都安高速公路大断面隧道分部台阶法快速施工技术研究*

2022-08-02阳军生周中书

施工技术(中英文) 2022年12期

胡涛，阳军生，柏署,3，周中书，陈进

(1.贵州省公路工程集团有限公司, 贵州贵阳 550008； 2.中南大学土木工程学院,湖南长沙 410075； 3.湖南省交通规划勘察设计院有限公司, 湖南长沙 410008)

九家湾隧道地层为下统栖霞组灰岩，原设计为V级和IV级围岩，分别采用双侧壁导坑法和CD法施工。根据九家湾隧道具体地质情况，在水电大型地下厂房施工原则和方法经验的基础上，本文提出“先行中导洞开挖，后左、右侧导洞交错开挖”的分部台阶法施工方案，使之与围岩条件相适应，以期在确保隧道施工安全的前提下，优化施工工序，提高施工效率，提高技术经济效益。

1 工程概况

1.1 工程背景

贵州新建都安高速公路九家湾隧道设计为单向4车道大断面公路隧道，建成后可与邻近既有公路隧道形成双向8车道行车条件。九家湾隧道出口环境如图1所示。

图1 九家湾隧道出口环境

九家湾隧道全长230m，最大开挖跨度约22.28m，原设计V级围岩段开挖断面面积约235.78m2。隧址区主要位于第四系全新统和二叠系下统栖霞组地层，岩性出露为灰岩。IV级围岩段长105m，V级围岩段长125m。隧道地质纵断面如图2所示。

图2 隧道地质纵断面

1.2 原设计施工方法

九家湾隧道原设计施工方法为IV级围岩段按CD法开挖，V级围岩段按双侧壁导坑法开挖。其中，CD法施工工序为先按台阶法开挖隧道左侧导坑，再按台阶法开挖隧道右侧导坑，施工过程中各工作面间保持一定的安全距离，开挖后及时施作初期支护、二次衬砌等支护结构。CD法施工工序如图3所示。

图3 CD法施工工序(单位：m)

双侧壁导坑法施工工序为先按台阶法开挖隧道左侧导坑，再按台阶法开挖隧道右侧导坑，最后按三台阶法施工隧道中间部分，施工过程中各工作面间保持一定的安全距离，开挖后及时施作初期支护、二次衬砌等支护结构。双侧壁导坑法施工工序如图4所示。

图4 双侧壁导坑法施工工序(单位：m)

隧道原设计支护参数如表1所示，其中IV级围岩段初期支护采用φ25中空注浆锚杆，长L=4.0m，二衬采用60cm厚C30钢筋混凝土，预留变形量为15cm。V级围岩段初期支护采用φ25中空注浆锚杆，长L=4.5m，二衬采用75cm厚C30钢筋混凝土，预留变形量为20cm。

表1 原设计支护类型及参数

2 分部台阶法确定

2.1 分部台阶法提出

现行公路隧道规范指出，双侧壁导坑法与CD法适用于围岩差、跨度大、浅埋、地表需严格控制的场合，但不足之处在于施工工序繁琐、工效低、成本高等。考虑到九家湾隧道实际地质情况，需采用适合于具体建设条件的快速施工方法。

地下水电站主厂房开挖跨度多>15m，高度为70～80m，开挖断面大。综合分析地质条件、施工进度、成本等因素，通常采用分层分部的方法开挖。常见的主厂房开挖分层如图5所示。

图5 主厂房开挖分层(单位：m)

首先将主厂房分为多层，如图5所示分为10层，再自上而下分层开挖；各层又分区开挖支护。例如，将第1层分为4个施工区域，中导洞优先开挖，再由中导洞扩挖至厂房拱顶，随后扩挖左、右两侧。这种科学合理的开挖、支护保证了厂房施工安全稳定。

九家湾隧道最大开挖跨度约22.28m，可采用“先行中导洞开挖，后左、右侧导洞交错开挖”的分部台阶法施工。分部台阶法施工区域划分如图6所示。将隧道分为中导洞、上台阶左右导洞、下台阶左右导洞5个施工区域。中导洞先行开挖并超前于其余导洞，随后再交错开挖上、下台阶的左、右导洞。

