大斷面地質(zhì)條件下山區(qū)高速公路隧道施工技術(shù)研究

龐杰忠

【關(guān)鍵詞】大斷面;隧道施工;穩(wěn)定性;模型

【中圖分類號】U452.2 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）09-0083-03

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展及現(xiàn)代化各項事業(yè)的不斷進步，公路隧道的施工技術(shù)取得了一系列成果，為我國交通運輸領(lǐng)域的建設和發(fā)展做了重要貢獻。20世紀80年代初，我國便開始著手公路隧道施工技術(shù)的研究，包括國外先進隧道施工設備的引進等。經(jīng)過近40年的不斷探索，當前我國公路隧道的施工技術(shù)在國際上享有盛譽，一大批具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的公路隧道施工技術(shù)在國內(nèi)外得到廣泛的應用。以“中鐵”“中建”等標桿公司為例，搭乘國家“一帶一路”建設的高速列車，每年在國外開工建設的隧道工程越來越多，足跡遍布亞洲、非洲、拉丁美洲等地區(qū)的國家，并不斷拓寬合作渠道與國際化發(fā)展、融合之路。

然而近年來，國內(nèi)時有關(guān)于隧道施工質(zhì)量問題的報道，例如近期央視曝光的甘肅考勒隧道，引起了業(yè)內(nèi)廣泛的關(guān)注，甘肅省省長親臨現(xiàn)場指導工作，并提出了50年內(nèi)無大修的質(zhì)量保證?？梢?，政府層面對于公路隧道施工質(zhì)量問題的重視程度。在各類公路隧道的施工技術(shù)中，山區(qū)環(huán)境下的施工一般具有較大難度，這其中包括極其常見的斷層、斷面等地質(zhì)構(gòu)造，為隧道的施工帶來了很大的挑戰(zhàn)?；诖?，本文著重對大斷面地質(zhì)條件下的公路隧道施工技術(shù)展開深入研究。

1 大斷面條件隧道施工核心技術(shù)

1.1 隧道開挖技術(shù)

常見的公路隧道施工方法包括全斷面法、分部開挖法及臺階法等，全斷面的開發(fā)方式在隧道圍巖結(jié)構(gòu)較理想的情況下具有明顯作用，但是需要在施工現(xiàn)場配備大功率的設備，而在隧道距離較長的情況下則經(jīng)濟性不夠。施工環(huán)節(jié)少、施工交集部分影響程度小是全斷面開挖的主要特點，對施工的組織、管理等較為有利，留給施工技術(shù)人員使用大型機械的空間較大且能做到一次成型，減少了對周邊圍巖的擾動，縮短了工期的同時也能夠保證施工作業(yè)的安全性。分部開挖法在具體的工程施工中有3種可行方案，即環(huán)形開挖、單側(cè)導坑及雙側(cè)導坑法，分部開挖方式對于施工技術(shù)人員的施工水平要求較高，施工技術(shù)人員需對隧道工程的整體狀況有所掌握，對工期各節(jié)點的銜接工作的要求更為嚴謹，在施工現(xiàn)場的具體環(huán)境和工況下，應能對施工過程中所遇到的突發(fā)事件做到及時處置，對施工演練及事故預案的可行性要求較為嚴格。臺階法一般包括3種類型，分別是長、短臺階法和超短距離臺階法。對于長臺階法而言，一次開挖情況下的斷面小于全斷面方式，對于開挖面的穩(wěn)定性具有一定意義，而短臺階法可在很大程度上縮短支護架構(gòu)閉合時間，以改變初期支護的受力條件，對于整體上控制隧道結(jié)構(gòu)形變非常有利，因此在圍巖穩(wěn)定性較差的隧道施工中較為常見，但是其缺點是上、下臺階在施工過程中的互擾程度較大，并且無法實現(xiàn)全部平行施工[1-3]。臺階法工藝流程如圖1所示。

1.2 襯砌支護結(jié)構(gòu)

