浅埋软岩公路隧道开挖施工技术优化措施

张 平

（中铁十九局集团第三工程有限公司，辽宁沈阳 110136）

0 引言

公路工程项目中，隧道是通过特殊地形的重要结构形式，但受围岩特性等方面的影响，易在施工期间出现质量问题[1]。鉴于此，需以公路隧道围岩的实际情况为立足点，梳理施工流程，合理应用施工技术，兼顾安全、质量、效益等多重要求。

1 工程概况

昆明（福德立交）—宜良高速公路（昆石复线）建设于云南省东南部，是区域内的重要沟通“渠道”，可连接呈贡、宜良两地，为昆明至石林的高速公路系统中不可或缺的部分。沿线地形地势复杂，桥隧比较高，隧道施工期间常遇到浅埋软弱围岩，开挖等环节的施工难度较大。

2 不良地质

2.1 岩溶

（1）分布区域。本项目沿线的碳酸盐地层较为丰富，经钻探后采集资料，确定岩溶的主要分布范围以及具体情况，见表1。

表1 岩溶分布范围及具体情况

（2）岩溶对公路建设的影响。对于存在溶蚀裂隙的斜坡，该处的岩石稳定性欠佳，存在较大规模的危岩体，受施工的扰动性影响，容易导致该处发生滑塌等事故，安全隐患多。在岩溶发育处施工时易受到地表水和地下水的影响，岩溶塌陷的覆盖范围逐步扩宽，隧道的涌水突泥发生概率较高。

2.2 特殊性岩土

以软土为主，具体包含淤泥和淤泥质土两类，厚度较小，便于处理，因此不会对正常施工造成过多的干扰。

3 浅埋软岩公路隧道的开挖工艺

阳宗隧道采取的是进出口对向施工的方式，共形成12 个作业面；在徐家庄隧道工程中依然采取相同的施工方式，作业面数量为4 个。基于明挖法展开隧道明洞的施工作业，基于新奥法完成暗洞部分的施工。软弱围岩地质条件特殊，应减小开挖进尺和加强测量与控制。两隧道的正洞左右线进出口均存在一定程度的V 级围岩浅埋偏压断和断层破碎带，以实际地质情况为立足点，开挖环节的可选对象有CD（Center Diaphragm，中隔壁）法和核心土法；V 级围岩浅埋段可选方法为三台阶法和核心土法；Ⅲ级围岩为两台阶法。

遇地质条件欠佳的施工段时，以机械开挖的方式为主，特殊区域可采取小规模的浅眼松动爆破方式。洞身段分布较多的Ⅲ、IV 级围岩，该部分以光面弱爆破技术较合适，随开挖作业的推进，期间及时采取支护措施，营造安全的施工环境[2]。

3.1 三台阶开挖

（1）上台阶开挖。完成拱部超前支护作业后组织开挖作业，以隧道开挖轮廓线为基准，按环向开挖的方式操作，从而形成上台阶。支护采用钢架结构，根据不同地质条件调整数量，Ⅴ级围岩1 榀、Ⅳ级围岩2 榀；布设锁脚锚管和系统锚杆，拌制混凝土并喷射到位。

（2）中台阶开挖。每循环2 榀钢架，开挖成型后随即初喷混凝土，形成3～5 cm 的混凝土层，再架设钢架；布设锁脚锚管和系统锚杆，拌制混凝土并喷射到位。

（3）下台阶开挖。此环节施工方式与中台阶相同，此处不再赘述。

（4）隧道仰拱开挖。以围岩实际情况合理调整方法，围岩稳定性较好时可采取仰拱和下台阶同步开挖的方式；遇较为松散的围岩时，出于安全层面的考虑需单独开挖。

3.2 三台阶法

（1）开挖作业以弱爆破的方式为宜，为确保施工安全，需严格控制炮眼深度和装药量。

（2）对于存在超前支护的情况，应利用先前架立的钢架施作，再组织开挖。（3）适时应用锁脚小导管，目的在于维持下台阶的稳定性。（4）台阶开挖期间，单次作业长度以8～10 m 为宜，随开挖作业的持续推进，待第3 步台阶开挖后及时跟进仰拱。

（5）施工期间的细节较多，应当加强检测，根据所得数据判断施工情况，明确洞身是否具有稳定性，给支护参数的优化提供参考依据[3]。

（6）临时仰拱应设置到位，以达到提高稳定性的效果，必要时可增设钢架，加强防护。

4 FLAC 3D 数值模拟的方法

4.1 模型建立

鉴于隧道出口V 级围岩浅埋段施工条件较为特殊的情况，将该处作为模拟对象。此处仅考虑二次衬砌的工艺参数，以此为基础创建支护结构的模型。为减小其他因素的干扰，对钢筋混凝土结构做出简化操作，将其视为具有均质等厚特点的环形结构，模型总长25 m。创建摩尔-库伦模型，横断面为放射状网格，数量约700 个，纵向25 个网格，总单元量为17500 个，具体情况如图1 所示。

图1 开挖过程中隧道内部模型

4.2 模拟方法

以二次衬砌的参数为准，展开关于支护结构的建模工作，暂未考虑其他方面的影响，以便于模拟及分析。在开挖作业的扰动性影响下，围岩存在变形现象，此处重点考虑的是拱顶和仰拱两部分，分析各自的位移量。每完成一次开挖后随即布设位移测点。

5 数值模拟结果及具体分析

5.1 模拟结果

以三台阶法和CD 法为浅埋软岩开挖的主要施工工艺，确定各方法下各监控点的竖向位移量，具体内容见表2、表3。

表2 三台阶开挖监控点竖向位移

表3 CD 法开挖监控点竖向位移

结合表中内容展开分析：无论采取何种方法，拱顶沉降最大值的发生区域均一致，即监测点1 处，具体情况为三台阶法15.60 mm、CD 法10.40 mm，前者更大；从仰拱隆起最大值的角度来看也具有一致性，即监测点8 处，各自的结果为三台阶法18.30 mm、CD 法12.90 mm，前者更大。

5.2 结果分析及方法选择

（1）在某特定的横断面中，两种方法开挖后产生的仰拱隆起量均较大（相较于拱顶沉降）。通过与浅埋软岩隧道支护应用特点的对比分析可知，具有一致性，即符合支护结构的变形规律。

（2）取先开挖区和新挖区两个区域并分别确定各自的位移量，由此求得差值。可以发现：在应用CD 法时该差值较小，而三台阶法所产生的差值较大，意味着CD 法开挖后并不会对围岩造成过多的影响，围岩可维持较稳定的状态，且支护结构长期处于相对稳定的状态，虽然后期存在变形但幅度较小。

（3）结合位移云图展开关于围岩位移衰减的分析，可知CD法所产生的衰减速度较快，围岩的后期稳定性表现较佳。

（4）在相同监测点处，应用CD 法后支护结构虽然存在竖向位移但较微弱，而三台阶法则更为明显，意味着CD 法开挖所造成的扰动性影响较小，更有利于维持支护结构的稳定性。

（5）经上述多角度的对比分析后可知，CD 法更具可行性，经开挖后支护结构和围岩的稳定性较佳。

6 结束语

本文以浅埋软岩公路隧道为背景，通过建模的方式对CD法和三台阶法的应用效果展开分析。从支护结构和围岩稳定性的角度考虑，均以CD 法更为可行，开挖期间围岩所受影响较小，支护结构也更稳定，综合应用效果明显优于三台阶法。因此，在浅埋软岩地质环境下可以将CD 法作为优先选择对象，但在后续的工程实践中依然需视实际情况合理优化施工技术，切实提高其应用水平。