復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道工程洞身開挖方法及重點(diǎn)技術(shù)分析

摘要 文章對隧道工程洞身開挖方法及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和研究，首先介紹了隧道工程開挖方法的選擇原則，隨后詳細(xì)闡述了在不同地質(zhì)條件下隧道洞身開挖的具體方法和實(shí)施步驟，最后分析了隧道開挖過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題，并提出了相應(yīng)的解決方案，以期為隧道工程洞身開挖方法的選擇提供一定的技術(shù)指導(dǎo)和參考。

關(guān)鍵詞 隧道工程；洞身開挖；施工方法

中圖分類號 U455 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）17-0107-03

0 引言

隧道工程作為現(xiàn)代交通建設(shè)的重要組成部分，面臨著復(fù)雜多變的地質(zhì)條件和嚴(yán)苛的施工環(huán)境。在隧道工程中，洞身開挖是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，其技術(shù)難度和安全性要求極高。該文旨在探討復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道工程洞身開挖方法的選擇與實(shí)施，并對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究。通過總結(jié)隧道工程洞身開挖的成功經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，為相關(guān)工程提供一定的理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 工程概況

米田村隧道位于涼山州雷波縣米田村，靠近城區(qū)；隧道進(jìn)口地表建筑物較多、密度大，采用非爆破開挖。隧道采用分離式雙線設(shè)計(jì)，左線起止里程樁號為ZK62+492

～ZK63+524，長度為1 032 m；右線起止里程樁號為K62+473～K63+507，長度為1 034 m。隧道左右線出口均位于曲線段，左右洞凈距在18.2～15 m之間，出口為Ⅴ級圍巖小凈距隧道，隧道進(jìn)口端洞門為削竹式，出口端為端墻式。米田村隧道洞口均位于第四系的巨厚堆積體中，進(jìn)口為碎石土，中密狀，穩(wěn)定性較差～一般；出口為碎、塊石，中密狀，穩(wěn)定性一般。隧道洞身堆積體呈散體結(jié)構(gòu)，基巖巖性的完整性在破碎～較完整之間變化。

2 洞身地質(zhì)及開挖方法

米田村隧道開挖支護(hù)按非爆破原理組織施工，隧道硬質(zhì)巖段落軟質(zhì)巖采用弱爆破開挖，在處理不宜爆破的軟弱圍巖時(shí)，采用小型挖掘機(jī)進(jìn)行直接開挖，或者使用人工風(fēng)鎬進(jìn)行開挖。

洞身為Ⅳ級圍巖中風(fēng)化灰?guī)r、碎石土，中密狀，穩(wěn)定性較差，采用上下臺階法施工或環(huán)形預(yù)留核心土法開挖；出口小凈距隧道Ⅴ級圍巖先行洞采用環(huán)形預(yù)留核心土法開挖，后行洞和緊急停車帶則采用單側(cè)壁導(dǎo)坑階法開挖；隧道進(jìn)口約300 m均位于第四系沖洪積層中，屬于Ⅴ級圍巖，洞口淺埋偏壓，并且地表建筑物多、密度大，采用交叉中隔壁法開挖，同時(shí)嚴(yán)格控制圍巖變形。

3 重點(diǎn)施工方法及施工要點(diǎn)

3.1 上下臺階法

該方法適用于主洞Ⅳ級圍巖中風(fēng)化灰?guī)r段的襯砌開挖施工，開挖前應(yīng)先施作超前支護(hù)。上臺階每循環(huán)開挖進(jìn)尺的Ⅳ級圍巖不得大于2榀鋼架間距，V級圍巖不得大于1榀鋼架間距；下臺階每循環(huán)進(jìn)尺不得大于2榀鋼架間距。隧道開挖后，初期支護(hù)應(yīng)及時(shí)施作并封閉成環(huán)。下臺階應(yīng)在上臺階支護(hù)完成后，噴射混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%后開挖。臺階下部斷面一次開挖長度應(yīng)與上部斷面相同，且不得大于1.5 m。Ⅳ級及以上圍巖仰拱的每循環(huán)開挖長度不得大于3 m，不得分幅施工。

