预留核心土法适用性及施工技术要点分析

文／曹树森、钱栋栋、李明 中车智能交通工程技术有限公司 北京 100078

丁学伟 江苏中车城市发展有限公司 江苏无锡 214104

引言：

预留核心土法在隧道施工中已得到长期广泛的应用。大量的工程实践表明，在软弱破碎、浅埋、大跨等隧道施工中，隧道施工应坚持若爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤测量的施工原则，预留核心土对控制隧道开挖面稳定效果显著。在国内，预留核心土法已积累了大量的工程经验和一些理论研究成果。但目前，由于安全形势日趋严峻，许多隧道在设计中较为保守，特别是在高速铁路中，在进洞或浅埋软弱地层不少选择采取CD 法、CRD 法[1]，甚至双侧壁导洞法。上述工法分部多、临时支撑多、空间小，大型机械无法使用，施工效率低，成本高[2]。通过调研大量工程案例和研究成果，对不同工法进行对比，对预留核心土法的适用性和施工技术要点进行总结。

1、预留核心土法的基本原理

预留核心土法的基本原理是在掌子面不能自稳的不良围岩中，开挖时把掌子面中央部位留下，利用残留核心土与掌子面喷混凝土和掌子面锚杆组合在一起来保证掌子面稳定，利用残留核心土的反压作用抵抗掌子面的变形，并使前方土体处于三向应力状态，减小前方土体松弛破坏的程度和范围，防止掌子面失稳，保证隧道洞室的稳定性[3]。同时采用环形开挖，减少大范围开挖对围岩的扰动，并缩短支护施作间隔时间，避免软弱岩体过度松弛，从而达到保护围岩，充分发挥围岩自身承载能力的目的，进一步提高了隧道洞室的稳定性[4]。2006年后，随着新意法的理念逐步传入我国，新意法是通过对隧道掌子面超前核心岩土介质的勘察、预测其稳定性，设计按隧道开挖后围岩稳定、暂时稳定、不稳定将其划分为三种形态[5]。据以信息化设计支护措施，确保隧道安全穿越复杂地层和实现全断面开挖的一种动态设计施工指导原则，新意法强调控制围岩变形、强调掌子面前方围岩的超前支护和加固，通过监测和控制掌子面前方的围岩、采用配套的机械化作业，实现全断面开挖。可以看出预留核心土法在利用稳定掌子面来保证隧道洞室稳定的基本思路与新意法是一致的，但新意法更强调采用强有力的措施（通常为玻璃纤维锚杆）主动加固掌子面前方岩体（超前核心土），控制前方岩体变形，相对于预留核心土法被动控制来说，效果更好，并可通过调节玻璃纤维锚杆的密度和长度来适应不同地层[6]。

2、不同开挖方法的比较

2.1 力学效应对比

目前，针对某一特定隧道，为确定合理施工方法，常常开展不同开挖方法力学效应比较。由于预留核心土法通常用于软弱围岩（Ⅴ级）和大跨（一般为双线及以上）隧道中，因此特针对上述条件，选择10 个不同工况与预留核心土法对比的典型案例，同时增加了个别Ⅳ、Ⅵ围岩和单线隧道以丰富成果。

2.2 围岩变形

围岩变形是由外界因素的作用引起的，在一般情况下，地下洞室的两侧围岩常常会形成塑性楔体，首先向洞内变形，甚至局部破坏，进而危及整个围岩的稳定性，隧道施工中，围岩变形是隧道稳定性的直观表现，围岩变形量对衬砌或支护上的围岩压力大小很有影响，过大的和过小的围岩变形都可引起围岩压力增大，适当的围岩变形可使围岩压力有一定程度的降低，同时控制围岩变形对隧道与支护结构的稳定起着十分关键的作用[7]。根据统计表1计算成果表明：从控制变形角度来说，双侧壁法＞CRD 法〉CD 法＞预留核心土法＞台阶法；在V 级围岩双线及以上隧道（跨度＞12m）条件下，在拱顶沉降方面，台阶法较核心土法大10%～50%，CD法较核心土法小10%～50%，在水平收敛方面：台阶法较核心土法大40%～60%，CD 法较核心土法小10%～45%[8]。CRD 法和双侧壁导坑法采集样本较少，个案表明，围岩变形较核心土法减少约20%～60%。上述数据表明，在Ⅴ级围岩条件下，相对于台阶法，预留核心土法能有效减少围岩变形，增加作业面稳定性，但较之CD 法等分部开挖临时支撑的方法来说，在控制围岩变形方面尚不足。

