软弱地层大断面隧道施工方案优化与施工技术分析

2016-03-11冯跃

黑龙江交通科技 2016年11期

关键词：台阶断面隧道

冯跃

(广州诚信公路建设监理咨询有限公司，广东广州 510420)

软弱地层大断面隧道施工方案优化与施工技术分析

冯跃

(广州诚信公路建设监理咨询有限公司，广东广州 510420)

对路桥工程软弱地层大断面隧道施工产生更加全面的认识，推动其整体水平提升，在对软弱地层大断面隧道的基本力学特征进行系统分析的基础上，结合具体工程案例，针对软弱地层大断面隧道施工方案优化与施工技术展开研究。

软弱地层；大断面隧道施工；方案优化；施工技术

1 软弱地层大断面隧道施工方案优化与施工技术

1.1 案例工程介绍

某路桥工程由于所处地理位置的地质条件较差，所以隧道埋深相对较浅，为20 m，最大埋深不超过50 m，开挖高度和跨度分别为13.5 m和16 m，开挖断面面积为105 m2，炭质页岩、砂岩、灰岩为主要的基岩构成，岩层性质属于泥质灰岩或偶夹灰岩，隧道横穿的岩层稳定性和强度均不理想，地下水虽然在开挖过程中渗透的几率较小，但其呈弱酸性，腐蚀性明显，地表水以大气降水为主，可见此项工程属于软弱地层大断面隧道施工工程。

1.2 软弱地层大断面隧道施工方案优化

通过对类似工程施工数据及案例工程施工现场具体情况的对比分析，结合施工的工期以及开挖成本等实际数据，确定案例工程应用CRD法和三台阶七步开挖法两种施工方案都具有可行性，为选择最优施工方案，利用FLAC2D软件建立计算模型，对两种方案中地层变形和结构的受力情况进行对比分析，对CRD进行FLAC2D软件模拟时，针对断面的上中下分六部分开挖，首先第1部开挖，利用单循环开挖0.5 m，喷射厚度为4 cm的混凝土，当开挖长度累计达到3 m以上后，对2部进行单循环开挖，开挖的长度、喷射混凝土的厚度等均与1部相同，当累计长度也达到3 m以上时，进行第3部开挖，依次循序开展直至第6部，开挖长度达到设计标准后，将临时搭建的钢架拆除，然后进行仰拱回填，最后利用衬砌模板台车实现隧道二次衬砌结构的混凝土浇筑。在对三台阶七步开挖法进行FLAC2D软件模拟时，此方案要求利用7个开挖面同时开挖，分别支护，通过同步进行达到缩短工期的目的，在方案应用的初期，以平行支护作为初期支护，从而使下台阶出现封闭、稳定的支护体系，其将断面分为四个主要的部分，在错台台阶的方式下开挖，可以保证开挖的安全性，在实践中发现，通常上部相比中部、中部相比下部、下部相比底部相比超前几厘米的距离，实现逐级开挖，当上台阶开挖高度、上台阶开挖高度、上台阶开挖高度分别控制在4～5 cm，3～4 cm和3～4 cm的情况下，开挖的速度和操作的可行性更有保证，需要注意的是，应用此方案开挖轮廓线内要预留厚度在30 cm左右的空间，用铁锹人工开挖。

在模型建立后，将施工现场各地层的粉质粘土、全风化页岩、强风化页岩、微风化页岩、超前导管加固区、初期支护、二次衬砌等物理参数带入模型中，发现在各开挖步中，CRD的沉降程度和沉降范围相比三台阶七步开挖法都具有明显的优势，两者开挖后累计最大沉降值分别为2.1 cm和8.5 cm，可见前者对围岩扰动的程度相比后者更小，两者在模拟中引起的最大地表沉降值和最大拱顶沉降值分别为3.4和4.5、8.9和10.5，所以CRD相比三台阶七步开挖法更有利于保证围岩的稳定性。在围岩扰动分析方面，通过计算可以发现，两者开挖引起的围岩最大剪应变分别为10×10-3和70×10-3,在初期支护结构内力分析方面发现，CRD和三台阶七步法开挖时初支轴力最大值分别为550千牛和888千牛左右，而两者的每米的弯矩最大值分别在160千牛和76千牛左右。可见，前者开挖的初期支护结构受力相比后者存在较明显的不均匀性，后者更有利于保证支护结构的稳定性；在二衬安全系数分析方面发现两者对二衬结构受力的影响较为接近，所以可在次案例工程中有意识的忽略此项参数，在方案对比优化中的借鉴过程。结合案例工程的实际情况和支护结构，以及两种方案在FLAC2D软件模拟中的参数分析结果，从安全角度考虑，应选择CRD施工方案。

1.3 软弱地层大断面隧道施工技术

在应用CRD施工方案进行现场施工的过程中要注意现场的监控测量技术和现场控制技术，现场监控量测主要包括地表沉降量测和周边及拱底下沉量测两个方面。前者在观测的过程中要应用精密水准仪，两侧端面范围内，通过设置通视条件、测量操作、牢固性等均较理想的基准点和位于隧道轴线及其两侧的地面测点，在隧道开挖前30 m左右的距离开始测量；而后者在测量的过程中既要应用精密水准仪，又要利用钢圈尺、精密因瓦水准尺等，将位于隧道开挖毛洞拱顶的挂钩预埋件作为测桩，此时需要利用收敛仪围岩周边收敛。在施工控制的过程中，需要对开挖进尺、步长、支护、仰拱和二衬、防排水、施工安全、变形程度等方面进行控制管理，例如案例工程在开挖的过程中，为避免发生线控问题，需要对超挖行为进行控制，将上下台阶之间的长度和左右侧的开挖间距分别控制在4 m和10 m左右，而且下台阶循环开挖过程中的进尺间距要在3 m以内，在施工的过程中要有意识地将拱底的积水排出，避免地面沉降程度过大造成危险。在软弱地层大断面隧道施工的过程中，监控测量技术是保证施工结构稳定性，判断施工方案可行性的重要标准，对施工过程具有指导意义，指导流程如图2所示，案例工程中，利用监控测量数据对开挖、支护等进行优化，通过施工技术效果检测数据发现，其拱顶沉降、周边收敛的最大值和地表最大沉降量分别为21.7 cm，20.6 cm和6.7 cm，施工效果均满足施工规范的要求，而且在施工的过程中可以保证工程的稳定性，施工的安全性较高，换言之，施工技术的应用基本可以满足施工质量的要求，但通过案例工程的施工过程，可以发现，利用CRD方案相关的施工技术进行施工，由于大型施工机械的应用受到一定的限制，所以施工的功效相对较低，而且在施工的过程中向其他施工方法转化的难度较大，需要众多的临时支护提供安全保证，在一定程度上增加了施工成本，而且施工中各工序之间存在一定的干扰，特别是混凝土喷射的难度较大，在混凝土施工的过程中需要结合实际情况进行针对性的改进。