大断面大变形软岩隧道开挖新方法探索

◎ 中铁隧道集团四处有限公司 韩静玉

引言

据有关部门对软岩隧道施工进行的不完全统计，从2006年到2010年的4年时间内，软弱围岩隧道发生事故共28起，对统计数据进行分析，软弱围岩隧道事故主要表现在三个方面：一是洞口坍方占20%；二是掌子面变形坍方占33%；三是掌子面后方坍方“关门”占47%。究其原因，主要有两个方面，一是客观上地质和环境的复杂性，二是主观上技术措施、施工方法及工艺、现场管理等原因。说明软岩隧道施工控制变形坍方对各施工单位都是需要解决的难题。

1 目前采用的施工方法及导致初期支护下沉的原因分析

在施工过程中由于初期支护下沉过大给隧道施工带来极大麻烦，部分软弱地质隧道因初期下沉，花费了大量财力和物力换拱，有的甚至发生了安全事故，一般情况下，当变形量达150～250 mm时，拱部喷混凝土开始出现微裂纹;当变形量达250～350 mm时,拱部喷混凝土开始出现龟裂，当变形量达350～450 mm时,拱部喷混凝土开始出现局部掉快;当变形量达450～600 mm时，工字钢架开始扭曲变形,继续发展将发生坍方，找出导致下沉的原因，寻求更好的解决方法，对软弱围岩隧道施工是非常有意义的。

1.1 地质原因

显著变质的岩类有片岩、强风化千枚岩、膨胀性凝灰岩、软质粘土层、强风化的凝灰岩、凝灰岩和泥岩分互层、泥岩破碎带和矿化变质粘土等是导致隧道变形的主要因素，若单纯靠改变地质的方法来控制下沉其成本较高，如水平旋喷桩预加固措施，全隧全环施作长管棚或全隧全断面超前注浆，这是成本和工期都不允许的。

1.2 由施工方法方面引起的原因分析

通过对施工过程中导致下沉过大的各种因素分析，探索软弱地质条件下减小下沉的新施工方法，是本文要探索的主题。在软弱围岩地质条件下大断面隧道施工时，国内目前主要采用的开挖及支护方法主要三台阶六部法、CRD法和双侧壁导坑法，根据不同的围岩选用不同的方法，每种方法对地质有一定的适宜性。

（a）三台阶六部法工序图（如图1）

三台阶法施工步序：①—上台阶开挖支护（开挖长度7～10m）；②—左中台阶开挖支护（开挖长度4～7m）；③—右中台阶开挖支护（开挖长度4～7m）；④—左下台阶开挖支护（开挖长度10～15m）；⑤—右下台阶开挖支护（开挖长度10～15m）；⑥仰拱开挖支护。从上述施工步序看仰拱开挖支护是最后的工序。然而该工序却是保证隧道基础稳固的关键工序。在上台阶开挖过程中，为了稳定掌子面需留核心土，拱脚两侧通常是用挖机开挖的，难以控制高程，经常出现超挖现象，导致拱脚立在虚碴上，即使垫上小块木板或钢板也难保证拱脚牢固。由于上台阶中部留核心土两侧空间太小，上断面拱脚处的锁脚锚管（锚杆）无法按设计施作到位，在地应力作用下导致上台阶拱架下沉。地下水丰富的隧道，多台阶施工时因排水不畅上台阶拱脚也是经常被水浸泡的部位，加速了拱架下沉。中下台阶开挖更是将一个基本稳定的上台阶拱脚再次松动，同样存在拱脚超挖问题，进一步加速了上台阶拱架下沉速度，中下部初期支护大约需要30天左右才能封闭成环，这期间的下沉量非常大，导致很多隧道变形换拱甚至塌方。

