雙側(cè)墻導(dǎo)坑復(fù)合臺階式隧道建設(shè)工法應(yīng)用及評價

黃宇

（中鐵二十四局集團福建鐵路建設(shè)有限公司，福建 福州 350000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，道路交通量及對道路斷面通行能力的要求也日益增加，在公路交通尤其是市政交通中，大斷面、多車道的隧道建設(shè)項目比例也逐漸變多，傳統(tǒng)的小跨度隧道施工方法常因技術(shù)針對性不強而導(dǎo)致施工進度緩慢、增大施工費用、施工質(zhì)量不易控制，甚至安全事故頻發(fā)[1]。與鐵路和一般公路相比，市政道路選線困難、環(huán)保美觀要求高，規(guī)避地質(zhì)條件差的空間小，經(jīng)常出現(xiàn)大斷面隧道碰到軟弱圍巖的情況。目前，軟弱圍巖大跨度隧道多采用交叉中隔壁、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，但上述兩種方法都存在開挖斷面劃分較多、封閉成環(huán)速度不夠快和臨時支護拆除時安全風(fēng)險較大。雙側(cè)墻導(dǎo)坑復(fù)合臺階式工法[2]是一種較新的超大斷面隧道修建技術(shù)，適用于大斷面、小凈距隧道開挖支護施工，其針對軟弱破碎圍巖的不良地質(zhì)隧道也有很廣泛的適用性。雙側(cè)墻導(dǎo)坑復(fù)合臺階式工法優(yōu)化傳統(tǒng)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑，先行開挖隧道兩側(cè)邊墻及局部隧底部位形成導(dǎo)坑，兩側(cè)導(dǎo)坑先臨時封閉成環(huán)；在拱部開挖及支護施工中，采用導(dǎo)坑反壓回填和拱頂兩臺階（短臺階）開挖，拱頂快速封閉落地；最后進行中部隧底開挖和支護。該方法主要特點為斷面封閉成環(huán)快速，拱頂開挖安全性較高、擾動較小，抑制邊墻與拱頂發(fā)生變形的效果較好。

雖然已有隧道工程案例采用了雙側(cè)壁導(dǎo)坑復(fù)合臺階式工法，但是每個案例的工程建設(shè)條件差別大，且關(guān)于該工法技術(shù)應(yīng)用和經(jīng)驗總結(jié)還有待進一步拓展和深入?，F(xiàn)以平潭龍興嶺隧道工程為例，對雙側(cè)墻導(dǎo)坑復(fù)合臺階式開挖法的技術(shù)和經(jīng)驗應(yīng)用進行分析和總結(jié)，該工程隧道工法不僅能有效控制斷面開挖時的沉降變形、保證安全，還能大大縮短工期，取得了較好的經(jīng)濟效益。

1 工程概況

龍興嶺隧道為五洞小凈距隧道,其中主洞兩個，隧道長度為500m，隧道主洞開挖斷面約為150m2,進口洞門起IV、V級圍巖連續(xù)長度370m。隧道區(qū)覆蓋巖體風(fēng)化差異很大，不均勻現(xiàn)象顯著，洞頂為坡級粉質(zhì)黏土、砂土狀強風(fēng)化巖、碎塊狀強風(fēng)化巖，洞身圍巖為全風(fēng)化花崗巖、砂土狀強風(fēng)化巖、碎塊狀強風(fēng)化巖，裂隙發(fā)育，巖體破碎，開挖時自穩(wěn)能力差，易坍塌。該項目為典型的富水軟弱破碎圍巖不良地質(zhì)隧道。本隧道主洞IV、V 級圍巖采用雙側(cè)墻導(dǎo)坑復(fù)合臺階法施工。