表1 不同工法计算案例

在Ⅳ级围岩双线隧道、Ⅴ级围岩单线隧道、Ⅵ级围岩双线隧道案例中，台阶法和预留核心土法围岩变形基本相等，表明在Ⅳ级围岩、Ⅵ级围岩、单线隧道等条件下，预留核心土法较台阶法在控制围岩变形上无太大优势。

2.3 围岩应力

围岩应力是指地下洞室周围岩石中单位面积上的内力强度，围岩应力是判定围岩稳定和洞室安全的重要因素，它可以通过理论分析、模型试验和现场量测来确定，前述方法中按围岩最大主应力比较得出：台阶法＞ 预留核心土法＞CD 法＞ 双侧壁导坑法；围岩引领采集样本较少，个案表明台阶法较核心土法大约40%，CD 法较核心土法小约10%～15%，双侧壁导坑法较核心土法小约40%[9]。上述分析表明预留核心土法较台阶法能较好地减少围岩内部应力，控制围岩塑性区发展，而与CD 法相比也较为接近，但与双侧壁导坑法相比在围岩应力控制上则不足。

2.4 支护应力

隧道支护设计通常按围岩不稳，支护帮助，遇强则强，遇弱则弱，按需提供，先柔后刚，协调工作，监控量测，动态调整的原则，施工过程中隧道支护受力存在施作时间效应，而在数值模拟计算中则是通过应力释放率来进行考虑，由于计算案例的应力释放率取值略有不同，同时各案例条件的不同、分部开挖对围岩扰动频繁等原因，在各案例中比较发现：CD 法、CRD 法、双侧壁导坑法的支护应力与预留核心土法相比，并无统一规律，在V级围岩条件下，有些小于核心土法，有些大于核心土法；而台阶法，由于开挖分部少，则统一表现为支护应力最大，但各案例计算数据除台阶法外，基本满足规范的安全系数。上述分析表明，核心土法相对于台阶法有利于减少支护应力，而相较于CD 法等，则需根据实际情况进行分析。

3、预留核心土法的施工要点

3.1 核心土几何尺寸

大量工程案例和研究表明，掌子面的稳定性随着台阶长度和核心土长度的增加而增加，但长度超过0.5D 后增幅逐渐趋缓，同时由于台阶过长造成仰拱封闭成环时间滞后，反而会影响隧道洞室稳定性，因此通常台阶合理长度在0.5～1D 范围[10]；核心土长度需＞3m，考虑作业便利，一般取3～5m。同样，核心土的面积太小，发挥作用十分有限，通常不小于整个断面面积的50%，而核心土的高度和宽度，应根据具体隧道断面尺寸，开挖方法（两台阶：上台阶预留核心土长度宜为3～5m，下台阶距离一般在5～7m、三台阶：上台阶预留核心土长度宜为3～5m，中台阶长度宜控制在2～3m，且左右侧错开2～3m，仰拱与下台阶距离宜控制在15～25m）、开挖方式（人工、机械）、超前支护形式（超前小导管、管棚）等进行具体设置，以便于实际施工作业需要，通常上台阶取4～5m 左右，核心土高度2.5～3.5m，核心土宽度为隧道开挖宽度的1/3～1/2。核心土边坡坡率按土质条件一般取1:0.5～1:0.75。

3.2 初喷混凝土

隧道在开挖后应及时进行初期喷射混凝土养护。在这个阶段，国内的隧道施工管理往往以进度为先，而最初的喷射混凝土过程往往被忽略了。事实上，在容易风化（软化）和破坏的岩石中，如果能及时封闭开挖，使混凝土层紧紧地粘在周围的岩石上，对围岩表面以抗力和剪力，使围岩处于有利的三面受力状态，防止围岩强度的恶化，喷射混凝土层本身可以防止不稳定块体的冲击滑移，喷射混凝土层具有柔性性能。可以控制使围岩射入围岩之间的开放性裂缝而不产生有害的变形，喷射混凝土可以射入围岩之间的开放性裂缝，填充表面凹槽，使断裂的岩石表面粘连，保护砌块不被撕裂和镶嵌，提高它们之间的粘附性和摩擦阻力，有利于围岩的松动。避免喷射混凝土层直接粘结在岩石表面，形成风化和止水的保护层，防止填塞接缝裂缝。喷射混凝土层跟随开挖过程及时养护，早期强度高，有效避免围岩风化和软化，控制围岩变形，提高围岩的自稳性[11]。在采用预留核心土法的掌子面稳定性较差的软弱围岩隧道，应将初喷混凝土纳入关键工序管理。在开挖完成（或开挖分离）和找顶完成后，应立即进行初喷混凝土，以尽快封闭岩面，铺设厚度应根据围岩情况控制在3～5cm，视围岩情况决定。

