軟弱地層大斷面隧道施工技術(shù)優(yōu)化分析

摘要：本文立足于現(xiàn)代軟弱地層大斷面隧道施工現(xiàn)狀，先分析軟弱地層的力學(xué)特征以及軟弱地層下大斷面施工的技術(shù)要點(diǎn)，然后介紹當(dāng)下常用的軟弱地層隧道施工方法CRD法和三臺(tái)階七步法，最后在分析各自的優(yōu)劣勢(shì)，并提出有效的軟弱地層大斷面隧道施工技術(shù)的優(yōu)化措施。

關(guān)鍵詞：軟弱地層;大斷面隧道;隧道施工;技術(shù)優(yōu)化

【Abstract】Based on the construction situation of large-section tunnel of modern weak strata， this paper first analyzes the mechanical characteristics of weak strata and the technical points of large-section construction of weak strata， and then introduces the CRD method and three steps and seven steps method， and finally analyzes each one

【Keywords】Weak formation; large-section tunnel; tunnel construction; technical optimization.

隨著我國(guó)現(xiàn)代基建事業(yè)的大力發(fā)展，在軟弱地層中構(gòu)建大斷面隧道的情況越來(lái)越普遍，加強(qiáng)對(duì)于該環(huán)境下隧道施工技術(shù)的研究，提升隧道建設(shè)質(zhì)量，同時(shí)盡量有效實(shí)現(xiàn)成本控制，是現(xiàn)代隧道施工技術(shù)的主要研究方向。本文就主要聚焦軟弱地層的大斷面隧道施工展開(kāi)探討，旨在為行業(yè)相關(guān)人員提供參考。

一、項(xiàng)目概述

項(xiàng)目位于西南山區(qū)某鐵路隧道，出口為三線大跨隧道，隧道開(kāi)挖高度14.45m，跨度為19.88m。出口段洞身埋深較淺，且地表橫坡較陡，存在地形偏壓，地處阿墨江構(gòu)造帶，線路大角度斜穿雙龍帶狀侵入巖巖墻，處于侵入巖與沉積巖的接觸混雜帶，二者巖性呈混雜、不連續(xù)分布狀態(tài)，巖性多變。侵入接觸混雜帶附近，受巖漿侵入擠壓影響，節(jié)理裂隙發(fā)育～很發(fā)育，巖體破碎～極破碎，為V級(jí)軟弱圍巖。施工揭示巖層如圖1、圖2。

二、軟弱地層大斷面隧道的力學(xué)特征

在大斷面隧道施工中，存在埋深淺、受力復(fù)雜、支護(hù)難度大的問(wèn)題，大斷面扁平化的隧道開(kāi)挖后，巖體發(fā)生擾動(dòng)，導(dǎo)致一定范圍內(nèi)的應(yīng)力重新分布，另外再加上風(fēng)化和爆破的影響，在分析受力問(wèn)題時(shí)難度將會(huì)更大，這對(duì)隧道挖掘中的巖土穩(wěn)定性提出了更高的挑戰(zhàn)。在軟弱地層中，地層自穩(wěn)能力較差，變形現(xiàn)象會(huì)更明顯，在進(jìn)行施工時(shí)，更容易在施工中牽動(dòng)更多的力學(xué)因素，導(dǎo)致施工難度進(jìn)一步提升。

三、施工方案比選

在我國(guó)長(zhǎng)期的隧道建設(shè)發(fā)展中，提出了較多的施工工法，比如雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法、CRD法、三臺(tái)階法、三臺(tái)階預(yù)留核心土法等，這些工法在施工中都有一定的成功應(yīng)用基礎(chǔ)，不過(guò)在總結(jié)分析各個(gè)方法的優(yōu)劣勢(shì)后，發(fā)現(xiàn)在軟弱地層大斷面隧道施工中，CRD法和三臺(tái)階七步法是最為安全高效的兩種方法，以下就對(duì)這兩種方法進(jìn)行重點(diǎn)闡述[1]。

1.CRD法

CRD法通常被稱為交叉中隔墻法，該方法在軟弱地層的隧道施工中對(duì)巖土沉降有著很好的效果，可很好降低對(duì)周邊巖土的擾動(dòng)效果。CRD法在密集的城市建筑群的地下工程以及較差的軟弱地層隧道建設(shè)中有著廣泛的應(yīng)用。CRD法的施工方法一般分為左側(cè)和右側(cè)進(jìn)行，其施工流程可參考表1。