2 雙側(cè)墻導(dǎo)坑復(fù)合臺階法施工原理

針對大斷面隧道復(fù)雜條件下施工，優(yōu)化傳統(tǒng)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑，先行開挖大斷面隧道兩側(cè)邊墻及局部隧底部位，拱部采用兩臺階（短臺階）快速封閉法施工，最后進行中部隧底開挖支護，形成施工順序為“先導(dǎo)坑、再拱部、短臺階、快封閉、后核部、共推進”的雙側(cè)墻導(dǎo)坑復(fù)合臺階式大斷面隧道開挖新方法（見圖1），本方法可快速將大斷面拱部支護落在導(dǎo)坑側(cè)墻頂部并與其形成拱墻先行封閉的初支結(jié)構(gòu)，結(jié)合導(dǎo)坑反壓回填和拱部超前支護措施，可大大減小拱部開挖施工的擾動，將大斷面拱部應(yīng)力向側(cè)墻本身和基底進行轉(zhuǎn)移,以確保拱部的施工安全；同時將導(dǎo)坑側(cè)墻設(shè)置為“直立型重力式”側(cè)墻結(jié)構(gòu)，并且底腳呈雙向內(nèi)扣式“反腳趾”，以達到抵抗導(dǎo)坑邊墻側(cè)向變形與沉降變形的效果。

圖1 雙側(cè)墻導(dǎo)坑復(fù)合臺階法示意圖

3 適用范圍

本工法適用于小凈距大斷面、軟弱破碎圍巖等不良地質(zhì)隧道開挖支護施工。

4 施工主要步驟

4.1 左、右側(cè)導(dǎo)坑開挖與支護

①首先施工超前支護：超前支護采用超前小導(dǎo)管，小導(dǎo)管環(huán)向間距、縱向環(huán)距、導(dǎo)管長度、外插角度及每環(huán)小導(dǎo)管數(shù)量應(yīng)嚴格按設(shè)計要求控制。

②接著開挖導(dǎo)坑：采用弱爆破開挖，每循環(huán)進尺不超過2榀鋼架距離，而后在巖面進行初噴4cm厚混凝土。

③在導(dǎo)坑周邊施作長錨桿并注漿飽滿。

④安裝導(dǎo)坑支護型鋼鋼架、鋼筋網(wǎng)片和連接鋼筋、鎖腳錨管，并焊接牢固；然后噴射混凝土，使其均勻密實。

⑤施作基底長錨桿并注漿飽滿，然后安裝側(cè)墻下部基礎(chǔ)鋼架、鋼筋網(wǎng)片和連接鋼筋，并焊接牢固，最后進行側(cè)墻基礎(chǔ)澆筑（見圖2）。

圖2 導(dǎo)坑底部及側(cè)墻下部基礎(chǔ)圖

4.2 導(dǎo)坑側(cè)墻墻體施工及導(dǎo)坑反壓回填

①安裝側(cè)墻墻體鋼架，D與C段連接，C段頂部預(yù)留連接板做好保護措施。

②用C20混凝土進行側(cè)墻上部澆筑。

③采用洞渣對左右導(dǎo)坑進行反壓回填，一次回填長度不得小于5m。

④待兩側(cè)導(dǎo)坑及側(cè)墻整體施工完畢后，即可進行隧道大斷面上臺階拱部中管棚、大插角小導(dǎo)管施工（見圖3）。

圖3 導(dǎo)坑側(cè)墻墻體施工及導(dǎo)坑反壓回填示意圖

4.3 隧道拱部上臺階開挖支護

①上臺階開挖采用預(yù)留核心土環(huán)形開挖。

②上臺階進尺5m后立即在巖面進行初噴4cm厚混凝土，然后安裝上臺階鋼架、大拱腳結(jié)構(gòu)、鋼筋網(wǎng)片和連接鋼筋、鎖腳錨管（每側(cè)各3根鎖腳錨管），并焊接牢固；然后噴射25cm厚混凝土，使其均勻密實。

4.4 隧道拱部中臺階左右側(cè)開挖支護

①采用預(yù)留核心土開挖，開挖應(yīng)采用松動爆破。每循環(huán)開挖后，應(yīng)將導(dǎo)坑拱部的臨時鋼架和噴射混凝土進行拆除，局部拆除應(yīng)采用電鎬鑿除，拆除進尺應(yīng)與開挖進尺相同。

