱圍巖隧道洞口段預(yù)加固技術(shù)研究[D].西安：長安大學(xué)，2014

作者簡介：原野（1964-），男（漢族），黑龍江慶安人，高級工程師，學(xué)士學(xué)位，主要研究方向為道路橋梁隧道。endprint