隧道工程开挖方法优化设计

王小虎

（北京铁城建设监理有限责任公司，北京 100855）

近年来，随着我国国民经济的快速发展，交通事业发展的规模愈来愈大，质量要求愈来愈高，为了提高交通效率和通行安全，隧道建设规模在不断扩大，已经成为铁路、公路、城市交通中不可或缺的施工工程之一[1]。受地形、地貌及水文地质等条件影响，隧道开挖不可避免地要穿越特殊地质条件、富水地层和流砂层等复杂工程地质区段，给工程的施工、建设、运维等多方面带来影响。所以在隧道开挖前，必须对隧道选址的气象水文、地形地貌、岩土体工程地质特征等施工条件进行勘探，基于勘探结果进行评价提出最为合理的隧道开挖施工方案[2]。根据JTG/T D70—2010《公路隧道设计细则》中要求，隧道施工过程中，必须对现场施工的地质等条件进行动态监测和预报，并与原有结果进行核对，基于对比结果及时对施工方案进行评价和动态调整，确保隧道施工建设安全[3]。

1 工程概况

1.1 隧道施工概况

本文以德阳市青衣江某隧道工程为例，该隧道全长359 m，双洞三车道布置，单线延米总长为715 m，设计为暗挖隧道，按照新奥法原理进行施工，明洞段采用明挖法施工，暗挖段采用钻爆法施工，隧道为小净距隧道，隧道最小净距17.16 m，主洞建筑限界净宽15.75 m，限高5.0 m；开挖宽度19.25 m，隧道内轮廓宽16.42 m，高10.53 m，开挖断面207.7 m2；隧道最大埋深51 m，洞身主要围岩为强风化砂质泥岩和中风化砂质泥岩，施工过程中采用双侧壁导坑法，施工安全风险高。二次衬砌采用全断面钢模整体式液压衬砌台车（配钢端模）施工，二次衬砌厚0.9 m。

隧道工程施工区范围内地貌单一，虽场地内分布有自然形成的陡边坡，根据现状调查目前无自然滑坡、崩塌等不良地质作用，主要受暴雨季节及岩体节理裂隙较发育的影响，偶见有小崩滑现象。根据水质分析成果报告，本工程区地下水为HCO3-Ca2+·Mg2+型水；上层滞水pH 为7.55；根据JTG C20—2011《公路工程地质勘察规范》附录K 判定：拟建场地环境类别为Ⅱ类，工程区地下水对混凝土结构具微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。该隧道为Ⅴ级围岩，采用双侧壁导坑法施工，如图1 所示。首先施作超前支护，后进行双侧壁导坑开挖支护。施工顺序如下：中夹岩柱侧导坑上台阶开挖Ⅰ，施作初期支护，临时支护①；中夹岩柱侧导坑下台阶开挖Ⅱ，施作初期支护，临时支护②；另侧导坑上台阶开挖Ⅲ，施作初期支护，临时支护③；另侧导坑上台阶开挖Ⅳ，施作初期支护，临时支护④；拱部及核心土上台阶开挖Ⅴ，施作主洞拱部初期支护⑤；核心土中台阶开挖Ⅵ；核心土下台阶开挖Ⅶ，施作主洞初期支护⑦；拆除临时支撑，施作仰拱钢筋混凝土结构及仰拱填充⑧；采用模板台车施作拱墙全断面二次衬砌⑨。

图1 双侧壁导坑施工工序图

1.2 隧道洞身开挖方法优化调整原因

根据现场地质素描、超前地质预报、岩石试验、监控量测等信息显示，地质情况：现场实际围岩岩石天然强度比勘察设计提出的相对较高一些，中风化砂质泥岩较多，其他基本与原勘察设计一致；监控量测情况：地表累计下沉量为5.9 mm，拱顶累计下沉量为4.8 mm，水平净空收敛累计为16.2 mm，与设计提出的预留变形量200 mm 有较大出入，初期支护及临时支护的安全性较高；施工技术条件：①双侧壁导坑法爆破开挖把整个断面分成7 块分别依次开挖，由于均需爆破作业，每个导坑上下台阶无法同时组织施工，施工顺序及组织相对较难，并严重影响施工进度；上一循环完成后立即组织下一循环作业，爆破对临时支护影响较大，特别是临时仰拱受爆破变形较大；另每块开挖断面小，用炸药量相对较多，成本也有一定的增加。综上考虑爆破作业，由于围岩岩质较硬，需爆破作业，小断面导坑爆破影响因素较多，需调整一次开挖断面面积。②双侧壁导坑法机械开挖也是把整个断面分成7 块分别依次开挖，岩石属于砂质泥岩，局部为砂岩，岩质较硬，用破碎锤不易破碎，机械开挖时间久；开挖断面按双侧壁七步导坑施工，每个导坑断面约为30 m2，施工空间小，对大型机械正常运转有一定的限制；每个导坑上下台阶无法同时组织施工，施工顺序及组织相对较难，并严重影响施工进度。综上由于岩质较硬，需大型机械开挖作业，但由于每个导坑断面较小，大型机械无法组织施工，需调整一次开挖断面面积。

2 隧道洞身开挖方法优化调整

2.1 施工工艺选择

根据《公路隧道设计细则》相关要求[3]，在隧道施工过程中，应进行动态设计与信息化施工，即应当对已完成开挖的地段进行地质环境、围岩等级等进行动态监测监控，并根据监测结果对工程施工开挖方法、支护参数等进行动态合理调整，确保隧道施工过程的安全，达到隧道施工安全、节约工程投资的目的。①动态设计应依据施工过程中反馈的各种信息，包括超前地质预报、监控量测数据掌子面的地质描述和揭露的地质条件等，通过分析与评价所获得信息，并与预设计时的地质资料相对比，确定地质变化情况，对隧道施工方法（包括特殊的、辅助的施工方法）、断面开挖步骤及顺序、支护参数等进行相应合理的调整。②隧道土建工程设计应贯彻动态设计与信息化施工的思想，制订地质观察、预报和监控量测的总体方案，为动态设计提供依据，及时调整支护参数和施工方法。