②開挖完畢后，在巖面進行初噴4cm厚混凝土，然后安裝中臺階鋼架（中臺階左右側(cè)鋼架安裝B段,B段底腳與C段連接，上部于A段連接板有效連接）、大拱腳結(jié)構(gòu)、鋼筋網(wǎng)片和連接鋼筋、鎖腳錨管，并焊接牢固；然后噴射25cm厚混凝土，使其均勻密實（見圖4）。

圖4 隧道拱部中臺階左右側(cè)開挖支護示意圖

4.5 開挖隧道底部及拆除導(dǎo)坑支護

①開挖仰拱10部分，安裝鋼架F段并與E段預(yù)留連接板有效連接，對左右兩側(cè)導(dǎo)坑鋼拱架邊墻進行拆除（見圖5）。

圖5 開挖隧道底部及拆除導(dǎo)坑支護示意圖

②在巖面進行初噴4cm厚混凝土，再施長錨桿并注漿飽滿，后安裝遂底鋼架和連接鋼筋，并焊接牢固；然后噴射25cm厚混凝土，使其均勻密實。

4.6 隧道仰拱與二襯施工

①安裝仰拱模板，完成仰拱混凝土澆筑。

②安裝仰拱填充模板，完成仰拱填充混凝土澆筑。

③安裝二襯模板，完成二襯混凝土澆筑。

5 施工技術(shù)要點

5.1 施工監(jiān)測

由于龍興嶺隧道跨徑大，整體洞頂覆蓋層偏薄，由第四坡、殘積土組成，整隧處于淺埋狀態(tài)，兼地下水位高，開挖時自穩(wěn)能力差，拱頂及側(cè)壁易坍塌，側(cè)壁常發(fā)生小坍塌，所以要及時開展施工監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)可為評估施工方法可操作性、設(shè)計參數(shù)的合理性以及了解圍巖及支護結(jié)構(gòu)的變形和受力特性提供準確的參考依據(jù)，為二次襯砌的施工時間提供決定的意義[3]。

本隧道施工主要監(jiān)測項目為：地表沉降觀測、洞內(nèi)周邊收斂、拱頂下沉、鋼拱架內(nèi)力與初襯混凝土內(nèi)部應(yīng)力監(jiān)測。在每次開挖后12h內(nèi)且下一循環(huán)開挖前要取得初讀數(shù)，在開挖1-15d內(nèi)，每天量測頻率不小于2次。若發(fā)現(xiàn)局部地段變形較快并出現(xiàn)細小裂縫，須加強支護措施，并及時施作仰拱，盡早完成二襯封閉成環(huán)。

5.2 左、右側(cè)導(dǎo)坑的施工要點

①為了避免施工斷面的應(yīng)力疊加，左右兩側(cè)的導(dǎo)坑要錯距開挖，前后錯開距離不小于15m，當(dāng)距離滿足要求時，左右兩側(cè)導(dǎo)坑才可同時開挖。單側(cè)導(dǎo)坑下臺階開挖應(yīng)滯后上臺階3～5m后。 導(dǎo)坑底部錨桿及側(cè)墻下部基礎(chǔ)施工應(yīng)滯后上臺階30m后施工且不得大于35m 距離。

②由于本方法安裝鋼拱架呈多段連接，且為由下而上的安裝順序，鋼架安裝的垂直度控制質(zhì)量將直接影響到閉合成環(huán)的受力情況，因此要嚴格控制鋼架安裝的平面位置，測量放樣精度要控制在3mm以內(nèi)。

③由于左右導(dǎo)坑內(nèi)混凝土側(cè)墻墻體澆筑施工高度較大，為確保墻體內(nèi)鋼拱架與模板的安裝固定，要在導(dǎo)坑初期支護施工期間預(yù)留后期的定位鋼筋，確保固定牢固。且為方便之后與鋼架F連接，下臺階鋼架處噴射混凝土底腳應(yīng)預(yù)留出鋼架E的出露位置，然后用渣土掩埋保護。

④側(cè)墻上部墻體應(yīng)滯后基礎(chǔ)9m且不得大于15m距離，安裝側(cè)墻鋼拱架、連接鋼筋，并焊接牢固，而后采用C20混凝土進行測側(cè)墻上部澆筑。左右導(dǎo)坑內(nèi)混凝土側(cè)墻施工應(yīng)分段澆筑，分段施工縫應(yīng)與隧道正洞仰拱（填充）及二襯共縫，嚴禁相互錯開。

