软弱地层大断面隧道施工方案优化与施工技术研究
来源:用户上传
作者:
摘要：本文结合工程实例，简要分析如何优化软弱地层大断面隧道施工方案，同时对现场施工技术进行研究，以期提高软弱底层大断面隧道施工水平。
关键词：软弱地层；大断面隧道；施工方案；施工技术
一、工程概况
某隧道工程全长396m，隧道平均埋深20m、最大埋深50m，具体处在0.3%上坡的直线位置，此外隧道埋深较浅，且工程地质条件相当差。该隧道下伏基岩包括砂岩、灰岩、炭质页岩、硅质岩等；上覆第四系全新统坡残积粉质粘土。该区域底层延性尤其复杂，且夹杂有泥质灰岩或灰岩，其中泥灰岩、页岩、炭质页岩局部极具弱膨胀性。该隧道穿越的岩层以软质岩为主，其中多数属全、强风化层，即节理发育、岩体破碎、稳定性与强度超差。地下水属基岩裂隙水，具体呈弱硫酸型酸性，同时侵蚀等级H1，此外隧道开挖过程仅遇到较少的地下水及较小的隧洞涌水量。地表水以大气降水为主，其中雨季（4～8月）降水量占全年降水量的60～70%。该隧道全线设计成V级围岩，其中围岩条件相当差。隧道开挖高度13.5m、开挖跨度16m左右，可见此隧道工程属软弱底层的大断面隧道。
二、软弱地层大断面隧道施工方案的优化
考虑到该隧道所穿越地带地层结构极具复杂性，定量评价采用数值分析法极有必要。根据该隧道工程施工现场的实际情况及开挖成本与施工工期的要求，最终提出三台阶七步开挖法施工方案，而拟采用CRD法开挖，其中CRD法开挖指把断面分解成上、中、下、左、右六部分进行开挖；三台阶七步开挖方法指隧道开挖过程，把全工程分解成七大开挖面，首先相互错开、同时开挖前后不同的位置，其次分部同步支护至支护整体，以缩短作业循环时间，如此实现向纵深方向逐步推进，此外三台阶七步法开挖要求把隧道开挖断面分解成上、中、下、底部四大部分，随后再实施错台台阶开挖。本章节采用FLAC2D软件、有限差分原理，对CRD法、三台阶七步开挖法进行优化比选，以确定最优施工方案。首先借助FLAC2D软件，分别对CED法、三台阶七步开挖法进行施工模拟，其中施工模拟过程，岩土体物理力学材料参数的选取视隧道地质钻孔勘察报告而定，见表1。
表1 各地层主要物理参数
其次采用数值模拟方法获取到CRD法、三台阶七步法施工方案各开挖阶段、开挖完成后、支护施作完成后支护结构与隧道围岩的受力及变形情况（如围岩扰动情况、围岩位移场等），同时再根据表1所示参数便可判定两种施工方案的开挖与支护效果。
（一）位移场分析。隧洞开挖后势必引起四周围岩发生位移变形，其中竖向位移直接反映着隧道围岩的稳定性，所以分析围岩的竖向位移相当必要。现采用FLAC2D软件进行施工模拟，由此获取两种开挖工法各开挖步开挖后的竖向位移云图。总体而言，从各开挖步所产生的竖向位移而言，CRD法对沉降发展范围、沉降增量两方面的控制皆较三台阶七步开挖法更优，其中CRD法所产生的最大沉降值2.1cm；三台阶七步开挖法所产生的最大沉降值8.5cm，此外三台阶七步开挖法所产生的水平位移场亦较CRD法大，可见若从围岩稳定性角度而言，CRD法对围岩的稳定性更有利。
（二）围岩扰动分析。若想全面对比CRD法、三台阶七步开挖法对隧道围岩的影响，必须获取到两种开挖方法对围岩的扰动情况及塑性区的大小与分布情况。考虑到三台阶七步开挖法具有开挖矢跨小、开挖隧道断面大、开挖活动对围岩的扰动大、初支无法快速封闭、周边部位易形成发展范围较大的塑性区等特点，而CRD法能够使各分块快速闭合，那么对围岩变形起着抑制作用，因此所形成的塑性区仅具有较小的发展范围。针对两种开挖方法所产生的隧道周边剪应变，三台阶七步开挖法所产生的最大围岩剪应变达70*10-3，而CRD法开挖所产生的最大围岩剪应变仅达10*10-3，可见CRD法的最大围岩剪应变较三台阶七步法超出1个数量级。