仰拱與掌子面的距離：Ⅲ級圍巖≤90 m，Ⅳ級圍巖≤50 m，V級圍巖≤40 m。二襯距離掌子面：Ⅲ級圍巖地段不宜大于120 m，IV圍巖地段≤90 m，洞身V級圍巖地段≤70 m。

二次襯砌距掌子面的距離應(yīng)根據(jù)監(jiān)控量測及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，但不得大于規(guī)定值。Ⅳ級以上圍巖仰拱的每循環(huán)開挖長度不得大于3 m，不得分幅施工[1]。

上下臺階法的施工控制要點(diǎn)如下：

（1）洞口及明洞工程完工后，即可進(jìn)行暗洞上臺階的開挖和初期支護(hù)。由于洞口段為Ⅴ級圍巖，所以開挖方法采用“弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法”進(jìn)行開挖掘進(jìn)，沿上部開挖輪廓線，采用人工輔以小炮開挖拱頂環(huán)形土，然后打徑向錨桿—鋪掛鋼筋網(wǎng)—立鋼拱架—噴射混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

隧道開挖后，應(yīng)立即對巖面進(jìn)行噴射混凝土施工，防止巖體發(fā)生松動。噴射混凝土順序應(yīng)先墻后拱，當(dāng)巖面不平整時(shí)，應(yīng)先噴凹處找平。

在邊墻部分的噴射混凝土施工中，應(yīng)采取自下而上、從左到右或從右到左的順序進(jìn)行，確保噴射過程形成螺旋軌跡的運(yùn)動模式。每一圈噴射應(yīng)覆蓋前一圈的一半，縱向施工則應(yīng)按順序進(jìn)行。噴射過程中的旋轉(zhuǎn)半徑一般設(shè)定為15 cm，而每次蛇形噴射的長度則控制在3～4 m的范圍內(nèi)。

對于拱部施工，應(yīng)從拱腳至拱腰處自下而上進(jìn)行噴射，隨后從拱腰至拱頂采取由里向外的噴射方式。在噴射混凝土的過程中，必須嚴(yán)格控制噴射速度，保證混凝土能夠均勻、密實(shí)地覆蓋在巖面上。根據(jù)實(shí)際施工情況適時(shí)調(diào)整噴射速度，首次噴射混凝土厚度不得小于設(shè)計(jì)厚度。

下部開挖時(shí)鋼拱架的錨桿必須施工完畢，確保施工安全，并控制鋼拱架的下沉量在允許的范圍內(nèi)。開挖進(jìn)尺控制：上臺階每循環(huán)開挖進(jìn)尺的Ⅳ級圍巖不得大于2榀鋼架間距，V級圍巖不得大于1榀鋼架間距；下臺階每循環(huán)進(jìn)尺不得大于2榀鋼架間距。采用松動爆破。開挖成形后應(yīng)及時(shí)支護(hù)，并保證鋼支撐墊板能夠落到穩(wěn)定基巖上。

3.2 環(huán)形預(yù)留核心土法

該方法適用于V級圍巖小凈距隧道先行洞的襯砌施工，開挖前應(yīng)先施作超前支護(hù)。對于V級圍巖，上臺階每循環(huán)的開挖進(jìn)尺不得超過2榀鋼架間距的限制。同樣，下臺階每循環(huán)的進(jìn)尺也應(yīng)遵循這一原則，不大于2榀鋼架間距。開挖完成后，隧道的初期支護(hù)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行并封閉成環(huán)，以提供必要的臨時(shí)支撐。核心土與下臺階的開挖工作，應(yīng)在上臺階支護(hù)完成后進(jìn)行，并確保噴射混凝土的強(qiáng)度至少達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%。初期支護(hù)封閉的位置與掌子面之間的距離應(yīng)控制在15 m以內(nèi)。對于Ⅳ級和V級圍巖，仰拱與掌子面之間的距離也有明確要求，在Ⅳ級圍巖中這一距離不得超過35 m，而在V級圍巖中，這一距離應(yīng)進(jìn)一步縮短至不超過25 m，以增強(qiáng)隧道結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和承載能力。

二次襯砌距掌子面的距離：二次襯砌距掌子面的距離≤50m；洞身V級圍巖≤70 m；IV圍巖≤90 m。隧道仰拱均應(yīng)采用棧橋施工工藝，澆筑時(shí)必須整體澆筑，不得分幅澆筑[2]。

