大跨軟巖地鐵隧道施工核心思路構(gòu)建探索

吳昌裔

摘 要：在我國(guó)城市不斷發(fā)展的過(guò)程當(dāng)中，較多的地鐵工程得到了建設(shè)。在地鐵工程建設(shè)當(dāng)中，大垮地鐵隧道數(shù)量不斷增多，并因此對(duì)施工技術(shù)具有了更高的要求。在本文中，將就大跨軟巖地鐵隧道施工核心思路進(jìn)行一定的研究。

關(guān)鍵詞：大跨軟巖；地鐵隧道；施工思路

中圖分類號(hào)：U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）12-0091-03

軟巖隧道結(jié)構(gòu)松散，技術(shù)處理稍有松懈，就可能導(dǎo)致隧道變形、隧道塌方等施工事故，尤其是對(duì)于地鐵隧道來(lái)說(shuō)，一旦發(fā)生隧道塌方，所造成的危害和經(jīng)濟(jì)損失將不可估量。在軟巖隧道施工中，部分施工隊(duì)在鋼構(gòu)支護(hù)結(jié)構(gòu)上偷工減料來(lái)節(jié)省施工成本；沒(méi)有進(jìn)行混凝土初噴來(lái)加固及封閉圍巖就直接安裝型鋼支撐架；噴射混凝土工序中用片石回填拱腳，致使初支背后脫空；施工中因?yàn)榧夹g(shù)措施與設(shè)計(jì)要求不符，造成鋼結(jié)構(gòu)變形，嚴(yán)重的還可能導(dǎo)致隧道塌方和人員死傷。有鑒于此，針對(duì)軟巖隧道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)研究適合的隧道開(kāi)挖技術(shù)，優(yōu)化支護(hù)體系，對(duì)減少隧道施工安全事故、保障作業(yè)人員生命安全、提高作業(yè)效率往往有著積極的意義。

在本文中，筆者將針對(duì)軟巖地鐵隧道的結(jié)構(gòu)特征，分別對(duì)適合軟弱圍巖隧道的施工工法，即臺(tái)階法、中隔壁法以及側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行重點(diǎn)解析，旨在進(jìn)一步完善相關(guān)施工理論，減少或者杜絕隧道變形、隧道塌方等安全事故發(fā)生，保證地鐵系統(tǒng)安全運(yùn)營(yíng)。

1 軟巖隧道的概念及特點(diǎn)

1.1 軟巖的概念

軟弱圍巖一般是指抗壓強(qiáng)度小于30MPa的圍巖?？箟簭?qiáng)度達(dá)不到5MPa的圍巖，通常稱之為“極軟巖”，比如泥巖、板巖、砂巖、頁(yè)巖等。

1.2 軟巖隧道工程特性

（1）軟巖強(qiáng)度低，開(kāi)挖隧道后地應(yīng)力發(fā)生重分布，圍巖在巨大拉應(yīng)力的作用下其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和支護(hù)體系極易變形，如果所采取的技術(shù)措施不當(dāng)，就可能造成支護(hù)侵限或隧道塌方。（2）控制隧道變形，防止隧道塌方，這是軟弱圍巖隧道安全施工的根本要求。

2 大跨隧道的基本施工方法

在軟巖隧道施工中，洞身圍巖的狀況是確定施工技術(shù)方案的參考依據(jù)，如果只根據(jù)圍巖級(jí)別進(jìn)行施工組織設(shè)計(jì)，則無(wú)法保證施工方案的合理性。除圍巖級(jí)別，還應(yīng)該考慮不良地質(zhì)狀況、地下水、巖性等其它方面。

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，在大跨軟巖隧道施工當(dāng)中，其主要施工方法有以下幾類：

第一，上半斷面臺(tái)階法。該方法的工藝流程見(jiàn)圖1。上斷面臺(tái)階法具有施工速度快以及施工空間大的有點(diǎn)，適合使用大型機(jī)械設(shè)備進(jìn)行挖掘，且該技術(shù)具有較廣的應(yīng)用范圍，在大部分圍巖條件當(dāng)中都能夠使用，其具體方式有臨時(shí)封閉臺(tái)階以及短臺(tái)階兩種；

第二，中壁法。中壁法施工流程見(jiàn)圖2。當(dāng)掌子面穩(wěn)定性不強(qiáng)、不能使用上半斷面臺(tái)階法施工時(shí)可以對(duì)該技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，該方式適合應(yīng)用在圍巖情況較差、地表沉陷要求較為嚴(yán)格且淺埋工程當(dāng)中，其具體方式有CRD以及CD兩種方式；

第三，雙側(cè)導(dǎo)坑開(kāi)挖法。首先，雙側(cè)壁導(dǎo)坑開(kāi)挖法基本都是按圖3所示開(kāi)挖順序逐步實(shí)施。對(duì)于承載力存在不足、且不適合使用上半斷面臺(tái)階法施工的區(qū)域，可以對(duì)該方式應(yīng)用，該方式適合應(yīng)用在圍巖條件較差且沉陷方面眼球嚴(yán)格的工程當(dāng)中，其具體方式有眼睛法以及雙側(cè)導(dǎo)坑超前開(kāi)挖兩種方式。

