软弱地层大断面隧道施工方案优化与施工技术研究

郑文印

【摘要】当前，在软弱地层中修建的隧道数量不断增加，特别是大断面隧道，这就对其施工流程以及施工技术和施工管理等要求逐渐提升。可是实际上当前的设计和施工能够进行参考的还很少，管理人员经验比较少，因此，要对其施工技术进行深入分析。

【关键词】软弱地层；大断面隧道；方案优化；三台阶七步法

一、软弱地层大断面隧道的基本力学特征

软弱大断面隧道的基本力学特征应该从以下几个方面说起：

第一，因为大断面隧道的跨度增加，主要呈现"扁平"的拱形结构，因为这种结构近似于椭圆形，受到的承载力比较小，所以隧道开挖时会引起一系列的围岩应力，这些围岩应力在分布过程中是非常不利的，拱脚处的围岩应力相对较大，难以对隧道变形进行控制，对地基的承载能力提出相对较大的要求。

第二，拱顶部位会相应的产生比较大的松弛围岩压力，这就导致了围岩稳定性的不断降低。因为隧道开挖的宽度和高度越来越大，对隧道底部的埋深提出一定的要求，如果在埋深较小、地层条件差、围岩成拱的作用得不到有效发挥时，围岩开始不断的松散下落，这样就会产生相对较大的松弛围岩压力。所以，软弱地层大断面隧道拱顶部位会产生较大的松弛围岩压力。

二、工程概况

某工程的隧道埋深为20m，最大埋深为50m，工程的地质条件较差，埋深较浅。该隧道上被全新的残积粉质粘土覆盖，基岩主要为炭质页岩、砂岩、灰岩等，该区域中的岩层性质相对复杂，为泥质灰岩或偶夹灰岩。隧道穿越的岩层主要为软质岩，大部分为强风化层，岩体的稳定性和强度都比较差。该工程的地下水具有弱酸型酸性，开挖过程中遇到的地下水相对较少，地表水的来源主要为大气降水。隧道设计中的围岩条件较差，开挖高度为13.5m，跨度为16m，开挖的断面比较大。隧道设计中一般会采用小导管超前支护，具体的设计断面如下图所示。

三、软弱地层大断面隧道施工方案优化及施工技術

（一）施工方案优化

本工程在设计的时候本来要选择 CRD 法对其进行开挖，施工方结合相关经验和实际状况，在这一过程中要充分对工程工期和成本加以考虑，因此，将三台阶七步法的这种方案提出来，和 CRD 法进行比较。

1、对CRD法进行介绍

对于大断面隧道来说，利用这种方法进行开挖，主要从上中下部分还有左侧和右侧等部位进行开挖，在本工程中，如果利用这一方法，那么其工序主要包括：

第一，对上部左侧进行施工，开挖单循环50厘米，利用混凝土进行喷射，其厚度为4厘米，对工字钢架进行架设，并利用混凝土进行喷射，厚度为24厘米。

第二，等到上部左侧开挖长度达到了3米到5米之间的时候，对中部左侧进行开挖，工序和第一点相同。之后分别对上部右侧、中部右侧、下部左侧、下部右侧进行施工，工序都是相同的。仰拱开挖采用栈桥施工，长度控制在4米以内，并进行跳跃间隔开挖施工，施工完初期支护后立即进行仰拱回填施工。

最后，在工程中利用衬砌模板台车浇筑二次衬砌结构。

2、对三台阶七步法进行介绍

工程施工时，开挖面主要分为七个，这种作业方法就是分别在各个位置一起进行开挖，分别做好支护工作，确保支护整体的形成，减少作业时间。利用这种方法进行开挖时，主要分上部以及中部还有下部和底部四部分进行施工，利用错台台阶形式。这一过程中，需要注意上部和中部之间有5米以内的差距，上部要超前3～5米，中部与下部、下部和底部之间同样如此，之后逐级进行开挖。对于这种方法，在初期将平行进行初期支护，并在下台阶确保支护体系的形成，这种支护体系必须具有封闭性和稳定性。一般情况下，利用这种方法对大断面隧道进行施工，为了方便工程施工，要对各个台阶高度进行控制，比如，对于上台阶来说，要保持在3到5米之间，而对于中台阶来说，其高度一般为3米到4米之间，下台阶与中台阶的高度相同。与此同时，在轮廓线里面，要事先留出一定的厚度，大约为 30厘米，利用铁镐这种工具采用人力方式对其开挖。