3.3 超前支护

超前支护是确保开挖工作面稳定和进入隧道施工项目的辅助措施。目前超前支护主要方式是超前管棚、小导管及自进式锚杆，洞内因作业空间有限，所以一般采用超前小导管，超前小导管注浆施工技术，是在灌浆法加固地基的基础上发展起来的一项围岩超前加固技术，它是在固结法的基础上发展起来的一种地基加固方法，基本原理是在隧道开挖的周边，将小通道以一定的角度向前推进到基岩中，通过水泥泵的压力，使水泥浆通过小通道渗透并扩散到岩层的孔隙或裂缝中，从而改善岩体的物理和力学性能[12]。在沟槽面的自承式拱门、岩层周围形成加固套管，有效限制了岩层的松弛和变形，从而达到提高沟槽面岩层的自稳能力，延长岩层自稳期的目的。然而，在隧道洞口的浅埋部分或当围岩的自稳定性较弱时，应考虑使用大型或中型管棚系统。有时还可以增加钢筋笼，与强钢筋断面组合成一个系统，对自稳性较弱的围岩进行预支撑和加固，对防止软弱围岩的下沉、松动和崩塌，保证施工安全起到很大作用。在洞口中使用中型管棚时，应优化下层土壤的大小和形状，以适应管棚的结构需要，并适当调整管棚的外部角度。自走式锚杆是一种集钻孔、固井、锚固功能于一体的锚杆。它在软弱和断裂的松散岩层中提供固结和锚定，可靠、高效且易于施工。用一个简单的手钻就可以安装锚[13]。使用特殊的塞子和灌浆接头可以进行高压灌浆，提供灌浆效率，并且易于操作，可以快速灌浆。超前支护应注意周长和灌浆质量，否则将达不到预期效果。

3.4 开挖

采用预留核心土法一般采用机械辅以人工开挖。若围岩需要爆破，则可以通过辅助措施等方法，提高围岩稳定性，尽量实现台阶法开挖为宜，而不采用预留核心土法。应根据实际情况和监控量测结果，以安全为前提，控制单次开挖进尺，尽快封闭岩面，通常Ⅴ级围岩上台阶不超过2 榀拱架或1.5m，中、下台阶不超过4 榀拱架或3m，仰拱一次不超过6m。中、下台阶两侧应错开施工，错开距离3～5m。

3.5 锁脚锚管

预留核心土法与CD 法等方法相比无临时支护，支护结构整体强度和刚度相对较弱。因此必须重视锁脚锚管施工质量，以提高钢架受力性能[14]。施工中通常采用φ42钢管，由于作业空间有限，深度一般为4.5m 左右，特殊地层可能采用φ89 钢管，长度6m，则必须通过简易潜孔钻来实施。锚管与竖直方向夹角通常取20°与40°，与钢架之间采用“L”形钢筋焊接。

结语：

（1）预留核心土法能较好地改善隧道掌子面稳定性，较CD 法等分部开挖方法相比在进度和成本上有较大的优势，在软弱地层隧道施工工法比选上，应尽量推选，通过研究，在确保安全的基础上优先选用。

（2）预留核心土法适用于浅埋、软弱围岩（V 级围岩）等具有一定自稳性的双线隧道；对于Ⅵ级围岩，则应采用大管棚、超前预加固等辅助措施后再考虑是否采用。但预留核心土对围岩变形（地表沉降）控制效果不如CD 法等，在地表沉降控制严格地区不宜采用。

（3）预留核心土存在合理尺寸范围和最优尺寸选择，在设计施工中，应通过研究确定，以提高施工安全。

（4）预留核心土法应重视初喷混凝土、开挖步序、开挖进尺、锁脚锚杆等施工要求和施工质量，方能成功运用。