淺埋軟巖公路隧道開挖施工技術(shù)優(yōu)化措施

張 平

（中鐵十九局集團(tuán)第三工程有限公司，遼寧沈陽 110136）

0 引言

公路工程項(xiàng)目中，隧道是通過特殊地形的重要結(jié)構(gòu)形式，但受圍巖特性等方面的影響，易在施工期間出現(xiàn)質(zhì)量問題[1]。鑒于此，需以公路隧道圍巖的實(shí)際情況為立足點(diǎn)，梳理施工流程，合理應(yīng)用施工技術(shù)，兼顧安全、質(zhì)量、效益等多重要求。

1 工程概況

昆明（福德立交）—宜良高速公路（昆石復(fù)線）建設(shè)于云南省東南部，是區(qū)域內(nèi)的重要溝通“渠道”，可連接呈貢、宜良兩地，為昆明至石林的高速公路系統(tǒng)中不可或缺的部分。沿線地形地勢復(fù)雜，橋隧比較高，隧道施工期間常遇到淺埋軟弱圍巖，開挖等環(huán)節(jié)的施工難度較大。

2 不良地質(zhì)

2.1 巖溶

（1）分布區(qū)域。本項(xiàng)目沿線的碳酸鹽地層較為豐富，經(jīng)鉆探后采集資料，確定巖溶的主要分布范圍以及具體情況，見表1。

表1 巖溶分布范圍及具體情況

（2）巖溶對公路建設(shè)的影響。對于存在溶蝕裂隙的斜坡，該處的巖石穩(wěn)定性欠佳，存在較大規(guī)模的危巖體，受施工的擾動(dòng)性影響，容易導(dǎo)致該處發(fā)生滑塌等事故，安全隱患多。在巖溶發(fā)育處施工時(shí)易受到地表水和地下水的影響，巖溶塌陷的覆蓋范圍逐步擴(kuò)寬，隧道的涌水突泥發(fā)生概率較高。

2.2 特殊性巖土

以軟土為主，具體包含淤泥和淤泥質(zhì)土兩類，厚度較小，便于處理，因此不會對正常施工造成過多的干擾。

3 淺埋軟巖公路隧道的開挖工藝

陽宗隧道采取的是進(jìn)出口對向施工的方式，共形成12 個(gè)作業(yè)面；在徐家莊隧道工程中依然采取相同的施工方式，作業(yè)面數(shù)量為4 個(gè)?；诿魍诜ㄕ归_隧道明洞的施工作業(yè)，基于新奧法完成暗洞部分的施工。軟弱圍巖地質(zhì)條件特殊，應(yīng)減小開挖進(jìn)尺和加強(qiáng)測量與控制。兩隧道的正洞左右線進(jìn)出口均存在一定程度的V 級圍巖淺埋偏壓斷和斷層破碎帶，以實(shí)際地質(zhì)情況為立足點(diǎn)，開挖環(huán)節(jié)的可選對象有CD（Center Diaphragm，中隔壁）法和核心土法；V 級圍巖淺埋段可選方法為三臺階法和核心土法；Ⅲ級圍巖為兩臺階法。

遇地質(zhì)條件欠佳的施工段時(shí)，以機(jī)械開挖的方式為主，特殊區(qū)域可采取小規(guī)模的淺眼松動(dòng)爆破方式。洞身段分布較多的Ⅲ、IV 級圍巖，該部分以光面弱爆破技術(shù)較合適，隨開挖作業(yè)的推進(jìn)，期間及時(shí)采取支護(hù)措施，營造安全的施工環(huán)境[2]。

3.1 三臺階開挖

（1）上臺階開挖。完成拱部超前支護(hù)作業(yè)后組織開挖作業(yè)，以隧道開挖輪廓線為基準(zhǔn)，按環(huán)向開挖的方式操作，從而形成上臺階。支護(hù)采用鋼架結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同地質(zhì)條件調(diào)整數(shù)量，Ⅴ級圍巖1 榀、Ⅳ級圍巖2 榀；布設(shè)鎖腳錨管和系統(tǒng)錨桿，拌制混凝土并噴射到位。

（2）中臺階開挖。每循環(huán)2 榀鋼架，開挖成型后隨即初噴混凝土，形成3～5 cm 的混凝土層，再架設(shè)鋼架；布設(shè)鎖腳錨管和系統(tǒng)錨桿，拌制混凝土并噴射到位。

（3）下臺階開挖。此環(huán)節(jié)施工方式與中臺階相同，此處不再贅述。

（4）隧道仰拱開挖。以圍巖實(shí)際情況合理調(diào)整方法，圍巖穩(wěn)定性較好時(shí)可采取仰拱和下臺階同步開挖的方式；遇較為松散的圍巖時(shí)，出于安全層面的考慮需單獨(dú)開挖。

3.2 三臺階法

（1）開挖作業(yè)以弱爆破的方式為宜，為確保施工安全，需嚴(yán)格控制炮眼深度和裝藥量。

（2）對于存在超前支護(hù)的情況，應(yīng)利用先前架立的鋼架施作，再組織開挖。（3）適時(shí)應(yīng)用鎖腳小導(dǎo)管，目的在于維持下臺階的穩(wěn)定性。（4）臺階開挖期間，單次作業(yè)長度以8～10 m 為宜，隨開挖作業(yè)的持續(xù)推進(jìn)，待第3 步臺階開挖后及時(shí)跟進(jìn)仰拱。