圍巖本身在隧道施工過程中具有一定的支護作用，屬于隧道結(jié)構(gòu)的主要受力載體，其他內(nèi)部及外部架構(gòu)與圍巖共同組成隧道的支護體系。隧道開挖過程中一般采用初始的三維結(jié)構(gòu)應力策略，盡可能地減少對隧道圍巖的擾動，因此對開挖面加固防護層顯得尤為必要，可有效防止圍巖松動、塌方。與此同時，應允許圍巖發(fā)生適度的形變，這對充分利用圍巖強度具有一定作用。但值得注意的是，這類形變應進行嚴格控制，否則會因形變過度而造成圍巖破壞，進而減弱其載荷能力并發(fā)生大范圍沉降。襯砌支護結(jié)構(gòu)在施工過程中一般分為兩個步驟，當洞體開挖后應立即進行初期支護以防止圍巖早期形變的發(fā)生，當圍巖穩(wěn)定之后方可進行二次襯砌，在外層襯砌足夠充分后且確認圍巖形變量趨于恒定后，可將內(nèi)襯視作額外的安全裕度。此外，初期支護應注意柔度的把控，使得與圍巖接觸更為緊密，此時應通過噴射混凝土的方式進行，并結(jié)合錨桿、鋼筋網(wǎng)進行綜合支護，以承載剪應力為主[4-5]。

2 隧道形變評估模型

2.1 計算模型搭建

假設試驗段隧道高度為h，結(jié)構(gòu)跨度為l，側(cè)方載荷系數(shù)為λ，縱向受力為q，水平方向壓力p=λq，在受力q的作用下，其截面拉應力σ1=q/2t2，在水平方向壓力p的作用下，截面正向應力σ2=-λq，因此得到支座處極限應力值為σt=σ2+σ1=q/2t2-λq，由結(jié)構(gòu)參數(shù)可知，支座縱向反作用力為YA=YB=0.1ql，對拱點進行測距，得到如下穩(wěn)定性公式：

YA-2XAql2=0.2λq

隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算模型如圖2所示。

2.2 穩(wěn)定性及安全性評估

大斷面條件下的隧道施工技術(shù)種類很多，各種施工工藝在實際應用前必須事先進行具體的數(shù)值模擬量計算和分析，使隧道工程的施工具有相應的穩(wěn)定性和安全性。大斷面的隧道施工常通過化大為小的措施逐層、分塊開挖，分階段搭建隧道施工整體架構(gòu)，當開挖輪廓具備后，應嚴格按照所形成的全封閉或半封閉結(jié)構(gòu)進行施工，之后開挖隧道的主體結(jié)構(gòu)和仰拱部分，分階段開挖時，各施工節(jié)點應與具體的開挖順序相對應，即圍巖處于一種暫態(tài)的承載方式。施工過程中洞體結(jié)構(gòu)載荷級別均在不斷發(fā)生變化且支護結(jié)構(gòu)內(nèi)應力也在時刻發(fā)生改變，因此為保證施工的穩(wěn)定性和安全性，應對隧道整體架構(gòu)進行充分的論證和評估[6-8]。

對于圍巖穩(wěn)定性較差、距離較長及開挖工序較為煩瑣的隧道施工而言，必須對圍巖結(jié)構(gòu)的力學參數(shù)進行反復、精確的計算，并且隧道拱頂部位應采用具有雙層防護的初期支護措施，針對超大斷面情況下的支護架構(gòu)所承受的過大應力，應通過實際的數(shù)值和模擬方式進行論證，對受力點進行準確分析，當初期支護以及臨時支護順利進行后，開挖過程也隨之在逐步深入，與圍巖相互作用產(chǎn)生綜合性受力形變。因此，在研究隧道施工過程中的穩(wěn)定性和安全性時，應以施工力學關(guān)系為出發(fā)點進行嚴謹分析，同時結(jié)合隧道結(jié)構(gòu)施工模型，當完成初次襯砌并拆除現(xiàn)場的臨時支護后便可進行二次襯砌[9-10]。