根据隧道施工过程中的地质、监控量测、施工技术条件等因素分析，青衣江隧道为双向三车道分离式隧道，围岩级别为Ⅴ级围岩，根据《公路隧道设计细则》中施工开挖方法分类，可采用单侧壁导坑法、双侧壁导坑法及CRD 开挖法，但结合现场实际围岩岩质较硬，需爆破或大型机械开挖，参考大型机械开挖对净空的要求，我单位建议将开挖方法调整为采用单侧壁导坑法。

2.2 单侧壁导坑法开挖的施工工艺及方法

单侧壁导坑法将断面分成两大块，其中每一块采用上下台阶法开挖。侧壁导坑尺寸应根据地质条件、断面形状、机械设备和施工条件而定，其宽度宜为0.5 倍洞宽。临时中隔壁可设置为弧形或直线，其强度应根据地质条件确定，如图2 所示。施工作业顺序为：第一，以上下台阶法开挖侧壁导坑，并进行初期支护（锚杆加钢筋网，或锚杆加钢支撑，或钢支撑，喷射混凝土），应尽快使导坑的初期支护闭合；第二，相隔30～50 m 后，以上下台阶法开挖另一侧导坑，使其一侧支承在导坑的初期支护上，并尽快施作底部初期支护，使全断面闭合；第三，拆除导坑支护中的临时初期支护；第四，浇筑二次衬砌。

图2 单侧壁导坑施工工艺流程图

2.3 方案对比

2.3.1 工程数量变化情况

由于施工方案的优化调整与主体工程工程量无影响，仅从临时支护的双侧壁优化调整至单侧壁，其他相关参数与原设计一致，具体临时支护工程量变化情况见表1。

表1 临时支护每延米工程数量表（单洞）

2.3.2 建设投资变化情况

由于从双侧壁导坑法优化调整为单侧壁导坑法，导致临时支护工程量减少，计划优化调整为单侧壁导坑法开挖方法共计513 延米，根据目前核定清单单价计算（局部清单单价有误），每优化调整1 延米工程造价减少9 847.24 元，共计优化调整513 延米，累计工程造价减少5 051 632 元，见表2。

表2 开挖方法优化调整后费用增减情况表

2.3.3 工程进度情况

1）施工计划。根据已审批的隧道专项施工方案，开挖及支护分部的进度指标为1 m/d，进出口30 m浅埋0.5 m/d，左洞计划进洞日期为2020年11月14日，计划贯通日期为2021年11月13日；右洞计划进洞日期：2020年12月19日，计划贯通日期为2021年12月21日；

2）目前情况。载止目前现场已完成左洞开挖支护24.6 m，右洞两侧导坑累计完成开挖支护10 m，折算完成1.5 m，进度目前滞后，主要影响进度原因为：①冬季重污染天气及其他原因影响，本地政府要求停工，累计停工10 d；②火工品的使用时间影响，每天0 时至10时（早晨派出所上班后到工地监管后才能放炮），每天影响10 h，进度指标影响近4 成；③机械开挖由于多种方案比选，影响施工进度。综上所述，由于火工品的使用受影响，计划1 a 贯通的青衣江隧道，需1.7 a 才能贯通，加之后期二衬、洞门、附属、路面和电消交专业等，需2.7 a 才能竣工，如按2020 年9 月25 日开工计算，需2023 年9 月10 日才能竣工，这也仅考虑全部日历天施工，由于政府等不可控原因停工未计算在内。

3）方案优化调整后施工计划。单侧壁开挖较双侧壁开挖相对简单，但也需分部开挖，根据我单位施工经验开挖及支护分部的进度指标为1.5 m/d。①爆破开挖。考虑火工品的影响，进度指标应调整为1 m/d，虽前期工期有一定滞后，如后期由于政府等不可控原因停工较少，可通过抢工期的措施确保施组计划及合同工期按期完成。②机械开挖。如选定工效良好的大型机械开挖，由于机械本身原因，部分下台阶及全部仰拱需爆破施工，进度指标可控制在1.5 m/d，虽前期工期有一定滞后，如后期由于政府等不可控原因停工累计在45 d内，能确保合同工期按期完成。

2.3.4 施工安全情况

从双侧壁导坑开挖优化调整为单侧壁导坑开挖，由于减少了临时支护工程量，安全系数降低，存在一定的安全风险，但施工过程中加强监控量测，根据量测数据可增设仰拱、横撑等临时支护措施，确保施工安全，如量测变形数据仍过大，及时调整为双侧壁导坑法开挖。

2.3.5 施工质量情况

从双侧壁导坑开挖优化调整为单侧壁导坑开挖，仅对临时支护进行调整减小，仅涉及临时工程，对主体工程无影响，因此，优化调整开挖方法对工程质量无影响。

3 结束语

隧道施工方案的优化调整应以施工安全和施工质量为前提，兼顾工程工期要求和成本投入。所以，施工年方案优化调整必须基于对现场施工安全、现场施工环境、设备设施投入、成本控制和质量要求等充分论证评价的前提下实施的。为了保证现场施工安全，必须按照相关要求强化动态监测和信息化管理。同时，要充分依托原有方案设计，尤其在设备设施投入、成本控制等方面，要对机械设备投入进行细化方案设计和对比，在保证安全和工期要求的基础上优化选择。