（5）施工期間的細(xì)節(jié)較多，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)檢測，根據(jù)所得數(shù)據(jù)判斷施工情況，明確洞身是否具有穩(wěn)定性，給支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化提供參考依據(jù)[3]。

（6）臨時(shí)仰拱應(yīng)設(shè)置到位，以達(dá)到提高穩(wěn)定性的效果，必要時(shí)可增設(shè)鋼架，加強(qiáng)防護(hù)。

4 FLAC 3D 數(shù)值模擬的方法

4.1 模型建立

鑒于隧道出口V 級圍巖淺埋段施工條件較為特殊的情況，將該處作為模擬對象。此處僅考慮二次襯砌的工藝參數(shù)，以此為基礎(chǔ)創(chuàng)建支護(hù)結(jié)構(gòu)的模型。為減小其他因素的干擾，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)做出簡化操作，將其視為具有均質(zhì)等厚特點(diǎn)的環(huán)形結(jié)構(gòu)，模型總長25 m。創(chuàng)建摩爾-庫倫模型，橫斷面為放射狀網(wǎng)格，數(shù)量約700 個(gè)，縱向25 個(gè)網(wǎng)格，總單元量為17500 個(gè)，具體情況如圖1 所示。

圖1 開挖過程中隧道內(nèi)部模型

4.2 模擬方法

以二次襯砌的參數(shù)為準(zhǔn)，展開關(guān)于支護(hù)結(jié)構(gòu)的建模工作，暫未考慮其他方面的影響，以便于模擬及分析。在開挖作業(yè)的擾動(dòng)性影響下，圍巖存在變形現(xiàn)象，此處重點(diǎn)考慮的是拱頂和仰拱兩部分，分析各自的位移量。每完成一次開挖后隨即布設(shè)位移測點(diǎn)。

5 數(shù)值模擬結(jié)果及具體分析

5.1 模擬結(jié)果

以三臺階法和CD 法為淺埋軟巖開挖的主要施工工藝，確定各方法下各監(jiān)控點(diǎn)的豎向位移量，具體內(nèi)容見表2、表3。

表2 三臺階開挖監(jiān)控點(diǎn)豎向位移

表3 CD 法開挖監(jiān)控點(diǎn)豎向位移

結(jié)合表中內(nèi)容展開分析：無論采取何種方法，拱頂沉降最大值的發(fā)生區(qū)域均一致，即監(jiān)測點(diǎn)1 處，具體情況為三臺階法15.60 mm、CD 法10.40 mm，前者更大；從仰拱隆起最大值的角度來看也具有一致性，即監(jiān)測點(diǎn)8 處，各自的結(jié)果為三臺階法18.30 mm、CD 法12.90 mm，前者更大。

5.2 結(jié)果分析及方法選擇

（1）在某特定的橫斷面中，兩種方法開挖后產(chǎn)生的仰拱隆起量均較大（相較于拱頂沉降）。通過與淺埋軟巖隧道支護(hù)應(yīng)用特點(diǎn)的對比分析可知，具有一致性，即符合支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。

（2）取先開挖區(qū)和新挖區(qū)兩個(gè)區(qū)域并分別確定各自的位移量，由此求得差值?？梢园l(fā)現(xiàn)：在應(yīng)用CD 法時(shí)該差值較小，而三臺階法所產(chǎn)生的差值較大，意味著CD 法開挖后并不會對圍巖造成過多的影響，圍巖可維持較穩(wěn)定的狀態(tài)，且支護(hù)結(jié)構(gòu)長期處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，雖然后期存在變形但幅度較小。

（3）結(jié)合位移云圖展開關(guān)于圍巖位移衰減的分析，可知CD法所產(chǎn)生的衰減速度較快，圍巖的后期穩(wěn)定性表現(xiàn)較佳。

（4）在相同監(jiān)測點(diǎn)處，應(yīng)用CD 法后支護(hù)結(jié)構(gòu)雖然存在豎向位移但較微弱，而三臺階法則更為明顯，意味著CD 法開挖所造成的擾動(dòng)性影響較小，更有利于維持支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（5）經(jīng)上述多角度的對比分析后可知，CD 法更具可行性，經(jīng)開挖后支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖的穩(wěn)定性較佳。

6 結(jié)束語

本文以淺埋軟巖公路隧道為背景，通過建模的方式對CD法和三臺階法的應(yīng)用效果展開分析。從支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖穩(wěn)定性的角度考慮，均以CD 法更為可行，開挖期間圍巖所受影響較小，支護(hù)結(jié)構(gòu)也更穩(wěn)定，綜合應(yīng)用效果明顯優(yōu)于三臺階法。因此，在淺埋軟巖地質(zhì)環(huán)境下可以將CD 法作為優(yōu)先選擇對象，但在后續(xù)的工程實(shí)踐中依然需視實(shí)際情況合理優(yōu)化施工技術(shù)，切實(shí)提高其應(yīng)用水平。