都安高速公路大斷面隧道分部臺階法快速施工技術(shù)研究*

胡 濤，陽軍生，柏 署,3，周中書，陳 進(jìn)

(1.貴州省公路工程集團(tuán)有限公司, 貴州 貴陽 550008； 2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 長沙 410075； 3.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司, 湖南 長沙 410008)

九家灣隧道地層為下統(tǒng)棲霞組灰?guī)r，原設(shè)計為V級和IV級圍巖，分別采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和CD法施工。根據(jù)九家灣隧道具體地質(zhì)情況，在水電大型地下廠房施工原則和方法經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，本文提出“先行中導(dǎo)洞開挖，后左、右側(cè)導(dǎo)洞交錯開挖”的分部臺階法施工方案，使之與圍巖條件相適應(yīng)，以期在確保隧道施工安全的前提下，優(yōu)化施工工序，提高施工效率，提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

1 工程概況

1.1 工程背景

貴州新建都安高速公路九家灣隧道設(shè)計為單向4車道大斷面公路隧道，建成后可與鄰近既有公路隧道形成雙向8車道行車條件。九家灣隧道出口環(huán)境如圖1所示。

圖1 九家灣隧道出口環(huán)境

九家灣隧道全長230m，最大開挖跨度約22.28m，原設(shè)計V級圍巖段開挖斷面面積約235.78m2。隧址區(qū)主要位于第四系全新統(tǒng)和二疊系下統(tǒng)棲霞組地層，巖性出露為灰?guī)r。IV級圍巖段長105m，V級圍巖段長125m。隧道地質(zhì)縱斷面如圖2所示。

圖2 隧道地質(zhì)縱斷面

1.2 原設(shè)計施工方法

九家灣隧道原設(shè)計施工方法為IV級圍巖段按CD法開挖，V級圍巖段按雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖。其中，CD法施工工序為先按臺階法開挖隧道左側(cè)導(dǎo)坑，再按臺階法開挖隧道右側(cè)導(dǎo)坑，施工過程中各工作面間保持一定的安全距離，開挖后及時施作初期支護(hù)、二次襯砌等支護(hù)結(jié)構(gòu)。CD法施工工序如圖3所示。

圖3 CD法施工工序(單位：m)

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序為先按臺階法開挖隧道左側(cè)導(dǎo)坑，再按臺階法開挖隧道右側(cè)導(dǎo)坑，最后按三臺階法施工隧道中間部分，施工過程中各工作面間保持一定的安全距離，開挖后及時施作初期支護(hù)、二次襯砌等支護(hù)結(jié)構(gòu)。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序如圖4所示。

圖4 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序(單位：m)

隧道原設(shè)計支護(hù)參數(shù)如表1所示，其中IV級圍巖段初期支護(hù)采用φ25中空注漿錨桿，長L=4.0m，二襯采用60cm厚C30鋼筋混凝土，預(yù)留變形量為15cm。V級圍巖段初期支護(hù)采用φ25中空注漿錨桿，長L=4.5m，二襯采用75cm厚C30鋼筋混凝土，預(yù)留變形量為20cm。

表1 原設(shè)計支護(hù)類型及參數(shù)

2 分部臺階法確定

2.1 分部臺階法提出

現(xiàn)行公路隧道規(guī)范指出，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法與CD法適用于圍巖差、跨度大、淺埋、地表需嚴(yán)格控制的場合，但不足之處在于施工工序繁瑣、工效低、成本高等。考慮到九家灣隧道實際地質(zhì)情況，需采用適合于具體建設(shè)條件的快速施工方法。

地下水電站主廠房開挖跨度多>15m，高度為70～80m，開挖斷面大。綜合分析地質(zhì)條件、施工進(jìn)度、成本等因素，通常采用分層分部的方法開挖。常見的主廠房開挖分層如圖5所示。

圖5 主廠房開挖分層(單位：m)

