双侧墙导坑复合台阶式隧道建设工法应用及评价

黄宇

（中铁二十四局集团福建铁路建设有限公司，福建 福州 350000）

0 引言

随着我国经济建设的发展，道路交通量及对道路断面通行能力的要求也日益增加，在公路交通尤其是市政交通中，大断面、多车道的隧道建设项目比例也逐渐变多，传统的小跨度隧道施工方法常因技术针对性不强而导致施工进度缓慢、增大施工费用、施工质量不易控制，甚至安全事故频发[1]。与铁路和一般公路相比，市政道路选线困难、环保美观要求高，规避地质条件差的空间小，经常出现大断面隧道碰到软弱围岩的情况。目前，软弱围岩大跨度隧道多采用交叉中隔壁、双侧壁导坑法，但上述两种方法都存在开挖断面划分较多、封闭成环速度不够快和临时支护拆除时安全风险较大。双侧墙导坑复合台阶式工法[2]是一种较新的超大断面隧道修建技术，适用于大断面、小净距隧道开挖支护施工，其针对软弱破碎围岩的不良地质隧道也有很广泛的适用性。双侧墙导坑复合台阶式工法优化传统的双侧壁导坑，先行开挖隧道两侧边墙及局部隧底部位形成导坑，两侧导坑先临时封闭成环；在拱部开挖及支护施工中，采用导坑反压回填和拱顶两台阶（短台阶）开挖，拱顶快速封闭落地；最后进行中部隧底开挖和支护。该方法主要特点为断面封闭成环快速，拱顶开挖安全性较高、扰动较小，抑制边墙与拱顶发生变形的效果较好。

虽然已有隧道工程案例采用了双侧壁导坑复合台阶式工法，但是每个案例的工程建设条件差别大，且关于该工法技术应用和经验总结还有待进一步拓展和深入。现以平潭龙兴岭隧道工程为例，对双侧墙导坑复合台阶式开挖法的技术和经验应用进行分析和总结，该工程隧道工法不仅能有效控制断面开挖时的沉降变形、保证安全，还能大大缩短工期，取得了较好的经济效益。

1 工程概况

龙兴岭隧道为五洞小净距隧道,其中主洞两个，隧道长度为500m，隧道主洞开挖断面约为150m2,进口洞门起IV、V级围岩连续长度370m。隧道区覆盖岩体风化差异很大，不均匀现象显著，洞顶为坡级粉质黏土、砂土状强风化岩、碎块状强风化岩，洞身围岩为全风化花岗岩、砂土状强风化岩、碎块状强风化岩，裂隙发育，岩体破碎，开挖时自稳能力差，易坍塌。该项目为典型的富水软弱破碎围岩不良地质隧道。本隧道主洞IV、V 级围岩采用双侧墙导坑复合台阶法施工。

2 双侧墙导坑复合台阶法施工原理

针对大断面隧道复杂条件下施工，优化传统的双侧壁导坑，先行开挖大断面隧道两侧边墙及局部隧底部位，拱部采用两台阶（短台阶）快速封闭法施工，最后进行中部隧底开挖支护，形成施工顺序为“先导坑、再拱部、短台阶、快封闭、后核部、共推进”的双侧墙导坑复合台阶式大断面隧道开挖新方法（见图1），本方法可快速将大断面拱部支护落在导坑侧墙顶部并与其形成拱墙先行封闭的初支结构，结合导坑反压回填和拱部超前支护措施，可大大减小拱部开挖施工的扰动，将大断面拱部应力向侧墙本身和基底进行转移,以确保拱部的施工安全；同时将导坑侧墙设置为“直立型重力式”侧墙结构，并且底脚呈双向内扣式“反脚趾”，以达到抵抗导坑边墙侧向变形与沉降变形的效果。