图6 分部台阶法施工区域划分示意

2.2 各施工方法对比分析

双侧壁导坑法、CD法与“先行中导洞开挖，后左、右侧导洞交错开挖”的分部台阶法有各自优缺点。双侧壁导坑法将大跨隧道变为小跨，及时封闭成环，控制围岩变形与地表变形的能力强，适用于围岩条件差且地表沉降要求严格的情况。但其开挖分部较多，施工工艺复杂，施工进度缓慢，成本高，对围岩扰动频繁。CD法中隔墙将跨度大的开挖面分隔为两段跨度较小的开挖面，便于开挖导洞及时封闭及控制地层变形的能力强，一般多用于地层条件较差、跨度较大且对地表沉降要求严格的软弱围岩隧道施工中，但该方法施工工序较多，相互影响较大，由于中隔墙易发生失稳，拆除时机难以把握。而“先行中导洞开挖，后左、右侧导洞交错开挖”的分部台阶法施工操作简易，施工进度快，成本低，作业空间大，适用范围广。

通过以上对比分析后，为加快施工进度、缩短工期、降低成本，根据九家湾隧道具体工程地质条件，选用分部台阶法进行施工。

3 分部台阶法施工工序

针对九家湾隧道地质和断面尺寸，对隧道施工步序进行设计，如图7所示。根据现场实际情况，先按全断面法进行隧道上台阶中导洞开挖支护，当中导洞开挖一定距离后，进行上台阶左、右导洞交错开挖，并施作初期支护，当上台阶左、右导洞开挖一定距离后，交错进行下台阶左、右导洞开挖支护。同时，根据隧道围岩条件与监控量测情况，严格把控掌子面与仰拱、二次衬砌间的安全步距，确保隧道施工安全。

图7 分部台阶法施工工序(单位：m)

隧道衬砌结构按新奥法理念设计为复合式衬砌，初期支护采用喷射混凝土、钢筋网、格栅钢架和系统锚杆，二次衬砌为模筑钢筋混凝土。隧道支护参数如图7所示。

分部台阶法三维施工工序如图8所示。主要工序为：①采用全断面法先行开挖中导洞I，施作中导洞初期支护；②跳槽开挖上台阶左导洞II，施作上台阶左导洞初期支护；③跳槽开挖上台阶右导洞III，施作上台阶右导洞初期支护；④跳槽开挖下台阶左导洞IV，施作下台阶左导洞初期支护；⑤跳槽开挖下台阶右导洞V，施作下台阶右导洞初期支护；⑥施作仰拱；⑦施作仰拱填充；⑧模筑二次衬砌。

图8 分部台阶法三维施工工序

4 分部台阶法实施效果

4.1 现场施工效果

隧道上台阶中导洞开挖尺寸为8.5m×8.33m(宽×高)，开挖面积为67.86m2，上台阶左、右导洞开挖面积为33.32m2，下台阶左、右导洞开挖高度为5.38m，开挖面积为49.45m2。

自2018年11月7日起，采用分部台阶法施工。先行开挖中导洞，12月14日中导洞贯通，耗时37d，平均每天进尺6.22m。其余工序随后施工。各工序具体施工进度如表2所示。

表2 隧道各工序施工进度

现场施工过程主要节点如图9所示。由图9a可看出隧道中导洞施工状况良好，掌子面与洞壁围岩稳定。

图9 现场施工过程主要节点

隧道中导洞贯通后，上台阶左、右导洞交错开挖，如图9b所示。中导洞贯通可尽早形成空气对流，解决隧道通风问题，改善洞内施工环境。

隧道下台阶开挖现场施工情况如图9c所示。上、下台阶保持一定安全距离平行交叉施工，有效减少施工干扰，提高施工效率。

二次衬砌现场施作情况如图9d所示，可看出二次衬砌施工效果良好。

从现场实际施工情况可看出，分部台阶法施工工序简单，对围岩扰动少，通风效果好，且上、下台阶平行交叉开挖相互影响小，有效加快了施工进度，符合九家湾隧道实际情况。

4.2 技术经济效果

之前定性地分析了双侧壁导坑法与CD法2种施工方法所需工期长、施工成本高，相反分部台阶法施工工期短、成本低。隧道施工结束后，对分部台阶法施工工期、成本及主要建筑材料工程量等方面数据进行了统计，与原设计IV级围岩段采用CD法施工、V级围岩段采用双侧壁导坑法施工所需主要建筑材料工程量进行对比，如表3所示。采用分部台阶法可加快施工进度，降低成本269.74万元，主要材料工程量有不同程度减少，其中型钢钢架、管棚与支护钢架用量减少最明显，技术经济效果良好。