综上所述，从上述两方面的分析可看出，CRD法对隧道围岩的稳定性均较三台阶七步法，此外若从其他方面进行分析，亦可判定CRD法更适合此项隧道工程。
三、软弱底层大断面隧道施工技术
2009年12月开始，该隧道便开始采用三台阶七步法、CRD法进行开挖，同时开挖作业始终坚持“弱爆破、强支护、勤量测、短进尺、早封闭”的施工原则。
（一）施工概况。隧道施工初期采用CRD法进行开挖，即把开挖断面分成六部分进行开挖，如此累计完成进口端施工96m、出口端施工60m。但洞口施工后需对原施工计划进行调整，同时需再次分析工期计划。因施工工期相当紧迫而必须采用三台阶七步开挖法完成剩余部分隧道的开挖，以满足施工工期的要求。
（二）施工控制措施。为把隧道施工安全及施工质量提高到较高水平，除进行施工方案的必选、监测设计外，也应制定出针对性的施工控制措施，即：
1.控制开挖进尺与步长。该隧道V级软弱围岩段的拱部按1榀钢拱架的间距对各循环开挖进尺进行控制，其中下台阶按2榀钢拱架的间距进行控制，注意左右跳槽开挖、初期支护结构快速落底，以防发生悬空问题或超挖问题，此外上下台阶间长度控制到3～5m，而左右两侧间距控制到10m。各步骤开挖后均需尽快施作初期支护结构，亦或采用临时横撑把初期支护结构封闭成环。下台阶部位各循环开外进尺按4～6榀钢拱架的间距进行控制（≤3m），注意洞内临时排水管理工作必须落实到位，以免积水浸泡到拱脚基础，进而确保施工安全。
2.支护。针对开挖后侧壁临空面及掌子面出现渗漏水情况的地段，必须事先粗喷厚3～5的混凝土，随后再复喷至要求厚度，注意此环节采用湿喷工艺。针对钢拱架的架设，钢拱架的拱脚部位用槽钢垫垫起来，钢拱架的接头部位采用双面焊缝焊接起来，随后再采用高强螺栓进行连接，注意缝隙部位加垫钢板，同时双面焊接牢固；各榀钢拱架的锁脚锚杆增至4根，同时与钢拱架焊接成整体，以确保锁脚锚杆的数量、长度、外插的角度均满足设计要求，此外喷射混凝土的表面必须足够平整，以便挂设防水板。
3.仰拱及二衬施作。根据裂缝发展及沉降变形观测资料，初期支护封闭成环及仰拱回填后，隧道拱顶沉降四周的收敛变形必定日趋稳定，所以务必尽早封闭支护结构，同时开始仰拱及二衬施作，以控制沉降及变形发展。
4.监控量测。隧洞内拱顶/脚下沉、仰拱填充层沉降、洞周收敛等观测必须及时开展，同时点绘时态曲线，随后再对施工工序距离与变形的关系进行分析，以判定初期支护与围岩的稳定性。工序转换期间及雨天，观测工作必须加密加强，同时必须每天对临时横撑与初期支护的变形与开裂情况进行观察，若变形异常，必须果断采取措施，如加强临时支护或初期支护、停止施工，以保证隧道施工安全。测试分析土体的含水量时，若土体含水量>18%，必须开展基底承载力试验，以加固地基及加强二衬，进而确保隧道营运安全。
参考文献：
[1]蒙秀林. 软弱地层大断面浅埋暗挖隧道施工技术探讨[J]. 科技资讯，2012，33：40-41+43.
[2]夏润禾，徐向叶. 铁路软弱围岩隧道施工安全风险管理技术与实践[J]. 地下空间与工程学报，2011，S2：1753-1757.
[3]苏立华. 富水浅覆不均匀地层大断面隧道快速施工技术研究[J]. 铁道建筑，2012，01：51-53.
作者简介：
许艳松，男，1980年5月10日，河北省，河北路桥集团有限公司三分公司，071000
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-5677994.htm
