大跨隧道软弱围岩高效施工工艺

2019-08-20熊成宇刘向阳

筑路机械与施工机械化 2019年7期

熊成宇，刘向阳

（中交一公局第四工程有限公司，广西南宁 530033）

0 引言

随着高速公路建设的飞速发展，公路隧道数量不断增加，软弱围岩中大跨度浅埋公路隧道开始大量涌现，三车道乃至四车道的隧道建设不断增多，修建长度越来越大，洞身穿越地质情况也越来越复杂。

国内关于大断面公路隧道的研究是从20世纪80年代开始的，围绕大断面或者大跨度软弱围岩的研究成果丰富。陈鉴光等［1］根据当前软弱围岩中公路隧道常用施工方法，对软弱围岩隧道的开挖方式进行研究，从而得出在软弱围岩中隧道施工的合理开挖方法，并提出了相应施工措施。傅鑫彬［2］以（北）京珠（海）高速公路靠椅山隧道为工程依托，对浅埋、软弱围岩中大跨隧道的施工力学行为以及洞室围岩的整体稳定性进行了研究，并提出了靠椅山隧道工程的合理施工技术方案，为整个隧道的安全施工提供了可靠的理论依据。王勇［3］以宝兰铁路增建二线新王家滩双线隧道的施工为例，介绍了该隧道在施工过程中的初期支护变形和几次坍方的处理，分析了变形和坍方的原因，为今后类似条件下隧道的施工提供了参考。

中国自20世纪90年代以来，通过引进再研究，在大断面、特大断面隧道的施工方面也有了一些成功实例，如厦门翔安海底隧道为单洞三车道隧道，开挖宽度约17．0m，高约12．5m，开挖面积达170m2，围岩为Ⅴ级，隧道采用CRD法和双侧壁导坑法施工；福州金鸡山隧道因洞身主要为弱风化花岗岩、花岗斑岩及闪长岩脉体，洞口段为残坡积层及强风化岩，围岩以Ⅴ、Ⅳ级为主，故在施工过程中洞口段Ⅴ级围岩采用了双侧壁导坑法，洞身Ⅳ级围岩段采用了CD法。

宋榕华：在产业链上的合作伙伴受到环保政策影响加大的形势下，公司近两年加大了推广社会责任的力度。不只把自己的企业管理好，而且兼顾上游下游的企业，让整个产品的生命周期都得到管理。比如公司的诸多供应商中，尤其是一些本地的私营企业，在环保检查方面不够成熟，公司就帮助他们进行环保合规性检查。为他们做出一个详细的检查表，内容包括内部管理情况、环保政策落实情况、产品是否环保等诸多方面。让他们根据表格内容先期按照国家相关规定进行自查，由此查漏补缺，不断合规起来。这样一来企业不用担心政府检查，科莱恩与他们合作也觉得放心。

由于双侧壁法、CRD法及CD法在软弱、大跨隧道施工中存在工效低下、造价高、工法转换困难等问题，且随着技术进步，大型机械化设备配套作业程度提高，有必要对复杂条件下特长、大跨隧道快速施工技术展开研究［4－8］。本文以桐梓隧道为工程实例，通过加强辅助技术措施，建立计算模型并分析不同施工过程对围岩和支护的影响，确定合适的开挖方法、预控措施，达到降低施工安全风险、提高施工效率的目的。

1 工程概况

以桐梓隧道出口段软弱破碎典型Ⅴ级围岩为研究对象，分别模拟双侧壁导坑法、CD法、台阶法等常用的3种开挖施工方法下围岩变形的不同特征及衬砌结构的工作状态，分析不同施工过程对围岩及支护的影响，确定合适的开挖施工方法［9－11］。

本文以解读林政资源管理与生态建设之间的关系为主要切入点，分析林政资源管理中生态建设的现状，并从合理划分林政资源管理内容、健全与林业资源有关的法律法规、科学调节林政资源管理各关系三方面重点探讨面向生态建设的林政资源管理措施，旨在通过本文研究为林政资源管理相关人员提供一定的借鉴，更好的提高林政资源管理水品，实现林业的生态化发展，为青山绿水战略的实现做出贡献。

其中，Yij表示标准化后的各层指标；Xij为第i层第j列,j表示第j个指标，i表示第i个地区，Ranki表示各层汇总，Tatalrank表示地区综合排名指标。

隧道Ⅴ级围岩隧道开挖宽度为17．72m，开挖高度为10．6m，平均开挖断面面积为165m2。隧道出口段设计Ⅴ级围岩衬砌段，采用双侧壁导坑法施工，全隧V级围岩比重达10%。