首先將主廠房分為多層，如圖5所示分為10層，再自上而下分層開挖；各層又分區(qū)開挖支護(hù)。例如，將第1層分為4個施工區(qū)域，中導(dǎo)洞優(yōu)先開挖，再由中導(dǎo)洞擴(kuò)挖至廠房拱頂，隨后擴(kuò)挖左、右兩側(cè)。這種科學(xué)合理的開挖、支護(hù)保證了廠房施工安全穩(wěn)定。

九家灣隧道最大開挖跨度約22.28m，可采用“先行中導(dǎo)洞開挖，后左、右側(cè)導(dǎo)洞交錯開挖”的分部臺階法施工。分部臺階法施工區(qū)域劃分如圖6所示。將隧道分為中導(dǎo)洞、上臺階左右導(dǎo)洞、下臺階左右導(dǎo)洞5個施工區(qū)域。中導(dǎo)洞先行開挖并超前于其余導(dǎo)洞，隨后再交錯開挖上、下臺階的左、右導(dǎo)洞。

圖6 分部臺階法施工區(qū)域劃分示意

2.2 各施工方法對比分析

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法與“先行中導(dǎo)洞開挖，后左、右側(cè)導(dǎo)洞交錯開挖”的分部臺階法有各自優(yōu)缺點(diǎn)。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法將大跨隧道變?yōu)樾】纾皶r封閉成環(huán)，控制圍巖變形與地表變形的能力強(qiáng)，適用于圍巖條件差且地表沉降要求嚴(yán)格的情況。但其開挖分部較多，施工工藝復(fù)雜，施工進(jìn)度緩慢，成本高，對圍巖擾動頻繁。CD法中隔墻將跨度大的開挖面分隔為兩段跨度較小的開挖面，便于開挖導(dǎo)洞及時封閉及控制地層變形的能力強(qiáng)，一般多用于地層條件較差、跨度較大且對地表沉降要求嚴(yán)格的軟弱圍巖隧道施工中，但該方法施工工序較多，相互影響較大，由于中隔墻易發(fā)生失穩(wěn)，拆除時機(jī)難以把握。而“先行中導(dǎo)洞開挖，后左、右側(cè)導(dǎo)洞交錯開挖”的分部臺階法施工操作簡易，施工進(jìn)度快，成本低，作業(yè)空間大，適用范圍廣。

通過以上對比分析后，為加快施工進(jìn)度、縮短工期、降低成本，根據(jù)九家灣隧道具體工程地質(zhì)條件，選用分部臺階法進(jìn)行施工。

3 分部臺階法施工工序

針對九家灣隧道地質(zhì)和斷面尺寸，對隧道施工步序進(jìn)行設(shè)計，如圖7所示。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，先按全斷面法進(jìn)行隧道上臺階中導(dǎo)洞開挖支護(hù)，當(dāng)中導(dǎo)洞開挖一定距離后，進(jìn)行上臺階左、右導(dǎo)洞交錯開挖，并施作初期支護(hù)，當(dāng)上臺階左、右導(dǎo)洞開挖一定距離后，交錯進(jìn)行下臺階左、右導(dǎo)洞開挖支護(hù)。同時，根據(jù)隧道圍巖條件與監(jiān)控量測情況，嚴(yán)格把控掌子面與仰拱、二次襯砌間的安全步距，確保隧道施工安全。

圖7 分部臺階法施工工序(單位：m)

隧道襯砌結(jié)構(gòu)按新奧法理念設(shè)計為復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)采用噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、格柵鋼架和系統(tǒng)錨桿，二次襯砌為模筑鋼筋混凝土。隧道支護(hù)參數(shù)如圖7所示。