在未固結(jié)圍巖、斷層破碎帶以及洞口段這部分不穩(wěn)定圍巖當(dāng)中施工中，由于大跨隧道在實(shí)際施工當(dāng)中具有拱頂彎矩大以及拱腳位置應(yīng)力集中的特點(diǎn)，則需要能夠?qū)鷰r松弛情況進(jìn)行嚴(yán)格控制，避免失穩(wěn)情況的發(fā)生。對(duì)于洞口段來(lái)說(shuō)，由于其圍巖破碎情況較為嚴(yán)重，地質(zhì)條件較差，地下水以及地表水較為豐富，則因此對(duì)實(shí)際施工活動(dòng)的開(kāi)展形成了較大的困難，容易導(dǎo)致塌方問(wèn)題的發(fā)生。為了實(shí)現(xiàn)順利施工，則需要在施工前做好目標(biāo)區(qū)域的充分調(diào)查，做好相關(guān)文件的細(xì)致核實(shí)，具體處理方面，需要先做好洞外工程的處理，如邊、仰坡土石方，邊溝以及天溝等排水工程等，并最好能夠在進(jìn)洞之前修建。通過(guò)該種方式的應(yīng)用，則能夠在確保邊坡穩(wěn)定的前提下順利實(shí)施隧道挖掘作業(yè)。如在雨季施工，通過(guò)該方式的應(yīng)用也能避免雨水沖刷導(dǎo)致洞口塌方。對(duì)于不穩(wěn)定圍巖，可以使用的方式有縮短進(jìn)尺、分割掌子面以及輔助功法等。綜合來(lái)講，在大跨隧道工程建設(shè)當(dāng)中對(duì)施工方式進(jìn)行選擇時(shí)，不僅需要做好現(xiàn)有機(jī)械設(shè)備以及施工技術(shù)的考慮，且需要能夠做好隧道特定形狀的重視，以此為基礎(chǔ)做好開(kāi)挖次序的確定，更好實(shí)現(xiàn)斷面閉合時(shí)間的優(yōu)化以及地層松動(dòng)情況的抑制。

3 大跨隧道的輔助施工方法

在大跨隧道施工當(dāng)中，需要能夠?qū)κ┕ず侠砘约罢谱用娴姆€(wěn)定性做好控制。除了做好基本施工方式的選擇，做好輔助功法的應(yīng)用也是對(duì)上述兩項(xiàng)目標(biāo)良好實(shí)現(xiàn)的重要手段。作為基本施工方式的補(bǔ)充，輔助工法在軟弱圍巖區(qū)域以及隧道洞口區(qū)域具有重要的作用。根據(jù)目前情況，可以將輔助工法分為兩個(gè)類別，即普通輔助工法以及超前支護(hù)，在如今的大跨隧道施工當(dāng)中，超前支護(hù)是需要重點(diǎn)研究的技術(shù)類型。

根據(jù)超前支護(hù)長(zhǎng)度以及構(gòu)造形式，可以將超前支護(hù)分為以下方面：第一，超前加固。如超前錨桿、插板以及注漿錨桿等，通常情況下，超前長(zhǎng)度處于5m以下；第二，管棚。在惡劣條件下，通過(guò)管棚的設(shè)置具有避免地表下沉、防護(hù)地上結(jié)構(gòu)物以及保障開(kāi)挖安全的作用，適合應(yīng)用在硬質(zhì)、軟弱、軟巖以及破碎地層區(qū)域。在實(shí)際布置當(dāng)中，其施工區(qū)間以及管間距同施工區(qū)域地質(zhì)以及地表?xiàng)l件具有密切的聯(lián)系，同時(shí)，插入鋼管的內(nèi)部以及周圍也可以實(shí)現(xiàn)砂漿以及水泥漿材料的壓注，以此保證圍巖能夠同鋼管間密切貼合，以此實(shí)現(xiàn)管棚效果的強(qiáng)化；第三，預(yù)襯砌。如預(yù)切槽法等，其超前長(zhǎng)度通常在5m以內(nèi)；第四，注漿。如圍巖化學(xué)注漿。在對(duì)該技術(shù)實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要在充分把握地質(zhì)條件以及工程情況的基礎(chǔ)上做好注漿壓力、漿液配比以及注漿范圍的確定，并做好拱腳、隧道底部以及拱部注漿質(zhì)量的控制。通過(guò)該方式的應(yīng)用，即能夠?qū)崿F(xiàn)周圍地層的有效改善與加固，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)能力的提升。