環(huán)形預(yù)留核心土法的施工控制要點(diǎn)如下：

（1）施工開挖采用短臺階留核心土法，臺階總長度小于15 m，核心土面積不宜小于上臺階斷面面積的50%，并根據(jù)圍巖情況靈活調(diào)整，開挖循環(huán)間距控制在1榀鋼拱架間距，初期支護(hù)應(yīng)緊跟開挖面。在上半斷面初期支護(hù)基本穩(wěn)定后才能進(jìn)行下半斷面的開挖。

（2）針對拱腳處軟弱破碎的圍巖，應(yīng)采取加固措施。首先加固拱腳，通過增加鎖腳錨桿的數(shù)量和直徑提供額外的支撐力。鎖腳錨桿的施作應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，確保錨桿的長度、間距和注漿質(zhì)量滿足工程要求。

當(dāng)拱腳處圍巖軟弱破碎程度較高時(shí)，可考慮擴(kuò)大拱腳，通過增加拱腳的寬度和厚度，提高其對圍巖的承載能力。同時(shí)，在拱腳處增加墊板也是一種有效的加固措施，墊板應(yīng)選用高強(qiáng)度材料制作，并與鋼拱架緊密連接，以分散和傳遞來自圍巖的壓力。在施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)對拱腳處圍巖的監(jiān)測和觀察，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理潛在的安全隱患，確保隧道施工的安全順利。

（3）當(dāng)隧道上臺階的核心土開挖完成后，若發(fā)現(xiàn)拱頂及兩側(cè)拱墻的收斂變形顯著，為確保隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全，可以及時(shí)施作臨時(shí)仰拱。臨時(shí)仰拱的施作應(yīng)迅速且有效，以及時(shí)分擔(dān)上部結(jié)構(gòu)的荷載，減少變形，確保隧道的整體穩(wěn)定性。

在地下水量較大的情況下，開挖面的處理尤為關(guān)鍵。應(yīng)及時(shí)噴射混凝土以封閉開挖面，防止地下水涌入隧道內(nèi)部。隨后，打孔并插入PVC管以引導(dǎo)和排放地下水。在這一過程中，超前注漿技術(shù)發(fā)揮著重要作用。采用水泥和水玻璃雙漿液進(jìn)行注漿，可以更有效地填充圍巖中的空隙，提高圍巖的整體性和抗?jié)B性。注漿結(jié)束后，為確保注漿效果，上臺階的開挖工作應(yīng)在待凝期間暫停，待注漿體達(dá)到一定強(qiáng)度后再進(jìn)行。

（4）Ⅴ級圍巖施工安全距離：洞口及淺埋段≤50 m，一般段≤70 m，Ⅳ級圍巖段≤90 m。

（5）爆破完成后應(yīng)采用挖掘機(jī)對爆破后產(chǎn)生的危石、浮石進(jìn)行清除，達(dá)到排險(xiǎn)目的，確保施工安全。

（6）在下一循環(huán)開挖放樣時(shí)，測量組應(yīng)對上一循環(huán)的開挖斷面進(jìn)行測量，并記錄超欠挖數(shù)據(jù)，用于對施工班組的開挖考核，達(dá)到控制超欠挖的目的。超欠挖數(shù)據(jù)采用全站儀進(jìn)行斷面測量或在掌子面畫出開挖輪廓線后測量，點(diǎn)間距控制在50 cm以內(nèi)。

3.3 單側(cè)壁導(dǎo)坑法（CD）施工

該方法適用于主洞停車帶段、小凈距隧道后行洞的襯砌施工，圍巖條件差時(shí)可視情選用。

（1）開挖前應(yīng)先施作超前支護(hù)。各分部宜采用機(jī)械開挖，周邊輪廓應(yīng)圓順，避免應(yīng)力集中。開挖循環(huán)進(jìn)尺不得大于初期支護(hù)的鋼架設(shè)計(jì)間距。隧道開挖后初期支護(hù)應(yīng)及時(shí)施作并封閉成環(huán)。應(yīng)在先開挖側(cè)噴射混凝土，并在強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后再進(jìn)行另一側(cè)開挖。初期支護(hù)的封閉位置與掌子面的距離≤35 m，仰拱與掌子面的距離≤40 m。