分部臺階法三維施工工序如圖8所示。主要工序為：①采用全斷面法先行開挖中導(dǎo)洞I，施作中導(dǎo)洞初期支護(hù)；②跳槽開挖上臺階左導(dǎo)洞II，施作上臺階左導(dǎo)洞初期支護(hù)；③跳槽開挖上臺階右導(dǎo)洞III，施作上臺階右導(dǎo)洞初期支護(hù)；④跳槽開挖下臺階左導(dǎo)洞IV，施作下臺階左導(dǎo)洞初期支護(hù)；⑤跳槽開挖下臺階右導(dǎo)洞V，施作下臺階右導(dǎo)洞初期支護(hù)；⑥施作仰拱；⑦施作仰拱填充；⑧模筑二次襯砌。

圖8 分部臺階法三維施工工序

4 分部臺階法實施效果

4.1 現(xiàn)場施工效果

隧道上臺階中導(dǎo)洞開挖尺寸為8.5m×8.33m(寬×高)，開挖面積為67.86m2，上臺階左、右導(dǎo)洞開挖面積為33.32m2，下臺階左、右導(dǎo)洞開挖高度為5.38m，開挖面積為49.45m2。

自2018年11月7日起，采用分部臺階法施工。先行開挖中導(dǎo)洞，12月14日中導(dǎo)洞貫通，耗時37d，平均每天進(jìn)尺6.22m。其余工序隨后施工。各工序具體施工進(jìn)度如表2所示。

表2 隧道各工序施工進(jìn)度

現(xiàn)場施工過程主要節(jié)點(diǎn)如圖9所示。由圖9a可看出隧道中導(dǎo)洞施工狀況良好，掌子面與洞壁圍巖穩(wěn)定。

圖9 現(xiàn)場施工過程主要節(jié)點(diǎn)

隧道中導(dǎo)洞貫通后，上臺階左、右導(dǎo)洞交錯開挖，如圖9b所示。中導(dǎo)洞貫通可盡早形成空氣對流，解決隧道通風(fēng)問題，改善洞內(nèi)施工環(huán)境。

隧道下臺階開挖現(xiàn)場施工情況如圖9c所示。上、下臺階保持一定安全距離平行交叉施工，有效減少施工干擾，提高施工效率。

二次襯砌現(xiàn)場施作情況如圖9d所示，可看出二次襯砌施工效果良好。

從現(xiàn)場實際施工情況可看出，分部臺階法施工工序簡單，對圍巖擾動少，通風(fēng)效果好，且上、下臺階平行交叉開挖相互影響小，有效加快了施工進(jìn)度，符合九家灣隧道實際情況。

4.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果

之前定性地分析了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法與CD法2種施工方法所需工期長、施工成本高，相反分部臺階法施工工期短、成本低。隧道施工結(jié)束后，對分部臺階法施工工期、成本及主要建筑材料工程量等方面數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計，與原設(shè)計IV級圍巖段采用CD法施工、V級圍巖段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工所需主要建筑材料工程量進(jìn)行對比，如表3所示。采用分部臺階法可加快施工進(jìn)度，降低成本269.74萬元，主要材料工程量有不同程度減少，其中型鋼鋼架、管棚與支護(hù)鋼架用量減少最明顯，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果良好。

表3 各施工方法主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)對比

5 結(jié)語

1)本文針對九家灣隧道具體條件，在地下水電廠房施工原則與方法的基礎(chǔ)上，提出分部臺階快速施工方法。

2)九家灣隧道較短，圍巖強(qiáng)度較高，開挖斷面大，采用“先行中導(dǎo)洞開挖，后左、右側(cè)導(dǎo)洞交錯開挖”的分部臺階法，施工工序簡單，對圍巖擾動少，且施工效率高、成本低。

3)現(xiàn)場科學(xué)合理的施工組織保證了隧道安全施工，加快了施工進(jìn)度，減少了費(fèi)用支出，取得了良好的實施效果，同時表明“先行中導(dǎo)洞開挖，后左、右側(cè)導(dǎo)洞交錯開挖”的分部臺階法適用于九家灣單洞4車道大斷面高速公路隧道開挖，可為類似工程提供參考。