詳細(xì)施工步驟為以下：①要做好測(cè)量放線工作，定出隧道開(kāi)挖輪廓線;②做好超前支護(hù)工作，根據(jù)當(dāng)下軟弱地層的特點(diǎn)確定好導(dǎo)管的環(huán)向間距和縱向間距，同時(shí)要把控好導(dǎo)管的插入角度，在完成導(dǎo)管布局后進(jìn)行注漿加固;③開(kāi)挖導(dǎo)洞右側(cè)上臺(tái)階部分，建立臨時(shí)的中隔壁，進(jìn)行初噴，架設(shè)鋼架，再進(jìn)行復(fù)噴達(dá)到預(yù)設(shè)厚度，在該過(guò)程中如果遇到硬土巖層，可使用微振爆破的方式輔助[2];④在開(kāi)挖右側(cè)上臺(tái)階部分到進(jìn)尺深度后，開(kāi)始轉(zhuǎn)挖右下臺(tái)階部分，該部分中同樣要布置鋼架，在邊墻施工中要架設(shè)錨桿和鎖腳錨管，并注意和上側(cè)部分形成閉環(huán);⑤按照第三第四步的方法對(duì)左側(cè)采用相同的方案進(jìn)行施工;⑥拆除中隔墻和橫撐，同時(shí)開(kāi)始進(jìn)行仰拱部分的排水防水工作，進(jìn)行仰拱混凝土澆筑;⑦鋪設(shè)拱墻部分防水層，進(jìn)行鋼筋綁扎加固，最后再進(jìn)行拱墻混凝土澆筑。從以上可看出，CRD施工方法將施工拆解成了多個(gè)局部的區(qū)域進(jìn)行，這種施工方法在施工流程上很有規(guī)范性，并且在局部出現(xiàn)了施工故障和施工意外時(shí)，能最快地將其進(jìn)行控制，因此其施工的安全性很高[4]。

2.三臺(tái)階七步法

三臺(tái)階七步法是一種適用于四級(jí)和五級(jí)圍巖環(huán)境下的隧道施工工法，該工法對(duì)地質(zhì)有一定的自穩(wěn)要求。其具體的施工流程參考表2。

詳細(xì)的施工步驟如下：①先對(duì)拱部進(jìn)行超前支護(hù)，支護(hù)完成后上部弧形導(dǎo)坑開(kāi)挖，預(yù)留核心土;初噴混凝土，架設(shè)鋼架，打設(shè)鎖腳錨管，再進(jìn)行注漿加固，最后將鎖腳錨管和鋼架進(jìn)行焊接;②在滯后于上部弧形導(dǎo)坑3-5米后開(kāi)挖左中和右中部，開(kāi)挖進(jìn)尺不大于兩榀鋼架間距，完成后進(jìn)行初期支護(hù)工作;③在滯后左中和右中部區(qū)域的4-6米后開(kāi)挖左下和右下，開(kāi)挖進(jìn)尺同樣不得大于兩榀鋼架間距，完成后進(jìn)行初期支護(hù)工作;④開(kāi)挖中部預(yù)留核心土;⑤開(kāi)挖底部，初噴混凝土并制作鋼架，最后復(fù)噴混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)厚度;⑥澆灌底部并進(jìn)行仰拱填充;⑦施作拱墻二次襯砌[3]。從以上介紹可看出，三臺(tái)階七步法施工工序更復(fù)雜，但是該方式內(nèi)部施工空間大，可應(yīng)對(duì)更大的軟弱地層大斷面的隧道施工需求;另外工法重復(fù)度很高，具有很好的遷移性，因此其施工流程較為靈活，在出現(xiàn)異常時(shí)，可有效通過(guò)轉(zhuǎn)換施工工序進(jìn)行施工優(yōu)化，達(dá)到提升施工效率，保障施工安全的效果。

四、施工方案優(yōu)化比選

1.CRD工法優(yōu)化分析

在以往CRD工法應(yīng)用中會(huì)頻繁涉及到臨時(shí)鋼支撐架的拆除的問(wèn)題，在拆除過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)支護(hù)系統(tǒng)的受力改變引發(fā)二次變形或者破壞，因此施工中：首先可建立一個(gè)更加完善的受力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在拆除支撐時(shí)，根據(jù)受力監(jiān)測(cè)情況，在拆除過(guò)程中采取合理的補(bǔ)償支護(hù)措施，提升拆除過(guò)程的穩(wěn)定性;再有就是CRD工法存在較為明顯的上下各施工環(huán)節(jié)的擾動(dòng)情況，因此在施工中要加強(qiáng)支護(hù)的強(qiáng)度，對(duì)于軟弱地層環(huán)境而言，要有效提升支護(hù)點(diǎn)的支護(hù)面積，同時(shí)在分部施工中，要在兩側(cè)拱角處重點(diǎn)加強(qiáng)支護(hù)，這樣可提升內(nèi)部各部分施工的獨(dú)立性;最后就是從軟弱地層本身的特點(diǎn)來(lái)看，該地層環(huán)境中更容易在墻角處產(chǎn)生應(yīng)力集中，在內(nèi)部施工時(shí)對(duì)周邊巖層產(chǎn)生更大的擾動(dòng)，因此一來(lái)要加強(qiáng)應(yīng)力監(jiān)控，二來(lái)可考慮將一些組裝施工環(huán)節(jié)遷移到隧道外，降低關(guān)聯(lián)的擾動(dòng)因素。

