巖溶地區(qū)高速公路小凈距隧道開(kāi)挖作業(yè)方式選擇

馮 威 艾小文 袁燦君 余孝衛(wèi) 楊 建

（浙江交工集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 311103）

0 引言

小凈距隧道是指隧道間的中間巖墻厚度小于分離式獨(dú)立雙洞的最小凈距，對(duì)于不同圍巖級(jí)別，其中間巖墻厚度范圍在1.0~4.0 倍隧道開(kāi)挖寬度，常用于洞口地形或有特殊要求的中、短隧道以及長(zhǎng)或特長(zhǎng)隧道洞口局部地段。對(duì)于巖溶地區(qū)的小凈距隧道，巖溶地貌發(fā)育對(duì)小凈距隧道的施工提出了不同的要求，本文以實(shí)際工程為背景，通過(guò)分析巖溶地區(qū)小凈距隧道的特點(diǎn)，對(duì)不同條件下的開(kāi)挖方式選擇進(jìn)行分析。

1 工程概況

工程位于廣西地區(qū)，場(chǎng)區(qū)屬典型巖溶地貌，主要巖溶形態(tài)為溶洞、溶溝、溶槽等。地表溶蝕、溝槽發(fā)育，溝槽多被第四系殘坡積層黏性土充填，巖體裂隙發(fā)育，表層局部存在鑲嵌結(jié)構(gòu)的塊體，局部巖體松動(dòng)，易形成危巖，松動(dòng)塊體直徑一般1～2m 不等。擬建隧道區(qū)內(nèi)巖溶個(gè)體形態(tài)種類(lèi)較多，地表、地下形態(tài)發(fā)育較齊全，如溶溝、溶槽、溶孔、石芽、溶洞、溶蝕裂隙、溶蝕洼地等。其中，溶洞多隱藏于茂密的灌樹(shù)林中，或隱藏于山體巖體內(nèi)部，該類(lèi)溶洞系更新世早期地殼運(yùn)動(dòng)間歇期形成的水平、垂直溶洞，洞徑大小不一，并伴有部分充填物、巖溶水等。場(chǎng)區(qū)內(nèi)巖溶地貌發(fā)育種類(lèi)多、密度大，從區(qū)域內(nèi)地形地貌、氣象水文、地質(zhì)構(gòu)造等方面綜合分析研判，項(xiàng)目所處范圍內(nèi)的巖溶分布具有一定的規(guī)律可循。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析特征表明，區(qū)域內(nèi)的巖溶形態(tài)主要以垂直發(fā)育為主，水平巖溶變遷呈現(xiàn)出明顯分層特征，且密度相對(duì)較小。

擬建隧道全長(zhǎng)1570m（右線），全線圍巖等級(jí)為Ⅲ-Ⅴ級(jí)，圍巖抗壓強(qiáng)度在25～55MPa之間。隧道采用分離式小凈距設(shè)計(jì)，洞門(mén)為端墻式，隧道凈空為14.5m×5m，全線平面位于直線段，縱坡0.65%。隧道洞門(mén)構(gòu)造如圖1所示。

圖1 擬建隧道洞門(mén)構(gòu)造

2 巖溶地區(qū)小凈距隧道施工要點(diǎn)

對(duì)于巖溶地區(qū)小凈距隧道而言，其圍巖類(lèi)別主要以石灰?guī)r為主，根據(jù)其破碎情況、地下水、初應(yīng)力、軟弱結(jié)構(gòu)面進(jìn)行修正。通常，對(duì)于巖質(zhì)隧道，主要采用鉆爆法進(jìn)行施工，配合機(jī)械出渣，在其施工過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)控制爆破震動(dòng)對(duì)中巖墻的危害，施工時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）先行洞和后行洞的開(kāi)挖方法。

（2）上下行洞體爆破設(shè)計(jì)及其振動(dòng)控制。

（3）兩洞間開(kāi)挖面的安全步距和距離。

（4）兩洞間初支、二次襯砌之間的安全步距和距離。

（5）兩洞間中間巖墻的防護(hù)方法。

3 隧道開(kāi)挖方式及其適用條件

根據(jù)隧道場(chǎng)區(qū)、圍巖不同的水文地質(zhì)條件及施工環(huán)境，應(yīng)采用與之相適應(yīng)的隧道開(kāi)挖方式、支護(hù)方式，以確保隧道開(kāi)挖過(guò)程中圍巖的穩(wěn)定和施工安全。隧道開(kāi)挖的主要方式按照一次開(kāi)挖斷面的大小主要分為全斷面開(kāi)挖、臺(tái)階開(kāi)挖、環(huán)形開(kāi)挖、中隔壁交叉開(kāi)挖、雙側(cè)壁導(dǎo)坑開(kāi)挖等方式，在施工過(guò)程中，具體的開(kāi)挖方式還需綜合考慮隧道圍巖級(jí)別、水文、軟弱結(jié)構(gòu)面、初應(yīng)力等因素，嚴(yán)格遵循不同的開(kāi)挖方式的具體適用條件[1-2]。