图1 三台阶法施工

（b）CRD法施工工序图（如图2）

CRD法施工步序：①部开挖支护。超前预支护，风镐开挖，每循环进尺0.5～0.6m，开挖后及时封密成环，临时仰拱间隔2～3m预留空洞，以便翻碴至②部，台阶长度3m左右。②部开挖支护。超前预支护，利用PC120小挖机开挖，风镐配合修边，每循环开挖进尺0.5～0.6m，开挖后及时封闭成环，装载机出碴。③④部开挖支护，施工方法同①②部，③部落后②部5～10m，④部落后③部3 m左右。⑤⑥部开挖支护，施工方法同③④部。①②③④部开挖至比较好的围岩后，掌子面合并为三台阶施工，PC120小挖机及装载机配合开挖⑤部，⑥部作为运输通道，开挖⑥部时，⑤部作为运输通道。当第①步开挖后，钢拱架底部架设在土上或木板（钢板）上，由于钢拱架底部没有一个稳固的基础，在上部荷载的作用下，拱架在不断的下沉，只有在全断面的所有工作面全部完成后，即钢拱架全断面封闭成环后，下沉才基本停止。在没有封闭成环的时间里，每个工段的钢拱架每天都在下沉。而更重要的是当第①步施工完成后，在进行第②步施工时，是把第①步施工的钢拱架底部的基础挖空，然后安装第2步的钢拱架。这就使第①步的钢拱架处于悬空状态，也就使第步①的钢拱架产生了新一轮的更严重的下沉。

图2 CRD工法断面布置

（c）双侧壁导坑法施工工序图（如图3）

双侧壁导法施工步序：①部开挖支护，超前预支护，风镐开挖，每循环进尺0.5～0.6m，开挖后及时封密成环，临时仰拱间隔2～3m预留空洞，人工翻碴至②部，台阶长度3m左右。②部开挖支护，超前预支护，利用PC120小挖机开挖，风镐配合修边，循环开挖进尺与①部同步，开挖后及时封闭成环，装载机出碴。③④部开挖支护，施工方法同①②部，③部落后②部5～10m，④部落后③部3 m左右。⑤部开挖支护。落后④30m左右，PC120小挖机开挖并翻碴至⑦部，风镐配合修边，每循环进尺0.5～0.6m，架设左侧拱部初支拱架及临时中立柱。⑥部开挖支护。落后⑤1m左右，PC120小挖机开挖并翻碴至⑦部，风镐配合修边，每循环控制进尺与⑤部同步，架设右侧拱部初支拱架及拆除临时中立柱。⑦部开挖支护。落后⑥3m左右，PC120小挖机开挖并翻碴至⑧部，循环控制进尺与⑤⑥部同步，落后3～5m架设临时横撑，以便为PC120小挖机预留操作空间。⑧部开挖支护。落后⑦3m左右，PC120小挖机开挖，装载机出碴，每循环控制进尺与⑦部同步，初支仰拱及时合环。该工法造成初期支护下沉的原因与CRD工法的类似。

图3 双侧壁导坑法

2 新开挖方法—长锚杆（锚索）超前支护加下部群洞开挖法

2.1 长锚杆（锚索）超前支护

预应力锚索（锚杆）能提供较高的支护抗力、长系统注浆锚管加固围岩缩小松动圈，起到主动支护，控制围岩变形，确保施工安全的作用，是大变形软岩隧道施工的核心工序，同时能探明前方地质状况，起到超前地质预报的作用，解决好长锚杆（锚索）施工效率和效果，就可以组织快速的分部循环作业，快速封闭支护结构，提高工效，是解决大变形隧道施工的关键，国内外软弱围岩典型挤压性变形隧道(奥地利陶恩隧道、阿尔贝格隧道、日本惠那山隧道及我国家竹箐隧道等)的成功治理经验证明，长锚杆是主动控制软弱围岩大变形的主要手段。应按照“锚杆打入围岩松动圈外稳定岩层中不小于2 m”的原则确定锚杆长度，以使其形成较厚的围岩加固圈，从而控制围岩松弛变形范围，减少变形量及作用于被动控制变形的支护衬砌结构上的荷载，节省工程投资。

