預(yù)留核心土法適用性及施工技術(shù)要點(diǎn)分析

文／曹樹森、錢棟棟、李明 中車智能交通工程技術(shù)有限公司 北京 100078

丁學(xué)偉 江蘇中車城市發(fā)展有限公司 江蘇無錫 214104

引言：

預(yù)留核心土法在隧道施工中已得到長(zhǎng)期廣泛的應(yīng)用。大量的工程實(shí)踐表明，在軟弱破碎、淺埋、大跨等隧道施工中，隧道施工應(yīng)堅(jiān)持若爆破、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤測(cè)量的施工原則，預(yù)留核心土對(duì)控制隧道開挖面穩(wěn)定效果顯著。在國(guó)內(nèi)，預(yù)留核心土法已積累了大量的工程經(jīng)驗(yàn)和一些理論研究成果。但目前，由于安全形勢(shì)日趨嚴(yán)峻，許多隧道在設(shè)計(jì)中較為保守，特別是在高速鐵路中，在進(jìn)洞或淺埋軟弱地層不少選擇采取CD 法、CRD 法[1]，甚至雙側(cè)壁導(dǎo)洞法。上述工法分部多、臨時(shí)支撐多、空間小，大型機(jī)械無法使用，施工效率低，成本高[2]。通過調(diào)研大量工程案例和研究成果，對(duì)不同工法進(jìn)行對(duì)比，對(duì)預(yù)留核心土法的適用性和施工技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)。

1、預(yù)留核心土法的基本原理

預(yù)留核心土法的基本原理是在掌子面不能自穩(wěn)的不良圍巖中，開挖時(shí)把掌子面中央部位留下，利用殘留核心土與掌子面噴混凝土和掌子面錨桿組合在一起來保證掌子面穩(wěn)定，利用殘留核心土的反壓作用抵抗掌子面的變形，并使前方土體處于三向應(yīng)力狀態(tài)，減小前方土體松弛破壞的程度和范圍，防止掌子面失穩(wěn)，保證隧道洞室的穩(wěn)定性[3]。同時(shí)采用環(huán)形開挖，減少大范圍開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)，并縮短支護(hù)施作間隔時(shí)間，避免軟弱巖體過度松弛，從而達(dá)到保護(hù)圍巖，充分發(fā)揮圍巖自身承載能力的目的，進(jìn)一步提高了隧道洞室的穩(wěn)定性[4]。2006年后，隨著新意法的理念逐步傳入我國(guó)，新意法是通過對(duì)隧道掌子面超前核心巖土介質(zhì)的勘察、預(yù)測(cè)其穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)按隧道開挖后圍巖穩(wěn)定、暫時(shí)穩(wěn)定、不穩(wěn)定將其劃分為三種形態(tài)[5]。據(jù)以信息化設(shè)計(jì)支護(hù)措施，確保隧道安全穿越復(fù)雜地層和實(shí)現(xiàn)全斷面開挖的一種動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)施工指導(dǎo)原則，新意法強(qiáng)調(diào)控制圍巖變形、強(qiáng)調(diào)掌子面前方圍巖的超前支護(hù)和加固，通過監(jiān)測(cè)和控制掌子面前方的圍巖、采用配套的機(jī)械化作業(yè)，實(shí)現(xiàn)全斷面開挖?？梢钥闯鲱A(yù)留核心土法在利用穩(wěn)定掌子面來保證隧道洞室穩(wěn)定的基本思路與新意法是一致的，但新意法更強(qiáng)調(diào)采用強(qiáng)有力的措施（通常為玻璃纖維錨桿）主動(dòng)加固掌子面前方巖體（超前核心土），控制前方巖體變形，相對(duì)于預(yù)留核心土法被動(dòng)控制來說，效果更好，并可通過調(diào)節(jié)玻璃纖維錨桿的密度和長(zhǎng)度來適應(yīng)不同地層[6]。

2、不同開挖方法的比較

2.1 力學(xué)效應(yīng)對(duì)比

目前，針對(duì)某一特定隧道，為確定合理施工方法，常常開展不同開挖方法力學(xué)效應(yīng)比較。由于預(yù)留核心土法通常用于軟弱圍巖（Ⅴ級(jí)）和大跨（一般為雙線及以上）隧道中，因此特針對(duì)上述條件，選擇10 個(gè)不同工況與預(yù)留核心土法對(duì)比的典型案例，同時(shí)增加了個(gè)別Ⅳ、Ⅵ圍巖和單線隧道以豐富成果。