5.3 拱部上臺階、中臺階開挖支護

①上臺階進尺5m后立即施工兩側(cè)中臺階，按照每5m一個短臺階閉合段。完成閉合一段方可進行下一段循環(huán)施工（上臺階鋼架兩側(cè)拱腳采用大拱腳措施）。上臺階開挖循環(huán)完畢后，采用弱爆破開挖隧道中臺階不超過2榀鋼架距離且左右兩側(cè)中臺階應(yīng)錯開至少 2m 以上。

②在B段、C段接頭位置螺栓穿孔對接控制難度較大時，宜采用拱架連接板現(xiàn)場焊接接頭的措施，務(wù)必確保所有鋼拱架連接接頭采用螺栓連接。

5.4 開挖隧道底部及拆除導(dǎo)坑支護

①在中部核心土開挖完畢后5～10m內(nèi)，采用弱爆破開挖不超過3m距離。

②左右兩側(cè)導(dǎo)坑鋼拱架應(yīng)在主體結(jié)構(gòu)的初期支護成環(huán)并確定穩(wěn)定后方可有序拆除，拆除前后應(yīng)加強拱頂下沉量及周邊變形量的觀測，每次拆除長度不得大于10m，應(yīng)根據(jù)臺階施工步距嚴格控制。

5.5 隧道仰拱與二襯施工

①仰拱頂上的填充層及鋪底在混凝土及二次襯砌施工前完成，宜保持超前3倍以上襯砌作業(yè)長度，以利于襯砌臺車模筑混凝土施工，鋪底與掌子面距離不宜超過50m。

②洞口段二次襯砌必須及時施作，二襯與掌子面的距離不得超過50m，超過必須停止開挖，進行二次襯砌施作。

6 應(yīng)用效果及評價

傳統(tǒng)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工，采用上中下分部開挖支護，由于其在施工中雙側(cè)壁形成的臨時橫撐、豎撐、仰拱等支護體系均為過程支護，拆除量大且安全風(fēng)險較高，采用該工法根據(jù)以往的施工經(jīng)驗測算整體施工進度指標(biāo)綜合為 25m/月，進度較緩慢。平潭龍興嶺隧道采用雙側(cè)墻導(dǎo)坑復(fù)合臺階式大斷面隧道施工方法，相較于傳統(tǒng)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，在軟弱圍巖區(qū)段施工整體變形穩(wěn)定（見表1)，尤其是通過雙側(cè)導(dǎo)坑的先期施工，大大提高了隧道拱部開挖支護的“落地”和隧底“短、快”封閉的效果，且過程中臨時拆換量小、風(fēng)險小，反壓回填部分與中隔墻形成整體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。采用該工法整體施工進度指標(biāo)綜合為 35m/月，施工進度和工序時間大幅提高。

表1 拱頂沉降、周邊收斂監(jiān)測統(tǒng)計表

7 結(jié)語

綜上所述,雙側(cè)墻導(dǎo)坑復(fù)合臺階式大斷面隧道施工方法，其較傳統(tǒng)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、雙側(cè)墻導(dǎo)坑法，可完全解決不良地質(zhì)條件對隧道施工工法的局限性，在優(yōu)化斷面分割的技術(shù)上利用先期導(dǎo)坑側(cè)墻為上部支護結(jié)構(gòu)提供支撐，通過導(dǎo)坑內(nèi)部反壓回填可確保中隔墻開挖時應(yīng)力向兩側(cè)導(dǎo)坑分散，反壓回填部分與中隔墻形成整體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，并且大大降低了導(dǎo)坑內(nèi)側(cè)臨時支護鋼架拆除時的安全風(fēng)險；該技術(shù)大大減少了拱部、邊墻及仰拱開挖的松弛荷載。根據(jù)本工法在施工中的應(yīng)用效果，受到業(yè)主單位、設(shè)計單位、監(jiān)理單位的一致肯定，高效地滿足了業(yè)主對工程質(zhì)量、施工安全和總體工期要求，可為同類大跨度隧道工程施工提供借鑒。