1．1 施工数值分析

1．1．1 计算模型及参数

桐梓隧道位于兰州至海口国家高速公路重庆至遵义段（贵州境）扩容工程桐梓县境内，为全线控制性工程，设计为分离式双向六车道大跨度隧道。隧道全长10 497m，为目前贵州省运营或全国在建高速公路中最长的三车道隧道。隧道纵坡采用单向坡，左右幅隧道均为上坡，纵坡均为1．75%；分设3座斜井兼通风道，合同工期为41个月。

对YK44＋650～YK44＋740段S－Ⅴa衬砌段，采用FLAC3D软件数值分析，模型左右、上下边界均取离隧道中心5倍跨度，纵向取90m长度。各施工工法计算模型如图1～3所示。

图1 浅埋段双侧壁导坑法施工计算模型

图2 浅埋段CD法施工计算模型

图3 浅埋段三台阶法施工计算模型

该段隧道围岩为强中风化灰岩、粉砂质泥岩夹灰岩，数值模拟分析所采用的围岩及支护结构物理力学参数见表1。

1．1．2 位移计算结果

构建PLS模型的第一步是选取主成分，此处选取前4个主成分，然后对CODeff和SSeff两个输出变量进行预测，仿真结果如图3～图6所示。

3种施工方案隧道初期支护拱顶沉降对比见表2。计算结果显示，开挖工法不同，隧道初期支护拱顶沉降差异较大，其中双侧壁导坑法拱顶沉降量为10．80cm，CD法施工隧道初期支护拱顶沉降为14．50cm，三台阶法施工隧道拱顶沉降值为20．01cm。双侧壁导坑和CD法在隧道开挖、临时支撑拆除时拱顶沉降值较大，初期支护封闭后拱顶沉降位移逐渐稳定。三台阶法施工隧道拱顶沉降在开挖上台阶、中台阶、下台阶时均有较大突变，初期支护封闭成环后沉降速率减缓［12－16］。由数值计算结果可以看出，三台阶法施工隧道拱顶沉降比CD法、双侧壁导坑法大，其拱顶沉降值约为双侧壁导坑施工的2倍。3种开挖方法隧道拱顶沉降值均比水平位移大，说明扁平状大断面隧道施工中，拱顶沉降是施工控制的重点［17－19］。

表1 计算模型的物理力学参数

表2 各施工工法隧道计算位移值

1．1．3 初期支护内力计算结果

3种施工方法初期支护内力最大值比较见表3。根据计算结果可知：双侧壁导坑法、CD法锚杆最大轴力相当，略小于三台阶法施工的锚杆最大轴力；初期支护轴力值由大到小分别为三台阶法、CD法、双侧壁导坑法；3种工法弯矩最大值相差不大。

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表3 各施工工法初期支护内力计算结果

1．1．4 二次衬砌应力计算结果

3种施工方法最终状态下二次衬砌主应力分布见图4。

根据桐梓隧道施工的难点和特点，对Ⅴ级围岩大跨隧道施工中常用的双侧壁法、CD法及三台阶法进行建模分析和现场试验，优化出安全、高效的施工工法。

图4 最终施工完成二衬最大主应力

由图4可知：3种施工方法隧道二次衬砌应力均在仰拱底部及隧道拱顶处出现拉应力，在隧道边墙部位出现压应力。台阶法施工隧道二次衬砌最大主应力比CD法、双侧壁导坑法的略小。

1．2 应急预控措施

根据数值分析并结合以往实际工程实例，软弱围岩大断面隧道台阶法施工中，易出现掌子面坍塌、初期支护变形侵限甚至整体坍塌等风险，见图5。

图5 软弱围岩大断面隧道初期支护变形及整体坍塌

为确保隧道结构和施工安全，以及隧道建设顺利推进，施工中对三台阶法施工采取如下应急技术措施。

（1）为保证隧道开挖面稳定，通过加强超前支护、掌子面注浆等措施对开挖面围岩进行加固，防止开挖面坍塌或挤出。

（2）为有效控制隧道初期支护变形，对隧道初期支护结构进行适当加强；对洞周软弱破碎岩体采用斜向、环向注浆以改善围岩；隧道初期支护采用大拱脚结构增大拱架基础面积，并加强初期支护锁脚，防止初期支护向内变形或挤出。

（3）根据数值分析计算结果，三台阶法开挖隧道拱顶沉降值达到20．01cm，是双侧壁导坑开挖法的2倍，对台阶法开挖段加大初期支护预留变形量，以防止初期支护变形侵限。

（4）隧道三台阶法开挖过程中，上、中台阶采用微台阶开挖，尽快使初期支护上断面落底，若监控量测发现隧道变形速率或变形量大，可通过设置临时仰拱、增加斜向或竖向临时支撑等措施控制支护结构变形，防止隧道发生整体坍塌［20－22］。

邓小平是一个坚定的马克思主义者，在中国建设和改革过程中始终坚持马克思主义的立场观点和方法，正如他所说：“我是个马克思主义者。我一直遵循马克思主义的基本原则。”［1］173马克思主义社会管理思想为邓小平社会管理改革提供了理论支持。