（2）二次襯砌距掌子面的距離≤50 m。二次襯砌距掌子面的距離應(yīng)根據(jù)監(jiān)控量測及時(shí)調(diào)整，但不得大于圖中的規(guī)定值。

（3）圍巖較差時(shí)應(yīng)增設(shè)臨時(shí)仰拱。設(shè)置臨時(shí)仰拱時(shí)，宜設(shè)為弧形，各部施工應(yīng)步步成環(huán)。臨時(shí)支護(hù)的拆除應(yīng)在初期支護(hù)封閉成環(huán)，并通過監(jiān)控量測確認(rèn)其穩(wěn)定性，一次拆除長度不超過15 m，拆除過程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測。

（4）鎖腳錨桿彎鉤應(yīng)焊接在工字鋼臨空面的側(cè)翼緣上，采用雙面焊接，焊縫寬度≥15 mm，焊縫厚度≥9 mm。隧道仰拱均應(yīng)采用棧橋施工工藝，澆筑時(shí)必須整體澆筑，不得分幅澆筑。

3.4 交叉中隔壁法（CRD）施工

交叉中隔壁法施工應(yīng)遵循“管超前、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測”的原則。首先應(yīng)完成導(dǎo)向墻的施工，比如洞口長管棚的施工或完成超前小導(dǎo)管支護(hù)的施工，然后按照此工法工藝流程進(jìn)行施工。上臺階開挖進(jìn)尺不應(yīng)大于1榀鋼架間距，邊墻每循環(huán)開挖支護(hù)進(jìn)尺不得大于2榀鋼架間距；仰拱開挖前必須完成鋼架鎖腳錨桿。

交叉中隔壁法應(yīng)用在軟弱圍巖大跨度隧道中，應(yīng)先開挖隧道一側(cè)的一或二部分，施作部分中隔壁和橫隔板，再開挖隧道另一側(cè)的一或二部分。完成橫隔板施工的施工方法，主要應(yīng)用于Ⅴ級圍巖淺埋地段的施工。交叉中隔壁法施工工序平面示意圖見圖1所示：

圖1 交叉中隔壁法施工工序平面示意圖（cm）

根據(jù)隧道不同圍巖的開挖施工特點(diǎn)，先行洞開挖到Ⅴ級與Ⅳ級分界處時(shí)，應(yīng)用噴射混凝土封閉掌子面，將水平支撐同樣加到掌子面，收斂點(diǎn)也埋設(shè)在掌子面；通過收斂量測，先行洞穩(wěn)定后，再開挖后行洞，在后行洞開挖過程中應(yīng)密切觀察先行洞的變化，當(dāng)后行洞與先行洞平起后（即同樣到達(dá)Ⅴ級與Ⅳ級分界處），同樣按先行洞的方式處理掌子面；對施工過程中的量測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷變形滿足規(guī)范要求后，再進(jìn)行工序轉(zhuǎn)換施工。

4 結(jié)論

經(jīng)過對隧道工程洞身開挖方法及重點(diǎn)技術(shù)的綜合分析和深入研究，該文得出了以下結(jié)論：在復(fù)雜地質(zhì)條件下，隧道洞身開挖方法的選擇需綜合考慮地質(zhì)特點(diǎn)、工程需求和安全因素，靈活采用如環(huán)形預(yù)留核心土法、上下臺階法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法（CD）施工法等開挖技術(shù)，以適應(yīng)不同的地層和工程條件。隧道工程洞身開挖方法及重點(diǎn)技術(shù)的分析與應(yīng)用是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要綜合考慮多個(gè)因素，注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，通過不斷優(yōu)化和完善開挖方法和重點(diǎn)技術(shù)，可以有效提高隧道工程的施工質(zhì)量、安全性和效率。

參考文獻(xiàn)

[1]韓叢.不良地質(zhì)條件下隧道洞身開挖施工關(guān)鍵技術(shù)[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2024（2）：108-110.

[2]程熙.隧道工程洞身開挖工藝技術(shù)分析[J].低碳世界，2019（11）：213-214.