软弱地层大断面隧道施工方案与技术优化策略

张青海

河南省地质矿产勘查开发局第三地质勘查院 河南 郑州 450000

正文：

0 引言

笔者参与杭州至千岛湖高速公路Ⅰ标隧道工程施工，标段共三座隧道1186m，其中：枫树岭隧道全长120m、洪坑隧道全长760m、杨坞口隧道全长396m。此群隧道位于浙江省新安江建德市莲花镇境内，隧道所处地形为浙西中底山地貌区，植被茂盛，上覆第四系全新统坡残积含碎石粘土，下伏基岩为砂岩偶夹页岩多呈软弱围岩，裂隙发育强烈，地质条件较差，Ⅴ级围岩占到隧道全长的70%以上，多数隧道进、出口地形浅埋偏压严重，浅埋深度5-13m，洞身最大埋深51m，地下水量较丰富，来源地表降水及基岩裂隙水。隧道断面面积110.37m2 ，宽：13m，高10.3m，纵坡2‰，时速 80km/h。

1 Ⅴ级围岩复合式衬砌结构

Ⅴ级围岩复合式衬砌结构：①初期支护：洞口（明暗）拱部1500范围布设39根Фl08超前长管棚L=30m，间距40cm，外插角10～30；洞身初支拱部1200范围设置Ф42mm，长4m超前小导管、环向间距0.4m、纵向间距1.0m，拱部锚杆设置Ф22mm、L=3.5m、间距0.8m×0.75m (环向×纵向)、梅花形布置，锁脚锚管Ф42、长L=4m，管铺设Ф6钢筋网15cm×15cm，钢拱架采用I20b的工字钢，每榀间距为0.5m，喷射C20混凝土厚度为 200mm；②二次衬砌：拱部及边墙厚度为450mm，仰拱厚度为500mm，混凝土强度等级C30(S6)。Ⅴ级围岩衬砌断面见图1所示。

图1 Ⅴ级围岩横断面图

2 隧道施工方案与技术优化策略

2.1 施工方案

当前软弱大断面隧道开挖最常用施工方案是台阶法和CRD法，本标段隧道原设计拟采用为CRD法开挖，根据工程实际情况，一是考虑安全、质量、环保要求，二是考虑工期和成本要求，提出三台阶七步开挖法施工方案作为CRD法对比方案。

2.1.1 CRD法

CRD法将隧道断面从上、中、下分六个等部分依次进行开挖。首先第1部分开挖，单循环开挖0.6m，随后喷射混凝土进行封闭，喷射混凝土厚度5cm，然后架设全环I20b钢拱架，并用混凝土进行喷射，喷射混凝土厚20cm，开挖长度约3-4m，第2部进行单循环开挖，开挖长度，架设钢拱架，喷射厚度等均与1部相同，当开挖长度约3-4m时，进行第3部开挖，依次循序开挖直至第6部，逐步拆除临时钢架，喷射混凝土进行封闭，对仰拱，其开挖采用临时栈桥的方法施工，开挖长度不超过 3m，并采用分段间隔[2]开挖施工，在施工临时仰拱的基础上增加了临时竖撑[5]，以防止隧道的塌陷或沉降[10]，待施工完成后，立即灌注Ⅴ部仰拱回填。⑨利用衬砌模板台车对隧道二次衬砌结构进行浇筑。

以上施工期间加强监控量测，按照 5m 每断面布置（Ⅴ级围岩），对拱顶、拱腰、拱脚、仰拱填充面进行水平收敛[11]、拱顶下沉、仰拱顶面高程的监测。

2.1.2 三台阶七步法

三台阶七步法是将软弱地层大断面的施工隧道分七个作业面，在七个不同的位置错开同时进行开挖，分别做好开挖与支护工序工作，构成完整支护体系[6]，缩短作业时间。三台七步法开挖主要将断面分为上、中、下及底部四部分，通过错台台阶进行开挖。其施工过程，主要在台阶上部与中部之间保留不超过5m的距离，上部要超前开挖3-5m,同理，中部与下部之间也要保留有不超过 5m 的间距，下部与底部之间距离保留不超过10m的距离，以此类推进行逐级向前开挖。为保证工程机械作业安全，一般会将上台阶开挖高度控制在4m，将中台阶的开挖高度控制在3m ，将下台阶的开挖高度控制在3m。挖掘机在开挖轮廓线以内要预留厚度30cm 左右，并利用风镐进行开挖修理[9]，以上施工中，每部分台阶开挖必须控制开挖长度，开挖后及时支护，要判断围岩稳定性，及时调整支护参数[8]，下部台阶开挖支护完成后，及时施作仰拱，仰拱分段长度为4-5m。三台阶七步开挖立面见图2所示。

图2 三台阶七步开挖立面见图

以上施工方法大大的缩短了工作时间，形成了一个稳定且封闭的下台阶支护体系[13]。

2．1．3 方案分析

对上述的方案进行比较可知，对CRD法来说，可以控制隧道变形的优点，从而施工安全和工程质量得以保障，但是具有施工周期长，工程进度不理想等缺点。相比之下，三台阶七步法的施工周期大幅缩短，降低劳动强度，节约成本，保证质量，提升了安全指数，施工进度比CRD法的进度快了大概2倍。所以，在保证安全、工期以及质量的前期下将三台阶七步开挖法作为CRD法的主要必选方案。

3 软弱地层大断面隧道力学特征

本标段隧道为典型软弱地层中的大跨度隧道，由于埋深浅、地层条件差、开挖跨度大，就会使隧道所受力越复杂，进而引发安全问题，这是因为大断面隧道的形状基本呈拱形结构，隧道开挖后，隧道周围岩层向内挤压应力，岩体同样因隧道结构改变发生相应的重新变形分布。软软地层的岩石受上述移动与变形[14]作用力的影响，自身结构发生不同程度的松弛[3]破坏，从而使得整个围岩发生更加剧烈的变形松弛。隧道拱形结构平衡能力减弱，围岩的松散变形带来严重的塌方隐患威胁施工人员的安全。软弱地层大断面隧道力学特征主要：

1）因大断面隧道跨度大增加，隧道主要呈现扁平的拱形结构[3]，近似于椭圆形受到承载力比较小，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，拱脚处的围岩应力相对较大，难以对隧道变形进行控制，对地基承载力提出相对较大的要求。

2）拱顶部位相应的产生比较大的松弛围岩压力[1]，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，如果埋深较小，地层条件差围岩成拱形作用得不到有效发挥时，围岩开始不断松散下落，这样就会产生相对较大的松弛围岩压力。所以隧道顶部造成更大的松弛围岩压力。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[12]。

4 结束语

通过两种施工方案的对比，大断面软地层隧道施工采用三台阶七步法，在经济效益上方面优为突出，与CRD法施工比较，主要有以下几个方面的优点：①拓展隧道施工空间，方便机械化施工，可以开展多个作业面平行作业，提高工作效率，缩短施工工期；②降低人工用量和劳动强度，节约了投资成本，由以往密集劳动施工转变为机械化、程序化施工；③在地质发生变化时，可及时转换施工工序，调整施工方法，加快了施工进度。