图1 双侧墙导坑复合台阶法示意图

3 适用范围

本工法适用于小净距大断面、软弱破碎围岩等不良地质隧道开挖支护施工。

4 施工主要步骤

4.1 左、右侧导坑开挖与支护

①首先施工超前支护：超前支护采用超前小导管，小导管环向间距、纵向环距、导管长度、外插角度及每环小导管数量应严格按设计要求控制。

②接着开挖导坑：采用弱爆破开挖，每循环进尺不超过2榀钢架距离，而后在岩面进行初喷4cm厚混凝土。

③在导坑周边施作长锚杆并注浆饱满。

④安装导坑支护型钢钢架、钢筋网片和连接钢筋、锁脚锚管，并焊接牢固；然后喷射混凝土，使其均匀密实。

⑤施作基底长锚杆并注浆饱满，然后安装侧墙下部基础钢架、钢筋网片和连接钢筋，并焊接牢固，最后进行侧墙基础浇筑（见图2）。

图2 导坑底部及侧墙下部基础图

4.2 导坑侧墙墙体施工及导坑反压回填

①安装侧墙墙体钢架，D与C段连接，C段顶部预留连接板做好保护措施。

②用C20混凝土进行侧墙上部浇筑。

③采用洞渣对左右导坑进行反压回填，一次回填长度不得小于5m。

④待两侧导坑及侧墙整体施工完毕后，即可进行隧道大断面上台阶拱部中管棚、大插角小导管施工（见图3）。

图3 导坑侧墙墙体施工及导坑反压回填示意图

4.3 隧道拱部上台阶开挖支护

①上台阶开挖采用预留核心土环形开挖。

②上台阶进尺5m后立即在岩面进行初喷4cm厚混凝土，然后安装上台阶钢架、大拱脚结构、钢筋网片和连接钢筋、锁脚锚管（每侧各3根锁脚锚管），并焊接牢固；然后喷射25cm厚混凝土，使其均匀密实。

4.4 隧道拱部中台阶左右侧开挖支护

①采用预留核心土开挖，开挖应采用松动爆破。每循环开挖后，应将导坑拱部的临时钢架和喷射混凝土进行拆除，局部拆除应采用电镐凿除，拆除进尺应与开挖进尺相同。

②开挖完毕后，在岩面进行初喷4cm厚混凝土，然后安装中台阶钢架（中台阶左右侧钢架安装B段,B段底脚与C段连接，上部于A段连接板有效连接）、大拱脚结构、钢筋网片和连接钢筋、锁脚锚管，并焊接牢固；然后喷射25cm厚混凝土，使其均匀密实（见图4）。

图4 隧道拱部中台阶左右侧开挖支护示意图

4.5 开挖隧道底部及拆除导坑支护

①开挖仰拱10部分，安装钢架F段并与E段预留连接板有效连接，对左右两侧导坑钢拱架边墙进行拆除（见图5）。

图5 开挖隧道底部及拆除导坑支护示意图

②在岩面进行初喷4cm厚混凝土，再施长锚杆并注浆饱满，后安装遂底钢架和连接钢筋，并焊接牢固；然后喷射25cm厚混凝土，使其均匀密实。

4.6 隧道仰拱与二衬施工

①安装仰拱模板，完成仰拱混凝土浇筑。

②安装仰拱填充模板，完成仰拱填充混凝土浇筑。

③安装二衬模板，完成二衬混凝土浇筑。

5 施工技术要点

5.1 施工监测

由于龙兴岭隧道跨径大，整体洞顶覆盖层偏薄，由第四坡、残积土组成，整隧处于浅埋状态，兼地下水位高，开挖时自稳能力差，拱顶及侧壁易坍塌，侧壁常发生小坍塌，所以要及时开展施工监测。监测数据可为评估施工方法可操作性、设计参数的合理性以及了解围岩及支护结构的变形和受力特性提供准确的参考依据，为二次衬砌的施工时间提供决定的意义[3]。

本隧道施工主要监测项目为：地表沉降观测、洞内周边收敛、拱顶下沉、钢拱架内力与初衬混凝土内部应力监测。在每次开挖后12h内且下一循环开挖前要取得初读数，在开挖1-15d内，每天量测频率不小于2次。若发现局部地段变形较快并出现细小裂缝，须加强支护措施，并及时施作仰拱，尽早完成二衬封闭成环。

5.2 左、右侧导坑的施工要点

①为了避免施工断面的应力叠加，左右两侧的导坑要错距开挖，前后错开距离不小于15m，当距离满足要求时，左右两侧导坑才可同时开挖。单侧导坑下台阶开挖应滞后上台阶3～5m后。 导坑底部锚杆及侧墙下部基础施工应滞后上台阶30m后施工且不得大于35m 距离。