2.三臺(tái)階七步法優(yōu)化分析

三臺(tái)階七步法雖然在大斷面隧道中的綜合表現(xiàn)更好，但是在應(yīng)對(duì)軟弱地層時(shí)有一定的劣勢(shì)，在具體的施工環(huán)境中可從以下方面進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化：首先是要做好巖層的穩(wěn)定性分析確定好各臺(tái)階的步長(zhǎng)，如果是相對(duì)軟弱的地層，則要考慮適當(dāng)縮短臺(tái)階長(zhǎng)度同時(shí)加寬預(yù)留核心土層的寬度，然后是在超前支護(hù)的過(guò)程中，要對(duì)支護(hù)效果進(jìn)行更精密的控制;另外在三臺(tái)階七步法的開(kāi)挖環(huán)節(jié)中，要多以弱爆破的方式進(jìn)行，以機(jī)械開(kāi)挖為主要掘進(jìn)方式，最后就是要做好整個(gè)施工中可能影響到支護(hù)強(qiáng)度的環(huán)境監(jiān)測(cè)，要保證排水系統(tǒng)不能浸泡墻角，同時(shí)在軟弱地層的施工中要加強(qiáng)位移、應(yīng)力等監(jiān)測(cè)，保證施工安全。

五、應(yīng)用效果分析

在實(shí)際工程應(yīng)用中，CRD工法和三臺(tái)階七步法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在本項(xiàng)目中，綜合了兩種施工工法的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行施工。在施工初期，本項(xiàng)目?jī)?yōu)先選用了CRD法進(jìn)，成熟的CRD工法在前期通過(guò)良好的地層沉降控制確定了前期的施工方向，CRD法的左右跳槽開(kāi)挖和快速落底支護(hù)的方案非常有利于構(gòu)建封閉成環(huán)的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，為本項(xiàng)目大斷面隧道的開(kāi)挖打下了良好的基礎(chǔ)。隨著項(xiàng)目逐步進(jìn)入到中后期，工期緊張的情況下，開(kāi)始結(jié)合三臺(tái)階七步法進(jìn)行施工，為提升作業(yè)安全性，對(duì)拱腳和墻角進(jìn)行了強(qiáng)化加固，有效控制了地層沉降。地層富水量增大，變形控制較困難時(shí)，結(jié)合CRD工法，增設(shè)鋼支撐臨時(shí)支護(hù)措施，形成封閉穩(wěn)定的支護(hù)結(jié)構(gòu)，并動(dòng)態(tài)調(diào)整，必要時(shí)及時(shí)進(jìn)行兩種工法間的轉(zhuǎn)換，保證施工安全。通過(guò)兩種工法的結(jié)合轉(zhuǎn)換、聯(lián)合施工，最終保證了該段軟弱地層段大斷面隧道安全快速的完成。在實(shí)際的項(xiàng)目施工中，具體的工法選擇和優(yōu)化需要結(jié)合環(huán)境進(jìn)行靈活決策。

六、結(jié)語(yǔ)

我國(guó)在軟弱地層大斷面隧道的施工中已經(jīng)有了一定的理論基礎(chǔ)，在具體的實(shí)踐中還需進(jìn)一步總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，因此要加強(qiáng)對(duì)技術(shù)的實(shí)用性研究，善于結(jié)合地層條件需求對(duì)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，尤其要善于總結(jié)歷史經(jīng)驗(yàn)中的不足之處進(jìn)行重點(diǎn)攻堅(jiān)克難，這樣才能讓我國(guó)的軟弱地層大斷面隧道施工技術(shù)更加精進(jìn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]田艷軍.軟弱地層大斷面隧道施工方案優(yōu)化與施工技術(shù)分析[J].商品與質(zhì)量，2017（38）：167.

[2]唐金虎.軟弱地層大斷面隧道施工方案優(yōu)化與施工技術(shù)的分析[J].中國(guó)房地產(chǎn)業(yè)，2017（10）：176.

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[4]閆鑫.高速公路隧道施工技術(shù)及控制要點(diǎn)研究[J].山西建筑，2019（1）：146-148.

【作者簡(jiǎn)介】劉璐（1988.09-），男，漢族，河北省辛集市人，碩士研究生學(xué)歷，中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司工程師，主要研究方向：隧道及地下工程設(shè)計(jì)。

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