不同围岩级别下的隧道洞身开挖施工方法分析

2018-11-27莫振谨

西部交通科技 2018年8期

关键词：洞身级别台阶

莫振谨

(广西壮族自治区八步公路管理局，广西贺州 542899)

0 引言

隧道工程施工具有复杂性特点，不同的隧道施工方法对隧道围岩结构的受力状态影响不同。本文主要从开挖施工方法的选择与应用角度出发，通过科学施工有效控制围岩变形，减少施工事故，确保隧道作业安全。

1 公路隧道围岩分级标准

目前我国公路隧道围岩分级主要是以《工程岩体分级标准》(GBT 50218-2014)为参考，根据岩体基本质量定性特征、岩体基本质量指标BQ进行岩体基本质量分级。若是两个指标确定的围岩级别不同，则需进一步开展综合分析，当两者级别划分差距在1级及以上时，则需做好补充测试工作。公路隧道围岩分级标准如表1所示。

表1 公路隧道围岩分级标准表

2 不同围岩级别适用的隧道洞身开挖施工方法

2.1 围岩的变形规律

公路隧道开挖施工中，围岩受到自身特性、施工方法的影响，会出现一定的变形情况。通过大量的实测数据分析，可将围岩的变形规律归纳如图1所示。

图1 围岩位移-时间曲线图

图1显示，围岩变形大致可以分为四个阶段：第一阶段为开挖前超前位移释放；第二、三阶段分别为急剧变形、缓慢变形；第四阶段为基本稳定。根据实践可知，在隧道施工中主要是第三阶段围岩位移释放量最大。若是围岩变形过大，则直接会导致围岩破坏问题的出现，主要包括拉断破坏、块体落石破坏、剪切破坏与复合破坏、岩爆破坏、潮解膨胀破坏。

为保证隧道施工的顺利落实，在隧道开挖前期，应根据地质勘察、岩石试验成果，分析不同围岩特征，判断围岩级别与稳定性，合理选择施工开挖方法。

2.2 不同围岩隧道洞身开挖方法

目前，我国公路隧道常用洞身开挖方法包括全断面开挖、台阶开挖和分部开挖，不同开挖方法适用的围岩等级不同，下文对此作具体论述：

2.2.1 全断面开挖法

全断面法适用于Ⅰ～Ⅲ级围岩，若围岩等级为Ⅳ级但开挖断面较小(<50 m2)，且对掌子面、围岩进行超前支护后，同样可采用此方法。

全断面开挖较简单，主要是以移动式钻孔台车进行全断面一次钻孔、一次爆破成型。此方法工序较少，施工控制容易，费用少、进度快，但是由于开挖面大，对围岩自身的稳定性要求更高，爆破后出渣量较大，必须要以严格的施工组织设计为指导开展循环作业。

2.2.2 台阶开挖法

台阶开挖法可分为上下两台阶法、上中下三步台阶法以及增加仰拱部分开挖台阶的多台阶开挖方法，具体适用范围为：(1)上下两台阶法：地层相对较好的Ⅱ、Ⅲ级围岩；(2)上中下三步台阶法或多步台阶法：Ⅲ、Ⅳ级围岩。

上下两台阶法：将掌子面土体分为上下两个台阶，先开展上台阶开挖、初支，后开展下台阶开挖支护。上中下三步台阶法或多步台阶法：先开展上台阶开挖与左右两侧环形开挖，留下中间核心土，做好超前支护与初支，加固拱脚部位，要求整个开挖至封闭时间<10 d，地面沉降<5 cm。台阶开挖法较为灵活，适用范围广，但是下台阶开挖极易影响到上台阶的稳定性，必须做好支护工作。

2.2.3 分部开挖法

分部开挖法适用于Ⅲ～Ⅴ级围岩、沉降要求严格的大跨度隧道，其主要包括以下几种方法：

(1)单侧壁导坑法

适用于围岩性质较差的大断面隧道且不宜进行台阶法开挖的地区，如：当隧道断面>10 m，可用该方法将大断面分割为4 m、6 m左右的小断面分别施工，以确保隧道围岩稳定。

单侧壁导坑法施工，主要采用人工开挖的方式，配合小导管注浆等超前支护方法。具体如图2所示。

图2 单侧壁导坑法施工示意图

(2)中隔墙法(CD法、CRD法)