3.1 全斷面開(kāi)挖

全斷面開(kāi)挖的方式是以設(shè)計(jì)斷面為開(kāi)挖面積，一次性開(kāi)挖到位，主要適用于圍巖較好的中小跨徑隧道，對(duì)于圍巖較差的中、大跨徑隧道，在采取有效的加固措施后，通過(guò)充分的計(jì)算論證，在確保施工安全的情況下也可以采取全斷面開(kāi)挖的方式。全斷面開(kāi)挖常采用鉆爆法施工，按照設(shè)計(jì)輪廓線一次爆破成型，施工前需要嚴(yán)格對(duì)爆破方案進(jìn)行設(shè)計(jì)和論證。

3.2 臺(tái)階開(kāi)挖

臺(tái)階開(kāi)挖通常將隧道斷面分成兩個(gè)或更多個(gè)部分逐層進(jìn)行開(kāi)挖。這可以降低一次開(kāi)挖的難度和工作量。在分層開(kāi)挖的過(guò)程中，需按照設(shè)計(jì)要求及時(shí)進(jìn)行支護(hù)設(shè)置，以保證隧道的安全性和穩(wěn)定性。完成開(kāi)挖和支護(hù)后，需進(jìn)行襯砌（修建隧道內(nèi)壁）和回填（填補(bǔ)隧道底部）工作。在整個(gè)施工過(guò)程中，需進(jìn)行各種監(jiān)控測(cè)量工作，以便及時(shí)了解隧道的狀態(tài)和變形情況，為施工提供指導(dǎo)。臺(tái)階法可以降低一次開(kāi)挖的難度和工作量，減少隧道塌方的風(fēng)險(xiǎn)，由于臺(tái)階法可以分層開(kāi)挖，因此可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)工作面，提高施工效率。臺(tái)階法適用于各種地質(zhì)條件的隧道施工，如軟弱圍巖、硬巖等，但施工難度大，施工過(guò)程中需要精確的施工控制和協(xié)調(diào)，如果處理不當(dāng)，可能會(huì)造成隧道變形和滲漏等問(wèn)題。

3.3 環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心法

隧道環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心法是一種先開(kāi)挖上臺(tái)階使其成環(huán)形，并進(jìn)行支護(hù)，再分部開(kāi)挖中部核心土、兩側(cè)邊墻的施工方法。首先開(kāi)挖隧道上臺(tái)階，形成環(huán)形；在上臺(tái)階開(kāi)挖完成后，及時(shí)進(jìn)行支護(hù)設(shè)置，以增加隧道的穩(wěn)定性和安全性。在完成上臺(tái)階支護(hù)后，按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行中部核心土和兩側(cè)邊墻的分部開(kāi)挖。完成開(kāi)挖和支護(hù)后，進(jìn)行襯砌和回填工作。該法可以降低隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)，減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，提高施工安全性。通過(guò)先開(kāi)挖上臺(tái)階使其成環(huán)形，然后向兩側(cè)擴(kuò)挖，可以充分利用上臺(tái)階作為工作平臺(tái)，提高施工效率。環(huán)形開(kāi)挖預(yù)留核心法適用于各種地質(zhì)條件的隧道施工，特別是對(duì)于軟弱圍巖或需要特殊防護(hù)的情況。

3.4 CD法和CRD法

中隔墻法（CD 法）主要適用于地層較差和不穩(wěn)定巖體，且地面沉降要求嚴(yán)格的地下工程施工。此方法是在臺(tái)階法的基礎(chǔ)上，將隧道斷面從中間分成4~6 個(gè)部分，使上下臺(tái)階左右各分成2~3 個(gè)部分，每一部分開(kāi)挖并支護(hù)后形成獨(dú)立的閉合單元。CD 法是在軟弱圍巖大跨度隧道中，先分部開(kāi)挖隧道的一側(cè)，并施作中隔壁，然后再分部開(kāi)挖另一側(cè)的施工方法。

交叉中隔墻法（CRD 法）是一種適用于軟弱地層的隧道施工方法，特別是對(duì)于控制地表沉陷有很好的效果，一般主要用于城市地下鐵道施工中。因其造價(jià)高，故在山嶺隧道中較少采用，但是在特殊情況下，也可以采用，如膨脹土地層。CRD 施工是采用CRD 法預(yù)留核心土的方法，將大斷面隧道分成4 個(gè)相對(duì)獨(dú)立的小洞室分部施工。

CD法和CRD法都是以臺(tái)階法為基礎(chǔ)的施工方法，但CRD法更注重對(duì)地表沉陷的控制，因此，當(dāng)需要嚴(yán)格控制地表沉陷時(shí)，可以采用CRD法。而CD法則更適合于地層較差和不穩(wěn)定巖體的隧道施工。

