隧道动态分部施工工法力学原理与施工技术

袁伟强

（中铁十九局第三工程有限公司，辽宁 辽阳 111000）

1 基本概念

1.1 上软下硬复合地层

不同的形成时代，不同的地质作用等因素均使得地层在岩性、结构、变质程度等方面存在着巨大的差别，在工程上表现为高度地非均质性，也就是说，严格意义上的各向同性均质地层在自然界是不存在的。对于隧道工程而言，在开挖断面范围内和开挖延伸方向上，往往存在两种或两种以上不同地层组成了隧道的赋存环境。通常可把这些岩土力学、工程地质和水文地质等特征相差悬殊的组合地层，定义为复合地层。复合地层的组合方式也是非常复杂多样的，但总的来说有以下两类:

1.1.1 在垂直方向上不同地层的组合

最典型的垂直方向上的复合地层就是所谓的上软下硬地层。即隧道断面上部是松软土层，而下部是坚硬的岩石地层或者上部是软岩地层而下部是硬岩层或者在硬岩层中夹软岩层或者在岩石地层中夹破碎带、溶洞等。

1.1.2 在水平方向上不同地层组合

在一个施工阶段当中，可能分布着不同时代、不同岩性、不同风化程度或不同层序的地层，也可能同一种岩层，但风化程度有很大差异，从而表现出水平方向上工程地质性质的差异。

1.2 大断面隧道

随着我国交通事业的飞速发展以及西部大开发战略的逐步实施，交通运输基础设施建设又进入了一个新的大发展时期，环境保护对交通运输的要求使得隧道必将越建越多，而且隧道也越建越长，隧道断面也越来越大。由于大断面隧道跨度较大，结构将承受较大的围岩压力、受力条件较为复杂，加施工期间诸多工序的相互影响、围岩的多次扰动以及支护衬砌相互之间的非同步施工等诸多因素，故极易发生围岩失稳和隧道衬砌结构开裂与破坏现象。因此，开展大断面隧道的施工工法研究也一直是业内人士的焦点。

2 动态分部施工工法的提出及特点

软弱地层中隧道开挖施工方法常用的有双侧壁导坑法、CD 法(中隔壁法)、CRD 法(交叉中隔壁法)等。CD法主要应用于双线隧道级围岩深埋硬质岩地段以及老黄土隧道级围岩地段。CRD法主要应用于IV级围岩深埋软质岩、浅埋、偏压地段以及V级围岩深埋地段。双侧壁导坑法虽然能够应用于V级围岩浅埋、偏压及洞口段，但其为先开挖隧道两侧的导坑，并进行初期支护，再分部开挖剩余部分的方法。

此方法工序干扰少，操作简单、安全可靠，适合中、大型机械进行施工，施工进度大大加快，并且临时支护少，投入经济少，降低了工程造价。能保证施工全过程处于安全、稳定、优质、快速的可控状态。适用于超浅埋大跨隧道不均匀风化地层及从侧壁进洞困难的地段。

3 动态分部施工工法力学原理

3.1 大断面隧道的施工力学特性

目前，国内外对于大断面隧道的施工力学特性进行了较多的研究，归纳起来，大断面隧道施工力学特性主要表现在以下几个方面:

3.1.1 大跨隧道由于宽度加大，而高度基本保持不变，因此，形成一个扁平的拱形结构，其在力学分析上可近似看作椭圆。

3.1.2 由于跨度加大，使得开挖引起的应力重分布趋于不利。如果围岩的单轴抗压强度比重分布的应力小，隧道周边围岩将出现塑性区，为此，需要强大的支护结构来控制变形。

3.1.3 隧道在开挖过程中应力集中程度大，是普通隧道的1.5-2倍，隧道墙脚处应力集中过大，要求围岩具有较高的地基承载力。

3.1.4 拱顶稳定性降低，施工过程中易坍塌。

3.1.5 会产生较大的松弛地压。开挖宽度和开挖高度越大，要求产生拱作用的埋深越大，在埋深小时，拱作用不能发挥时，就会产生很大的松弛地压，因此，对大断面隧道而言，会产生较大的松弛荷载。

3.1.6 支护结构的承载力相对较小。跨度越大，扁平形状的拱形支护结构的承载力也小。

3.2 动态分部施工工法的力学机理

3.2.1 椭圆形洞室围岩应力分布

从判断隧道围岩稳定性的观点出发，只要找到洞室周边极值点处的应力大小，看其是否超过岩体的强度即可判断其稳定程度。从研究圆形断面洞室周边应力知道，椭圆形洞室周边应力的两个应力极值仍然在水平轴和垂直轴上。