CD法适用于围岩等级较高、自稳能力差、沉降要求严格的隧道，具体施工过程见图3。

图3 CD法施工示意图

CRD法适用于使用了CD法仍然不能满足围岩稳定性要求的隧道工程，其是在CD法的基础上分别在左右两侧土体的上中下台阶土体间施作临时横隔墙，具体施工过程见图4。

图4 CRD法施工示意图

(3)双侧壁导坑法

双侧壁导坑法也称为眼镜法，其将较大隧道掌子面分为多个小区域开挖，适用于跨度大(>20 m)、CD/CRD法无法施作的情况，施工步骤繁琐、成本高、工期长，具体施工过程如图5所示。

图5 双侧壁导坑法施工示意图

(4)环形开挖预留核心土法

环形开挖预留核心土法也称为台阶分部开挖法，具体施工过程如图6所示，其中Ⅰ～Ⅲ是环形拱部，Ⅳ是核心土。一般环形开挖进尺以0.1 m为宜，核心土与上下台阶相距约为洞室直径的1.0～2.0倍。

图6 环形开挖预留核心土法施工示意图

3 实例探析

3.1 工程概况

本文仅以某隧道为例，分析不同围岩级别下的洞身开挖施工方法。此隧道为分离式越岭长隧道，右洞起止桩号为YK76+345～YK77+347，设计长度为1 002 m，进、出口路基设计高程分别为245.850 m、219.501 m，最大埋深约221.793 m(YK76+660处)；左洞起止桩号为ZK76+345～ZK77+365，设计长度为1 020 m，进、出口路基设计高程分别为246.110 m、219.355 m，最大埋深约216.813 m(ZK76+660处)，隧道净空为11.0 m×5 m。

3.2 隧道洞身工程地质评价

隧道以Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级围岩为主，隧道左洞Ⅲ级围岩约占总长的31.4%，Ⅳ级围岩约占总长的36.3%，Ⅴ级围岩约占总长的32.3%；隧道右线Ⅲ级围岩约占总长的21%，Ⅳ级围岩约占总长的31.9%，Ⅴ级围岩约占总长的47.1%(见下页表2)。

表2 某隧道围岩级别及特征表

隧道Ⅲ级围岩所占比例较小，隧道洞身围岩总体稳定性较好；Ⅳ级及Ⅴ级围岩所占比例大，隧道进、出洞口及浅埋段围岩稳定性较差。总体隧道洞身围岩以强风化及中风化砂岩为主，多呈薄～中厚层状构造。

3.3 洞身开挖方案

隧道开挖遵循“管超前，严注浆，弱爆破，短进尺，强支护，早封闭，勤量测”原则。根据隧道的地质情况，隧道洞身采用环形开挖预留核心土法、台阶法以及全断面法。

开挖进尺Ⅴ级围岩段按逐榀拱架控制，Ⅳ级围岩按2榀钢架间距控制，Ⅲ级围岩控制进尺为3 m。Ⅴ级围岩采用机械开挖，小炮松动爆破配合；Ⅲ、Ⅳ级围岩采用光面爆破。

为保证左右洞放炮不影响掌子面稳定，左右洞掌子面控制距离应≥30 m。洞身施工超欠挖检验标准如表3所示。

表3 洞身施工超欠挖检验标准表

隧道围岩开挖后有一个自然的沉降、收敛过程，开挖时应注意预留变形量；隧道施工中，要做好围岩收敛量测、地质超前预报；隧道开挖从隧道出口向进口单向掘进施工；在进口端及时做好坡面防护和洞口超前支护设施；通风方式采用压入式通风方案。

3.4 不同级别围岩开挖施工要点

3.4.1 Ⅴ级围岩开挖

Ⅴ级围岩段采用环形开挖预留核心土法施工，先进行上部弧形导坑环向开挖，在核心土上架设型钢钢架，锁脚锚杆，固定钢架拱脚和支腿根部，实施锚杆，钢筋网喷混凝土打设φ42×4 mm超前注浆小导管，形成完整的初期支护体系；然后进行核心土开挖，要求必须在上台阶支护完成且喷射混凝土强度达到设计强度后，方可进行核心土与下台阶开挖；开挖完毕后及时施作初期支护，每逐榀拱架间采用钢筋连接，并施做锁脚锚杆；二次衬砌应根据监控量测结果适时施作，距上台阶掌子面距离应≤35 m。如图7、图8分别为施工顺序纵断面图、立面图。