3、方案分析

我们对上面的两种方案进行比较。对于CRD法来说，它的优点是可以控制变形，并对大断面进行改正，使之成为小断面。其缺点是工程质量以及进度和安全性都不尽如人意。而对于三台阶七步法来说，其施工进度要快得多，在确保工程质量还有工期和安全性的基础上，三台阶七步法是CRD法的一个重要必选施工方案。

（二）施工技术分析

1、边、仰坡施工

相关人员严格按照施工要求，采用CRD法进行施工，并视隧道洞口的边、仰坡情况，及时更改施工方案。在进行边、仰坡开挖前，相关人员应设置好开挖边线，并重新规划设计中的中线桩。根据这种情况，监理工程师要重新进行测试，通过这种方式，保证放样准确。监理工程师要检查地形与设计情况，如果两者的差异较大，需要变更坡率甚至改变洞门位置时，通知设计单位进行变更。

如果采用CRD法开挖，那么其月进尺一般在25～30之间，所以即使通过两头同时掘进，也无法在短时间内达到施工要求。根据隧道的具体情况，可以改变施工技术方式。例如使用三台阶七步开挖法进行后半段的隧道施工。施工人员自上而下逐段开挖，并尽量减少原地层的扰动，不得掏底或上下重叠的危险方式开挖边仰坡。相关人员要注意采用合理的爆破方法，尽量降低山体对地层的稳定影响，可以采用松动爆破的方式。如果按照设计断面及坡度开挖，应定期检查开挖段的地质情况，及时调整，如果有滑动现象或是开裂现象，相关人员应尽量放缓坡度，采取其他支护方式，保证边坡的稳定，增加施工的安全性。

2、测量地表沉降

施工人员应使用精密的仪器测量地表沉降的数值，并选取视线和视野都较好的地方进行测量，地面的测量点最好设置在隧道的轴线两侧，每个断面都要保证7个以上的测点，并保证其间距为3m。隧道开挖时，要在测量点前30m处进行测量，等到沉降稳定后，停止测量。

3、洞身施工

在本次施工中，相关人员应根据软弱地层的具体情况，由承包人向监理工程师提交分项工程开工申请，如本分项工程基本情况，相关人员要根据不同的围岩路段，选取合适的开挖方式。在洞身施工中，合理的掘进方式和开挖方式是很重要的，施工人员要设定合理的时间，做好开挖过程中的临时支护措施，通过这种做法，辅助施工的顺利进行。

施工人员应选取稳定的洞内导线点、水准点的桩点，并保证通视良好。洞内导线的引测，要保证这些线路能够按照一定顺序设置，其中导线边长应在合理的范围内，如其直线不能短于200m，曲线不能短于70m。洞内导线应根据洞口投点向洞内作引伸测量，后视方向的长度不宜小于300m，这些做法使误差满足测量的相关需求。

4、开挖支护措施

施工人员可以采用三台阶七步开挖法进行该项施工。这种方式主要是通过七个开挖面，从不同的角度开挖，然后进行支护，最后形成一个支护整体。这种方法的运用能够有效缩短施工时间，在下台阶形成一个稳定且封闭的支护体系。

结语

综上，本文通过两种方案的初级比选，得出的结论是两种方法在具体应用中各有优点与缺点，其中三台阶七步开挖法在进度等方面具有明显的优势，而且应用的范围非常广泛。

参考文献

[1]马栋.富水糜棱岩地层大断面隧道施工技术[J]. 铁道建筑. 2014（10）

[2]李红兵.软弱地层大断面隧道施工方案优化与施工技术[J]. 山西建筑. 2014（28）

[3]樊明军.大断面隧道施工技术研究[J]. 黑龙江交通科技. 2013（12）