3.3.2 动态分部施工工法的力学机理

通常，浅埋隧道的侧压系数K小于1，由于使用功能要求以及其本身的特点和工程造价等因素的控制，大跨隧道一般做成扁平状，为了便于分析可近似地看成椭圆形，从理论力学原理看，动态分部施工工法是有利于隧道施工稳定的。

4 动态分部施工工法施工工艺及操作要点

4.1 动态分部施工工法工况

动态分部开挖工法根据隧道的跨度、开挖面范围内地层分布特征及围岩的稳定程度可以分为中台阶设中隔墙和不设中隔墙两种情况。

4.1.1 中台阶不设中隔墙

当隧道上台阶围岩软弱，而中下台阶围岩较硬时，采用动态分部施工施工工法，隧道中台阶可不设中隔墙，此时，隧道的开挖方法用中隔墙将在上台阶分成左右两部分。具体施工工序如下:①开挖1部台阶，初喷砼封闭掌子面。施作1部洞身结构的初期支护和临时支护，安设锁脚锚杆，锁脚锚杆要求与钢架用钢筋焊接。②跟进开挖支护2部，步骤同1部。③开挖3部，安装钢架，钻设锚杆，锚杆要求焊接在钢架上。喷射混凝土至设计厚度。④开挖4部，及时封闭初期支护。

4.1.2 中台阶设临时中隔墙

当隧道上、中台阶围岩软弱的时，隧道的开挖方法用中隔墙将上、中台阶分成左右4部分。具体施工工序如下①开挖1部台阶，初喷砼封闭掌子面，施作1部洞身结构的初期支护和临时支护，安设锁脚锚杆，锁脚锚杆要求与钢架用钢筋焊接。②跟进开挖支护2部，步骤同1部。③开挖支护3部，步骤同1部。④开挖支护4部，步骤同1部。⑤开挖支护5部，及时封闭初期支护。

4.2 动态分部施工工法要点

采用动态分部台阶法施工，中台阶及下台阶中隔墙根据地质及监控量测情况适当加设。上台阶左侧先行，右侧滞后左侧，中台阶跟进。上台阶为土质时采用人工开挖预留核心土，均采用人工出碴。

4.2.1 108管棚超前预加固（进洞时）

隧道拱部内采取加密的超前108长管棚，注浆材料采用水泥浆或水泥一水玻璃双液浆。

4.2.2 加强初期支护按照“强支护”施工理念，为减少隧道变形引起地表下沉，并保障施工安全，该地段主洞初期支护喷射混凝土厚度由25cm提高至28cm，钢架由120a工字钢改为122工字钢,临时仰拱采用120工字钢，喷射混凝土厚25cm；中隔墙采用122工字钢，喷射混凝土厚22cm。并加设锁脚锚管，每钢架下加设8根。

4.2.3 洞身开挖

上台阶左侧先行，右侧滞后左侧，设置直中隔墙，临时仰拱根据底板地质情况增设，中台阶及下台阶跟进，中台阶中隔墙及临时仰拱根据围岩情况增设。上台阶为土质时采用人工开挖预留核心土，均采用人工出碴；中下台阶出现岩层，需进行爆破时采用弱爆破，避免损坏初期支护，控制爆破速度不超过并按设计埋设注浆小导管，开挖完成后及时喷硅封闭，每循环开挖进尺0.5m(即钢架间距)。仰拱及时跟进，仰拱支护每2-3m施工一次，仰拱衬砌5m一次。

5 结语

从复合地层和大断面隧道的基本概念出发，分别阐述了隧道上软下硬地层与大断面隧道施工力学行为的基本特点，提出了动态分部施工工法的基本概念，并根据椭圆形隧道受力机制和轴变理论分析了其力学原理，从理论上论证了该工法的实施有利于隧道施工的稳定，为该工法的提出提供有力的理论依据，最后就其主要施工工艺及措施进行了具体介绍。

[1]沈才华，童立元，刘松玉.卵砾石层浅埋公路隧道支护方案的优化研究[J].土木工程学报.2008.

[2]付兆岗，李铁翔，蒋勇.北京八达岭隧道冬期喷锚支护施工技术[J].铁道建筑技术,2001.