桐梓隧道为公路分离式双向六车道特长隧道，其中隧道出口段负责主洞全长4 469m及3＃斜井1 570m施工任务。隧道主洞Ⅴ级围岩（折合单洞）1 424m，占总长的15．8%，；Ⅳ级围岩（折合单洞）6 020m，占总长的67．2%；Ⅲ级围岩（折合单洞）1 519m，占总长的67．2%，Ⅴ级围岩采用双侧壁导坑法。隧道主洞最大涌水19．2万m3·d－1（全隧），斜井最大涌水2．89万m3·d－1，穿越瓦斯地段235m（单副），瓦斯最大压力为1．5MPa，具有突出危险，属高瓦斯突出隧道（距出口1 300m）；全隧均处于岩溶隧道施工，12次穿越不同地层，3次穿越大的断层破碎带，穿越近200m岩溶向斜施工，横穿2层高瓦斯煤层施工，突水、突泥、溶洞、暗河、瓦斯、高地应力等特殊地质施工均存在，见图6。施工中采用的大型作业机械见表4。

2 应用案例及效果

2．1 应用案例

（5）做好应急管理及相关物资准备。

图6 桐梓隧道纵断面

表4 隧道施工主要设备配备

2．2 应用效果

结合施工工期及大型机械化施工要求，为安全、高效建成桐梓隧道，在隧道出口YK45＋015～44＋885段Ⅴ级围岩分别采用双侧壁导坑法、CD法及三台阶法作施工验证，验证情况见表5。从表5中可看出，三台阶法在施工进度上较双侧壁导坑法、CD法有较大优势，经试验后在左洞进行了推广，左、右洞都实现了安全、快速施工，每月综合进度达60～70m。使用三台阶法相比双侧壁导坑法，每月进度可提升51m，延米工程造价可节约1．3万元。

应该怎样与这样的老头儿相处？阿尔诺总结出来的经验是：因为疾病，父亲再也不能从桥那头走到我这里来，因此，我必须走到他那里去。他给父亲起了个绰号叫“流放的老国王”，他据此来解释父亲没完没了的回家欲望，他的不安全感，他认识上的混乱，以及他的茫然无措与孤苦无依。阿尔诺说：但是，作为亲人，我们别忘了被流放的国王，也是国王。

表5 施工工法工效对比

2．3 现场监控量测实测情况对比

3种工法施工结束后对监控量测数据进行对比，结果如图7～9所示。

图7 双侧壁导坑法时间－位移曲线

从实测数据可以看出：双侧壁开挖法沉降量较小，前期相对变化较大，围岩达到相对稳定较快；单侧壁开挖法沉降量较大，前期相对变化较大且不稳定，围岩达到相对稳定较慢；三台阶开挖法沉降量较大，前期相对变化较大，后期也有不稳定变化，围岩达到相对稳定较慢。现场3种工法引起隧道下沉量由大到小依次为三台阶法、单侧壁法、双侧壁法，收敛值均变化不大，三台阶法累计拱顶下沉值为51 mm，累计周边位移值为23mm，与理论计算值存在一定差异，说明现场工法、工艺管控到位，采用三台阶法进行大跨、软弱隧道施工是可行的。

图8 单侧壁导坑法时间－位移曲线

3 结语

（1）3种开挖方法隧道拱顶沉降值均比水平位移大，说明扁平状大断面隧道施工中拱顶沉降是施工控制的重点。

工况1试验不同桩长对应的桩土荷载分担比接近，均接近6。在80 kPa之后桩土荷载分担比趋于稳定，桩体与桩间土共同形成较稳定的加固区，桩与土承担荷载比例达到稳定值。

（2）从实际施工看，双侧壁导坑法断面分块多，同时施工会互相干扰，扰动大，对施工安全不利，且双侧壁导坑场地狭窄，出渣及施作系统锚杆困难，很难达到设计要求。侧壁导坑上缘尖而窄，成形困难，很容易超挖；另外，双侧壁导坑法需对侧壁导坑靠核心土一侧进行临时支护，工序多且繁杂，进度缓慢，且围岩稳定后需拆除临时支护，拆除难度大，易造成材料浪费（拆除后的材料都不能重复利用）；对已稳定围岩会造成第二次扰动，有一定安全隐患。

三台阶开挖法分块少，上、中、下台阶同时进行施工互不干扰，施工空间大，施作方便，系统锚杆的施工质量能得到保证，超、欠挖较容易控制。三台阶法没有侧壁导坑，不需要临时支护，既省材料又省工时，具有明显的经济优势。施工时，下台阶与中台阶拉开10m距离，下台阶对中台阶能起到核心土作用；中台阶与上台阶拉开10m距离，中台阶对上台阶起到核心土作用，安全得到保证。