2.2 圍巖變形

圍巖變形是由外界因素的作用引起的，在一般情況下，地下洞室的兩側(cè)圍巖常常會(huì)形成塑性楔體，首先向洞內(nèi)變形，甚至局部破壞，進(jìn)而危及整個(gè)圍巖的穩(wěn)定性，隧道施工中，圍巖變形是隧道穩(wěn)定性的直觀表現(xiàn)，圍巖變形量對(duì)襯砌或支護(hù)上的圍巖壓力大小很有影響，過大的和過小的圍巖變形都可引起圍巖壓力增大，適當(dāng)?shù)膰鷰r變形可使圍巖壓力有一定程度的降低，同時(shí)控制圍巖變形對(duì)隧道與支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定起著十分關(guān)鍵的作用[7]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)表1計(jì)算成果表明：從控制變形角度來說，雙側(cè)壁法＞CRD 法〉CD 法＞預(yù)留核心土法＞臺(tái)階法；在V 級(jí)圍巖雙線及以上隧道（跨度＞12m）條件下，在拱頂沉降方面，臺(tái)階法較核心土法大10%～50%，CD法較核心土法小10%～50%，在水平收斂方面：臺(tái)階法較核心土法大40%～60%，CD 法較核心土法小10%～45%[8]。CRD 法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法采集樣本較少，個(gè)案表明，圍巖變形較核心土法減少約20%～60%。上述數(shù)據(jù)表明，在Ⅴ級(jí)圍巖條件下，相對(duì)于臺(tái)階法，預(yù)留核心土法能有效減少圍巖變形，增加作業(yè)面穩(wěn)定性，但較之CD 法等分部開挖臨時(shí)支撐的方法來說，在控制圍巖變形方面尚不足。

表1 不同工法計(jì)算案例

在Ⅳ級(jí)圍巖雙線隧道、Ⅴ級(jí)圍巖單線隧道、Ⅵ級(jí)圍巖雙線隧道案例中，臺(tái)階法和預(yù)留核心土法圍巖變形基本相等，表明在Ⅳ級(jí)圍巖、Ⅵ級(jí)圍巖、單線隧道等條件下，預(yù)留核心土法較臺(tái)階法在控制圍巖變形上無太大優(yōu)勢(shì)。

2.3 圍巖應(yīng)力

圍巖應(yīng)力是指地下洞室周圍巖石中單位面積上的內(nèi)力強(qiáng)度，圍巖應(yīng)力是判定圍巖穩(wěn)定和洞室安全的重要因素，它可以通過理論分析、模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)來確定，前述方法中按圍巖最大主應(yīng)力比較得出：臺(tái)階法＞ 預(yù)留核心土法＞CD 法＞ 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法；圍巖引領(lǐng)采集樣本較少，個(gè)案表明臺(tái)階法較核心土法大約40%，CD 法較核心土法小約10%～15%，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法較核心土法小約40%[9]。上述分析表明預(yù)留核心土法較臺(tái)階法能較好地減少圍巖內(nèi)部應(yīng)力，控制圍巖塑性區(qū)發(fā)展，而與CD 法相比也較為接近，但與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相比在圍巖應(yīng)力控制上則不足。

2.4 支護(hù)應(yīng)力

隧道支護(hù)設(shè)計(jì)通常按圍巖不穩(wěn)，支護(hù)幫助，遇強(qiáng)則強(qiáng)，遇弱則弱，按需提供，先柔后剛，協(xié)調(diào)工作，監(jiān)控量測(cè)，動(dòng)態(tài)調(diào)整的原則，施工過程中隧道支護(hù)受力存在施作時(shí)間效應(yīng)，而在數(shù)值模擬計(jì)算中則是通過應(yīng)力釋放率來進(jìn)行考慮，由于計(jì)算案例的應(yīng)力釋放率取值略有不同，同時(shí)各案例條件的不同、分部開挖對(duì)圍巖擾動(dòng)頻繁等原因，在各案例中比較發(fā)現(xiàn)：CD 法、CRD 法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的支護(hù)應(yīng)力與預(yù)留核心土法相比，并無統(tǒng)一規(guī)律，在V級(jí)圍巖條件下，有些小于核心土法，有些大于核心土法；而臺(tái)階法，由于開挖分部少，則統(tǒng)一表現(xiàn)為支護(hù)應(yīng)力最大，但各案例計(jì)算數(shù)據(jù)除臺(tái)階法外，基本滿足規(guī)范的安全系數(shù)。上述分析表明，核心土法相對(duì)于臺(tái)階法有利于減少支護(hù)應(yīng)力，而相較于CD 法等，則需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分析。