图4 群洞工序图

2.2 群洞法施工步序

通过对上述三种软岩常用工法导致初期支护下沉的原因分析研究，提出一种新的施工方法，即长锚杆（锚索）超前支护加下部群洞开挖法，下部群洞开挖法其基本原理也是将大断面划分为小断面，减小开挖跨度，先稳固下部再开挖上部的施工方法。采用临时支护的方法首先在隧道下部开挖几个导洞，同时在导洞内做好初期支护的仰拱部分，为上部拱架打下一个稳固的基础，以减少拱架下沉量，如图4。

2.3 群洞法施工步序

①先施工中导洞；②再施工两侧导洞；③以两侧导洞为基础，沿上部轮廓开挖并安装上部钢拱架；④以群洞初期支护为基础，挖除上部芯土；⑤拆除群洞临时支护施工。

2.4 控制初期支护下沉的措施

群洞临时支护采用强度较高的工字钢，间距与正洞初期支护的钢拱架相对应，并与初期支护的钢拱架用螺栓连接，便于拆卸。拱架上按设计间距焊接套管，2榀临时拱架之间联接筋采用套管联接，联接筋背后安装木板，用于挡土。临时支护采用跳喷混凝土，即每隔5榀喷1榀，便于拆装，以便下一区段重复利用。下面对下部群洞开挖法各方面的情况进行分析。

临时导洞稳定性分析。①中洞开挖一般控制在某种程度5m×5m左右。在原状土里开挖一个截面为500cm×500cm、上下都为弧形的导洞，且以I20工字钢及挡土木板作为支护。②中洞形成了，两侧的导洞也便于形成。③临时支架安全分析。I20工字钢截面积39.5cm2，屈服强度2800kg／cm2，承载力p＝39.5×2800＝110600kg≈100 t，大型挖掘机自重20t，按由4根立柱承担，每根立柱5 t，安全系数k＝100÷5＝20。计算结果说明，即使采用大型挖掘机在临时支护上操作，也安全可靠，且有很大的安全储备。土压力对拱架产生的内力难以准确计算，但根据以往的施工经验，导洞按正洞间距架设拱架并跳喷砼，通过定性分析和经验应该是安全的。④上部环形开挖留核心土的可行性分析。上部环形开挖留核心土的方法同常规微台阶施工方法，应该更安全。⑤初期支护拱架安全性分析。由于影响初期支护拱架安全的因素很多，难以定量分析，影响因素有土的物理力学性质、含水量大小、回填土的厚度、施工时间长短、下沉量大小、拱架拼装质量等，定性分析属于安全。

理由是：a)全拱与半拱轴力相等。把初期支护上半部分的钢拱架进行力学分析可以知道，把上半部分钢拱架一次性施工安装与CRD法的分Ⅰ、Ⅲ部2次安装（即先安装一半）进行比较，全拱与半拱轴力是相等的，而且全拱内力以轴力为主，弯矩很小，改善了受力条件。而先安装Ⅰ部半拱拱架，Ⅰ部拱架易产生大的弯矩。b)由于是自下而上的施工，有利于保证钢拱架的拼装质量，钢拱架安装质量提高了，承载能力也提高了。c)围岩保护好，自稳能力提高，减小了钢拱架的荷载。d）在下部导洞形成后，最有效的排除了上部土壤中的水分，改善了土的物理力学性质，也即减小了上部初期支护拱架的荷载。

3 结论

在软弱地质条件下大断面隧道施工时，长锚杆（锚索）超前支护将可有效改良隧道前方地质重要条件，下部群洞将大断面变成多个断面洞室，从下往上施工，可有效控制初期支护下沉和收敛问题。而且施工比三台阶法、CRD法和双侧壁导洞法安全、速度快、质量好，二次衬砌及时跟近，初期支护变形时间较短，可实现基本不变形，减小预留沉降量设置，节约回填砼方量，可明显降低工程造价。因此，在软弱地质条件下大断面、超大断面隧道施工时，长锚索（锚杆）超前支护加下部群洞法应是未来隧道施工首选工法。