3.5 雙側(cè)壁導(dǎo)坑開(kāi)挖

隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖是一種分部開(kāi)挖隧道的方法，具體開(kāi)挖方式是在隧道的兩側(cè)分別開(kāi)挖兩個(gè)較小的導(dǎo)坑，作為后續(xù)施工的工作平臺(tái)。在導(dǎo)坑開(kāi)挖完成后，及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)，以增加隧道的穩(wěn)定性和安全性。如果需要，在導(dǎo)坑的兩側(cè)邊墻進(jìn)行襯砌，以增加隧道的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。剩余部分采用二臺(tái)階或三臺(tái)階開(kāi)挖：根據(jù)地質(zhì)條件、斷面大小等因素，對(duì)剩余部分采用二臺(tái)階或三臺(tái)階開(kāi)挖的方法進(jìn)行施工。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法將隧道分成多個(gè)部分進(jìn)行開(kāi)挖，可以降低一次開(kāi)挖的難度和工作量，提高施工安全性。由于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法采用分部開(kāi)挖，每塊都是在開(kāi)挖后立即各自閉合，因此可以增加隧道的穩(wěn)定性。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的開(kāi)挖斷面較小，對(duì)圍巖的擾動(dòng)也較小，可以更好地保護(hù)圍巖的穩(wěn)定性。該開(kāi)挖方式適用于圍巖較差的Ⅴ~Ⅵ級(jí)圍巖條件下的行車(chē)隧道開(kāi)挖，特別是在淺埋大跨度隧道施工時(shí)，能夠控制地表下沉，保持掌子面的穩(wěn)定，安全可靠。

3.6 中導(dǎo)洞開(kāi)挖

隧道中導(dǎo)洞法開(kāi)挖是一種在隧道施工中常用的方法，首先在隧道中心挖掘一個(gè)較小的導(dǎo)洞，這個(gè)導(dǎo)洞通常被稱(chēng)為“中導(dǎo)洞”。在導(dǎo)洞挖掘完成后，根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行支護(hù)設(shè)置，以增加隧道的穩(wěn)定性和安全性。以導(dǎo)洞為基礎(chǔ)，向兩側(cè)逐步擴(kuò)挖，形成完整的隧道。完成擴(kuò)挖和支護(hù)后，進(jìn)行襯砌和回填工作。該開(kāi)挖方式施工安全性高，可以降低隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)，減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，提高施工安全性。同時(shí)，通過(guò)先挖掘?qū)Ф?，然后向兩?cè)擴(kuò)挖，可以充分利用導(dǎo)洞作為工作平臺(tái)，提高施工效率。

4 案例工程開(kāi)挖方式選擇及輔助工作

4.1 巖溶隧道開(kāi)挖方式的選擇

以案例工程為例，該隧道總長(zhǎng)1570m，各級(jí)圍巖長(zhǎng)度占比及圍巖特征見(jiàn)表1所示。

表1 案例工程圍巖分布情況及巖體特征

由表1 可知，對(duì)于巖溶隧道，洞口段埋深較淺，受自然侵蝕嚴(yán)重，巖體破碎，地表水垂直貫通到洞體，對(duì)于隧道主體，其圍巖地質(zhì)情況基本均勻，但不同程度地受到巖溶水影響。

隧道的開(kāi)挖方式選擇還受地表沉降的影響，因此，該案例工程開(kāi)挖方式的選擇可以有以下幾種：

洞口段：中隔壁法（CD 法）、交叉中隔法（CRD）、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法；

隧道主體段：全斷面法、臺(tái)階法。

通過(guò)初步選擇的施工方式，計(jì)算施工過(guò)程中隧道的受力、變形及穩(wěn)定情況，結(jié)合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)分析，形成最終的施工方案并進(jìn)行施工組織設(shè)計(jì)。

4.2 輔助工作

對(duì)于巖溶隧道開(kāi)挖方式的選擇，還需配合隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，通過(guò)選擇適用的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，探明掌子面前方的地質(zhì)情況，進(jìn)一步采取有效的施工措施，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于洞口段，由于其巖溶水豐富，巖體破碎，必須采用超前鉆探法預(yù)報(bào)、評(píng)價(jià)該段的地質(zhì)情況；對(duì)于Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖的隧道主體，可配合使用地質(zhì)調(diào)查法、物理勘探法、TSP法等方法進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)[3-4]。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在總結(jié)小凈距隧道及隧道不同開(kāi)挖方式特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際案例工程不同圍巖等級(jí)段落初步選擇施工方式，在洞口段采用中隔壁法（CD 法）、交叉中隔法（CRD）、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法；在隧道主體段采用全斷面法和臺(tái)階法。通過(guò)計(jì)算施工過(guò)程中隧道的受力、變形及穩(wěn)定情況，結(jié)合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)分析，形成最終的施工方案并進(jìn)行施工組織設(shè)計(jì)，同時(shí)，提出了相應(yīng)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。實(shí)踐證明，以上方法提高了該工程的施工安全性和施工效率，也驗(yàn)證了方法選擇的正確性。