3、預(yù)留核心土法的施工要點(diǎn)

3.1 核心土幾何尺寸

大量工程案例和研究表明，掌子面的穩(wěn)定性隨著臺(tái)階長(zhǎng)度和核心土長(zhǎng)度的增加而增加，但長(zhǎng)度超過0.5D 后增幅逐漸趨緩，同時(shí)由于臺(tái)階過長(zhǎng)造成仰拱封閉成環(huán)時(shí)間滯后，反而會(huì)影響隧道洞室穩(wěn)定性，因此通常臺(tái)階合理長(zhǎng)度在0.5～1D 范圍[10]；核心土長(zhǎng)度需＞3m，考慮作業(yè)便利，一般取3～5m。同樣，核心土的面積太小，發(fā)揮作用十分有限，通常不小于整個(gè)斷面面積的50%，而核心土的高度和寬度，應(yīng)根據(jù)具體隧道斷面尺寸，開挖方法（兩臺(tái)階：上臺(tái)階預(yù)留核心土長(zhǎng)度宜為3～5m，下臺(tái)階距離一般在5～7m、三臺(tái)階：上臺(tái)階預(yù)留核心土長(zhǎng)度宜為3～5m，中臺(tái)階長(zhǎng)度宜控制在2～3m，且左右側(cè)錯(cuò)開2～3m，仰拱與下臺(tái)階距離宜控制在15～25m）、開挖方式（人工、機(jī)械）、超前支護(hù)形式（超前小導(dǎo)管、管棚）等進(jìn)行具體設(shè)置，以便于實(shí)際施工作業(yè)需要，通常上臺(tái)階取4～5m 左右，核心土高度2.5～3.5m，核心土寬度為隧道開挖寬度的1/3～1/2。核心土邊坡坡率按土質(zhì)條件一般取1:0.5～1:0.75。

3.2 初噴混凝土

隧道在開挖后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行初期噴射混凝土養(yǎng)護(hù)。在這個(gè)階段，國(guó)內(nèi)的隧道施工管理往往以進(jìn)度為先，而最初的噴射混凝土過程往往被忽略了。事實(shí)上，在容易風(fēng)化（軟化）和破壞的巖石中，如果能及時(shí)封閉開挖，使混凝土層緊緊地粘在周圍的巖石上，對(duì)圍巖表面以抗力和剪力，使圍巖處于有利的三面受力狀態(tài)，防止圍巖強(qiáng)度的惡化，噴射混凝土層本身可以防止不穩(wěn)定塊體的沖擊滑移，噴射混凝土層具有柔性性能?？梢钥刂剖箛鷰r射入圍巖之間的開放性裂縫而不產(chǎn)生有害的變形，噴射混凝土可以射入圍巖之間的開放性裂縫，填充表面凹槽，使斷裂的巖石表面粘連，保護(hù)砌塊不被撕裂和鑲嵌，提高它們之間的粘附性和摩擦阻力，有利于圍巖的松動(dòng)。避免噴射混凝土層直接粘結(jié)在巖石表面，形成風(fēng)化和止水的保護(hù)層，防止填塞接縫裂縫。噴射混凝土層跟隨開挖過程及時(shí)養(yǎng)護(hù)，早期強(qiáng)度高，有效避免圍巖風(fēng)化和軟化，控制圍巖變形，提高圍巖的自穩(wěn)性[11]。在采用預(yù)留核心土法的掌子面穩(wěn)定性較差的軟弱圍巖隧道，應(yīng)將初噴混凝土納入關(guān)鍵工序管理。在開挖完成（或開挖分離）和找頂完成后，應(yīng)立即進(jìn)行初噴混凝土，以盡快封閉巖面，鋪設(shè)厚度應(yīng)根據(jù)圍巖情況控制在3～5cm，視圍巖情況決定。

3.3 超前支護(hù)