②由于本方法安装钢拱架呈多段连接，且为由下而上的安装顺序，钢架安装的垂直度控制质量将直接影响到闭合成环的受力情况，因此要严格控制钢架安装的平面位置，测量放样精度要控制在3mm以内。

③由于左右导坑内混凝土侧墙墙体浇筑施工高度较大，为确保墙体内钢拱架与模板的安装固定，要在导坑初期支护施工期间预留后期的定位钢筋，确保固定牢固。且为方便之后与钢架F连接，下台阶钢架处喷射混凝土底脚应预留出钢架E的出露位置，然后用渣土掩埋保护。

④侧墙上部墙体应滞后基础9m且不得大于15m距离，安装侧墙钢拱架、连接钢筋，并焊接牢固，而后采用C20混凝土进行测侧墙上部浇筑。左右导坑内混凝土侧墙施工应分段浇筑，分段施工缝应与隧道正洞仰拱（填充）及二衬共缝，严禁相互错开。

5.3 拱部上台阶、中台阶开挖支护

①上台阶进尺5m后立即施工两侧中台阶，按照每5m一个短台阶闭合段。完成闭合一段方可进行下一段循环施工（上台阶钢架两侧拱脚采用大拱脚措施）。上台阶开挖循环完毕后，采用弱爆破开挖隧道中台阶不超过2榀钢架距离且左右两侧中台阶应错开至少 2m 以上。

②在B段、C段接头位置螺栓穿孔对接控制难度较大时，宜采用拱架连接板现场焊接接头的措施，务必确保所有钢拱架连接接头采用螺栓连接。

5.4 开挖隧道底部及拆除导坑支护

①在中部核心土开挖完毕后5～10m内，采用弱爆破开挖不超过3m距离。

②左右两侧导坑钢拱架应在主体结构的初期支护成环并确定稳定后方可有序拆除，拆除前后应加强拱顶下沉量及周边变形量的观测，每次拆除长度不得大于10m，应根据台阶施工步距严格控制。

5.5 隧道仰拱与二衬施工

①仰拱顶上的填充层及铺底在混凝土及二次衬砌施工前完成，宜保持超前3倍以上衬砌作业长度，以利于衬砌台车模筑混凝土施工，铺底与掌子面距离不宜超过50m。

②洞口段二次衬砌必须及时施作，二衬与掌子面的距离不得超过50m，超过必须停止开挖，进行二次衬砌施作。

6 应用效果及评价

传统的双侧壁导坑施工，采用上中下分部开挖支护，由于其在施工中双侧壁形成的临时横撑、竖撑、仰拱等支护体系均为过程支护，拆除量大且安全风险较高，采用该工法根据以往的施工经验测算整体施工进度指标综合为 25m/月，进度较缓慢。平潭龙兴岭隧道采用双侧墙导坑复合台阶式大断面隧道施工方法，相较于传统的双侧壁导坑法，在软弱围岩区段施工整体变形稳定（见表1)，尤其是通过双侧导坑的先期施工，大大提高了隧道拱部开挖支护的“落地”和隧底“短、快”封闭的效果，且过程中临时拆换量小、风险小，反压回填部分与中隔墙形成整体稳定结构。采用该工法整体施工进度指标综合为 35m/月，施工进度和工序时间大幅提高。

表1 拱顶沉降、周边收敛监测统计表

7 结语

综上所述,双侧墙导坑复合台阶式大断面隧道施工方法，其较传统的双侧壁导坑法、双侧墙导坑法，可完全解决不良地质条件对隧道施工工法的局限性，在优化断面分割的技术上利用先期导坑侧墙为上部支护结构提供支撑，通过导坑内部反压回填可确保中隔墙开挖时应力向两侧导坑分散，反压回填部分与中隔墙形成整体稳定结构，并且大大降低了导坑内侧临时支护钢架拆除时的安全风险；该技术大大减少了拱部、边墙及仰拱开挖的松弛荷载。根据本工法在施工中的应用效果，受到业主单位、设计单位、监理单位的一致肯定，高效地满足了业主对工程质量、施工安全和总体工期要求，可为同类大跨度隧道工程施工提供借鉴。