在隧道入口處選擇分層開挖方式，開挖順序通常是自上而下，以不影響原址為目的。施工人員在施工過程中應盡量避免采用噴砂技術(shù)，開口處必須平整壓實，所用機械包括裝載機和推土機;施工過程中，若有硬質(zhì)巖層，施工負責人必須挖爆，然后用自卸車將挖土運到指定地點。洞室開挖必須滿足洞室施工要求為前提，必須有足夠的水源、電力、建筑材料和機器供應。施工需要根據(jù)設計要求對邊坡進行保護和開挖，確保雨水不對邊坡造成過大的影響，而且施工人員需要保護邊坡;采用吊網(wǎng)噴錨技術(shù)可以推遲周圍巖石風化的時間。建造隧道前，施工人員必須根據(jù)當?shù)氐刭|(zhì)條件和入口的美觀要求，做好排水和其他工作。完成上述工作后，施工人員可進入隧道施工。開放隧道的拱形和內(nèi)襯墻需要同時建造。在隧道施工過程中，排水和截流施工要有效地結(jié)合，盡可能縮短工期。隧道內(nèi)和隧道外的排水設施必須結(jié)合起來，可有效地防止地表水對山坡造成侵蝕。不管是門坡還是邊坡，在洞室施工之前都需要完成施工。坡度有偏差，但需控制在5%以內(nèi)。應采用受控噴砂工藝準備洞口，但是不推薦采用集中充電式噴砂方法，因為這樣會對上坡和邊坡的穩(wěn)定性造成不利的影響。開敞式隧道施工邊墻基礎的選擇是開鑿隧道施工的重要內(nèi)容，因此施工人員必須慎重選擇。一般情況下，側(cè)墻基礎必須滿足穩(wěn)定性要求。例如，工程中遇到地下水，施工人員必須繞過邊墻基礎，避免地下水對地基穩(wěn)定性造成影響。對于底板和底板較深的，施工負責人要分析施工難度，在此基礎上，通過先挖出凹坑，再構(gòu)筑凹槽，從而對基坑的狀況進行有效確認。挖掘邊墻至設計立面后，確認開挖支撐力符合設計要求。支撐力不足時，可考慮采用沉井基礎或鉆孔灌注樁基進行基礎加固。

3 試驗驗證及結(jié)果分析

本文以桂林市永福縣潮水隧道的施工為例，對所提出的基于大斷面條件下的公路隧道施工穩(wěn)定性模型進行驗證，主要對隧道拱頂位置的沉降進行分析。實驗過程中采用不同開挖進尺的方式，監(jiān)測開挖進尺范圍對圍巖形變的影響程度，進而判斷圍巖架構(gòu)的整體穩(wěn)定性。通過試驗發(fā)現(xiàn)，初始階段的開挖進尺范圍對圍巖形變的影響程度不明顯，無施工規(guī)律可循，但隨著開挖范圍的深入，拱頂沉降程度變化明顯并趨于穩(wěn)定，并且不同的開挖范圍所引起的巖體位移有所不同，實際開挖進尺范圍對拱頂沉降的影響程度見表1所示。通過表1可知，在隧道圍巖的施工過程中，應采用增加臺階數(shù)量并縮短開挖進尺范圍的方式對頂部圍巖進行加固，以控制拱頂?shù)某两盗俊?/p>

4 結(jié)論

本文針對大斷面地質(zhì)特有的結(jié)構(gòu)，對該條件下的隧道施工技術(shù)進行了詳細討論，著重分析了提高隧道圍巖施工穩(wěn)定性和安全性的具體措施，并提出了隧道圍巖形變計算與評估模型。通過工程實例進行驗證，證明了本文提出的保證隧道施工穩(wěn)定性和安全性模型的正確性與可行性。本文對于大斷面地質(zhì)條件下的公路隧道施工技術(shù)的理論研究具有通用性，工程應用前景廣闊。

參 考 文 獻

[1]李燕生.復雜地質(zhì)條件下彭水隧道施工技術(shù)研究[D].天津：天津大學，2006.

[2]白明洲，許兆義，時靜，等.復雜地質(zhì)條件下淺埋暗挖地鐵車站施工期地面沉降量FLAC分析[J].巖石力學與工程學報，2006，25（增2）：4254-4260.

[3]張成平，張頂立，王夢恕.淺埋暗挖隧道施工引起的地表塌陷分析及其控制[J].巖石力學與工程學報，2007，26（增2）：3601-3608.

[4]侯艷娟，張頂立，李鵬飛.北京地鐵施工安全事故分析及防治對策[J].北京交通大學學報，2009，33（3）：52-59.

[5]張成平，張頂立，王夢恕，等.城市隧道施工誘發(fā)的地面塌陷災變機制及其控制[J].巖土力學，2010，31（增1）：303-309.

[6]CHOU W I，BOBET A.Predictions of ground deformations in shallowtunnels in clay[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2002，17（1）：3-19.

[7]OSMAN A S，BOLTON M D，MAIR R J.Predicting 2D ground movements around tunnels in undrained clay[J].Geotechnique，2006，56（9）：597-604.

[8]王霆，羅富榮，劉維寧，等.地鐵車站洞樁法施工對地層和剛性接頭管線的影響[J].巖土力學，2011，32（8）：2533-2538.

[9]張頂立.城市地下工程建設安全風險及其控制[M].北京：化學工業(yè)出版社，2012：2-4.

[10]肖乾舉.復雜地質(zhì)條件下鐵路隧道施工技術(shù)研究[J].科技創(chuàng)業(yè)月刊，2013（5）：183-185.