软弱围岩隧道顶弧侧壁施工工法

邹 鑫 苟明中

1 前言

隧道受外力作用不确定因素多，应力复杂，特别是处于Ⅴ级围岩，浅埋、偏压、水饱和地带，地貌多为山麓堆积体，地质变化复杂。设计往往所采用的加强措施为:降低一级围岩级别进行设计。为保证施工过程中隧道的纵向稳定，往往采用长管棚，以达到加强初支结构的刚度、强度和稳定性。现阶段对于大断面隧道、洞口地段及软弱围岩隧道的主要施工工法分别为:CRD(交叉中隔墙法)、CD(中隔墙法)、双侧壁导坑法(眼镜法)。三种方法的优缺点见表1。

根据表1比较可以看出目前大跨隧道采用的施工工法普遍存在施工进度较慢、技术要求较高、投资较高等缺点。结合各种工法优缺点并结合工程实例在隧道特殊段施工提出“顶弧侧壁工法”。

表1 各种方法的优缺点

2 顶弧侧壁工法原理

以台阶法及双侧壁导坑法为基础，利用圆心起拱线处正压力和侧压力基本平衡。上部①，②紧随施工封闭成环时间短，结构稳定。在顶弧侧壁初支保护和大核心土横撑作用及平衡反向压力的情况下，施作下部③，④，使洞身短时间内全圆封闭成环。紧随施工仰拱混凝土和填充混凝土，增强洞身稳定，适时施作拱墙模筑混凝土衬砌，使隧道形成整体结构(见图1)。

3 顶弧侧壁工法施工步骤

采用“顶弧侧壁”工法施工的步骤如下:1)按三步台阶进行:a.顶部弧形导坑。b.边墙至仰拱底侧导开挖，每台阶步距2.5 m～3.0 m平行推进。c.架设侧壁导坑临时支撑。2)随着弧形导坑和两侧侧壁导坑平行的向前推进，视仰拱地质情况进行仰拱基底开挖。可按2 m一成环，6 m一回头施作仰拱型钢喷混凝土初期支护、衬砌混凝土和填充混凝土，以增大洞身的稳定性。3)当三台阶基底出现基岩，墙脚锁脚锚杆插入基岩时，视具体情况可不设第三台阶侧壁临时支撑。但锁脚锚杆必须加强，且核心土侧边坡必须稳定，防止核心土塌陷，确保施工安全。4)两侧侧壁导坑开挖，随着型钢钢架基脚基岩向上延伸，视具体情况，可取消侧壁临时支撑，采用留大核心上、下台阶法开挖。以便简化工序，加快施工速度。5)当两侧边墙脚型钢支撑达仰拱底，且锚杆插入中风化层，可视为已形成闭合环。后部核心土及核心仰拱开挖，距离可适当拉长，亦可采用半侧开挖封闭。6)如隧底仰拱达微风化，未风化地层，可取消仰拱仅作隧底铺底混凝土。

4 顶弧侧壁工法特点及工序转换

1)当洞口长管棚施作完毕，管棚强度达80%以上，即可进行洞口施工，洞口首次开挖顶部弧形导坑弧形槽挖高度为2.0 m，纵向槽挖长度达L=0.8H+6.0 m。2)因洞口段埋深很薄，敷设环状径向锚杆作用不大，且钢架距长管棚钢管很近，可掏现长管棚，用钢筋将钢架与长管棚钢管牢固焊接，挂网喷混凝土，使初支和长管棚构成组合受力结构，增强管棚整体承载能力。3)采取一榀一挖，紧跟型钢、网喷混凝土，及时封闭，但必须注意型钢支撑基底地层的承载力，其基底必须硬实，不得松软、虚空，一般基底地层承载力大于0.25 MPa。4)应加强锁脚锚杆的锁定作用，设对应扣拉锚杆，确保拱墙脚处型钢架处应力分散在周边围岩内，强化喷混凝土质量，确保喷混凝土与围岩紧密咬合，初支与围岩不得有空隙和空洞，否则作注浆处理。5)当顶部弧形导坑开挖达到0.8H+6.0 m长度后，停止上一台阶施工，对称进行二台阶开挖，直达一台阶开挖面2.5 m～3.0 m，宽度为2.0 m～2.5 m，侧导底达洞身最大宽度处同样作扩大拱墙脚，加强锚脚锚杆并注意核心土边坡的稳定。6)对称开挖第三台阶，侧壁导洞宽度为2.0 m，基底达仰拱底标高面，加强锁脚锚杆锚锁。7)平行清挖核心土，注意核心土纵向边坡的稳定性以确保施工安全。8)进行仰拱基底清挖，及时施作仰拱初期支护3 m～6 m，形成初支闭合环。

5 顶弧侧壁工法关键点的控制

1)开挖断面轮廓必须严格控制，宜采用断面仪精确放线。2)Ⅴ级围岩下沉变形规律为σ=0.8%×B。3)尽量采用人工配合风镐修挖，如必须使用爆破时，应采用短进尺，光面弱爆破。4)型钢加工必须准确，安装时连接板、连接螺丝必须紧实，密贴。系统锚杆，超前小导管施工工艺必须细致到位。5)网喷混凝土，应从下至上，垂直岩面喷射，小螺旋前进，分层喷护。6)必须确保初期支护，型钢基脚的整体坚实。7)必须加强拱墙脚部位的锁脚锚杆的锚固强度，确保钢架支撑的稳定。8)加强拱顶下沉观测和收敛量测反馈，调整预留沉落量，修订支护参数。9)“及时封闭，尽早成环”，作为“顶弧侧壁”工法施工的指导原则。

6 顶弧侧壁工法优点

“顶弧侧壁”工法是应用岩土力学理论，以维护围岩本身的自承载能力为基点。采用必要的加固手段，在柔性变形的允许范围内，变双侧壁施工法对围岩进行被动维护为“顶弧侧壁”工法对围岩进行主动维护。采用顺作法施工，确保了施工的可操作性，因而达到了目标的最大化。

1)顶弧开挖空间适宜，有利于开挖断面控制;2)钢架设置为顺作法施工，节点连接可操作性强，连接坚固、密实，临时支撑拆除变形小;3)开挖面纵向稳定、整体封闭、刚度、强度能够保证;4)整体封闭成环时间短，成环时间仅为双侧壁法成环时间的1/4;5)弧形、侧壁为顺作法施工，变形规律性强，易于开挖控制掌控。总下沉比双侧壁小30%～40%;6)围岩变化，施工方法和工序转换便捷;7)施工快速:“顶弧侧壁”工法的速度是双侧壁法的4倍。

7 顶弧侧壁工法适用条件

在软弱围岩隧道Ⅴ级、Ⅴ级围岩带，采用大管棚、小导管和双层小导管超前支护的双线、三线以及四线隧道。原采用CD(中隔墙法)、CRD(交叉中隔墙法)、双侧壁导坑法，均适宜用“顶弧侧壁工法”施工。但必须指出:初期支护的拱墙脚基础必须干燥、硬实，不得松软、虚空。否则必须进行注浆加固止水处理，使地基承载力大于0.25 MPa。并作扩大基础，采用对扣锚杆，强化对初支的锚固作用。

在极浅埋隧道，洞顶有动荷载，特别是大型动荷载处要慎用，并采取特殊可靠措施后方能采用。

[1] 王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[Z].2000.

[2] 詹 辉，王桂玲.大跨径隧道浅埋段施工技术[J].山西建筑，2009，35(8):315-316.