超前支護(hù)是確保開挖工作面穩(wěn)定和進(jìn)入隧道施工項(xiàng)目的輔助措施。目前超前支護(hù)主要方式是超前管棚、小導(dǎo)管及自進(jìn)式錨桿，洞內(nèi)因作業(yè)空間有限，所以一般采用超前小導(dǎo)管，超前小導(dǎo)管注漿施工技術(shù)，是在灌漿法加固地基的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)圍巖超前加固技術(shù)，它是在固結(jié)法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種地基加固方法，基本原理是在隧道開挖的周邊，將小通道以一定的角度向前推進(jìn)到基巖中，通過水泥泵的壓力，使水泥漿通過小通道滲透并擴(kuò)散到巖層的孔隙或裂縫中，從而改善巖體的物理和力學(xué)性能[12]。在溝槽面的自承式拱門、巖層周圍形成加固套管，有效限制了巖層的松弛和變形，從而達(dá)到提高溝槽面巖層的自穩(wěn)能力，延長(zhǎng)巖層自穩(wěn)期的目的。然而，在隧道洞口的淺埋部分或當(dāng)圍巖的自穩(wěn)定性較弱時(shí)，應(yīng)考慮使用大型或中型管棚系統(tǒng)。有時(shí)還可以增加鋼筋籠，與強(qiáng)鋼筋斷面組合成一個(gè)系統(tǒng)，對(duì)自穩(wěn)性較弱的圍巖進(jìn)行預(yù)支撐和加固，對(duì)防止軟弱圍巖的下沉、松動(dòng)和崩塌，保證施工安全起到很大作用。在洞口中使用中型管棚時(shí)，應(yīng)優(yōu)化下層土壤的大小和形狀，以適應(yīng)管棚的結(jié)構(gòu)需要，并適當(dāng)調(diào)整管棚的外部角度。自走式錨桿是一種集鉆孔、固井、錨固功能于一體的錨桿。它在軟弱和斷裂的松散巖層中提供固結(jié)和錨定，可靠、高效且易于施工。用一個(gè)簡(jiǎn)單的手鉆就可以安裝錨[13]。使用特殊的塞子和灌漿接頭可以進(jìn)行高壓灌漿，提供灌漿效率，并且易于操作，可以快速灌漿。超前支護(hù)應(yīng)注意周長(zhǎng)和灌漿質(zhì)量，否則將達(dá)不到預(yù)期效果。

3.4 開挖

采用預(yù)留核心土法一般采用機(jī)械輔以人工開挖。若圍巖需要爆破，則可以通過輔助措施等方法，提高圍巖穩(wěn)定性，盡量實(shí)現(xiàn)臺(tái)階法開挖為宜，而不采用預(yù)留核心土法。應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況和監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，以安全為前提，控制單次開挖進(jìn)尺，盡快封閉巖面，通常Ⅴ級(jí)圍巖上臺(tái)階不超過2 榀拱架或1.5m，中、下臺(tái)階不超過4 榀拱架或3m，仰拱一次不超過6m。中、下臺(tái)階兩側(cè)應(yīng)錯(cuò)開施工，錯(cuò)開距離3～5m。

3.5 鎖腳錨管

預(yù)留核心土法與CD 法等方法相比無臨時(shí)支護(hù)，支護(hù)結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度和剛度相對(duì)較弱。因此必須重視鎖腳錨管施工質(zhì)量，以提高鋼架受力性能[14]。施工中通常采用φ42鋼管，由于作業(yè)空間有限，深度一般為4.5m 左右，特殊地層可能采用φ89 鋼管，長(zhǎng)度6m，則必須通過簡(jiǎn)易潛孔鉆來實(shí)施。錨管與豎直方向夾角通常取20°與40°，與鋼架之間采用“L”形鋼筋焊接。

結(jié)語(yǔ)：

（1）預(yù)留核心土法能較好地改善隧道掌子面穩(wěn)定性，較CD 法等分部開挖方法相比在進(jìn)度和成本上有較大的優(yōu)勢(shì)，在軟弱地層隧道施工工法比選上，應(yīng)盡量推選，通過研究，在確保安全的基礎(chǔ)上優(yōu)先選用。

（2）預(yù)留核心土法適用于淺埋、軟弱圍巖（V 級(jí)圍巖）等具有一定自穩(wěn)性的雙線隧道；對(duì)于Ⅵ級(jí)圍巖，則應(yīng)采用大管棚、超前預(yù)加固等輔助措施后再考慮是否采用。但預(yù)留核心土對(duì)圍巖變形（地表沉降）控制效果不如CD 法等，在地表沉降控制嚴(yán)格地區(qū)不宜采用。

（3）預(yù)留核心土存在合理尺寸范圍和最優(yōu)尺寸選擇，在設(shè)計(jì)施工中，應(yīng)通過研究確定，以提高施工安全。

（4）預(yù)留核心土法應(yīng)重視初噴混凝土、開挖步序、開挖進(jìn)尺、鎖腳錨桿等施工要求和施工質(zhì)量，方能成功運(yùn)用。