4 大跨隧道施工方法的評(píng)述

在具體施工方式適應(yīng)性方面，其主要表現(xiàn)在隧道周邊松弛控制效果、施工方式轉(zhuǎn)化以及掌子面穩(wěn)定性這幾個(gè)方面。綜合來(lái)說(shuō)，對(duì)于不同施工方式，具有以下適應(yīng)性分析：

4.1 上半斷面臺(tái)階法

該方式可以通過(guò)具有較強(qiáng)可靠性超前支護(hù)方式的應(yīng)用對(duì)掌子面的穩(wěn)定性進(jìn)行控制，從對(duì)開(kāi)挖前地層改善角度看來(lái)，通過(guò)超前支護(hù)方式的應(yīng)用，即能夠?qū)绊敺秶乃沙谇闆r做出控制。如果所使用的輔助功法以及超前支護(hù)方式在經(jīng)濟(jì)性以及效果方面存在不足，則可以改為CD法施工。如施工條件利于作業(yè)活動(dòng)開(kāi)展，則能夠在通過(guò)輔助、超前支護(hù)方式的配合應(yīng)用下同不同類型圍巖條件的施工相適應(yīng)，形成有效的支護(hù)體系。

4.2 中壁法

該方式以縱向的方式實(shí)現(xiàn)斷面的分割，能夠?qū)φ谱用娴姆€(wěn)定性做出保證。具體開(kāi)挖斷面方面，同上半斷面相比較小，在及時(shí)支護(hù)的情況下即能夠避免擴(kuò)大隧道松弛范圍。如目標(biāo)區(qū)域地質(zhì)變化較大，則可以通過(guò)CRD、上半斷面臺(tái)階法以及CD法這幾種方式之間的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。在CRD、CD法施工中，中壁拆除這項(xiàng)作業(yè)自身復(fù)雜性較高，且施工條件較大，并不適合使用大型機(jī)械施工。這對(duì)該方式，即屬于大斷面分割施工，適合應(yīng)用在城市地下工程以及大型電站當(dāng)中，在埋深較小情況下， 能夠有效實(shí)現(xiàn)施工安全以及地表沉降情況的控制，適合應(yīng)用在地質(zhì)不良地段。

CRD法是具體施工當(dāng)中對(duì)大斷面施工問(wèn)題進(jìn)行解決的有效方式，其特點(diǎn)即能夠?qū)⒋髷嗝鎸?shí)現(xiàn)向小斷面的轉(zhuǎn)化，對(duì)于每一個(gè)施工階段，其都是一個(gè)完整性較強(qiáng)的受力體系，具有變形小、沉降量以及受力明確的特點(diǎn)。在以該方式施工時(shí)，需要按照管超前、嚴(yán)注漿的原則開(kāi)展施工，在具體施工當(dāng)中做好臺(tái)階長(zhǎng)度的控制，并做好及時(shí)的量測(cè)工作，嚴(yán)格按照量測(cè)信息對(duì)施工進(jìn)尺做好調(diào)整。根據(jù)相關(guān)資料，同CD法相比，CRD能夠更好的降低地表沉降，而CD法同眼睛工法相比沉降量也更小。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)該方式具有以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：第一，CRD法是對(duì)大跨超淺埋結(jié)構(gòu)進(jìn)行解決的有效施工方式；第二，在具體施工中，需要做好臺(tái)階步距的確定，做好不同施工細(xì)節(jié)的認(rèn)真對(duì)待，以此有效實(shí)現(xiàn)土體位移以及地表下沉情況的降低。在超淺埋大跨度情況下，能夠?qū)⑺轿灰瓶刂圃?0mm以內(nèi)，將地表下沉控制在35mm以內(nèi)；第三，在開(kāi)挖階段，橫撐以及臨時(shí)中隔墻是非常重要的支撐構(gòu)件，同時(shí)也是CRD法封閉成環(huán)、化大為小的保證。在結(jié)束初期支護(hù)封閉圍巖后，水平橫撐同中墻作用不大，并且它對(duì)結(jié)構(gòu)位移、支護(hù)內(nèi)力和地層的影響也不大，可將其拆除。

4.3 側(cè)導(dǎo)坑開(kāi)挖法

該方式具有較細(xì)的分割斷面，能夠在實(shí)現(xiàn)隧道松弛范圍控制的基礎(chǔ)上對(duì)保證掌子面的穩(wěn)定性。通過(guò)超前導(dǎo)坑方式的應(yīng)用，一是幫助施工隊(duì)針對(duì)前方地質(zhì)條件進(jìn)行探測(cè)，以便后期針對(duì)不良地質(zhì)狀況提前制定可行的技術(shù)措施。同時(shí)，因該方式所具有的開(kāi)挖斷面較小，當(dāng)使用大型機(jī)械設(shè)備時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用方面則將受到一定的限制。該方式經(jīng)常應(yīng)用在城市地下工程，即應(yīng)用在不良地質(zhì)地段以及對(duì)地表沉降具有嚴(yán)格要求的地段當(dāng)中。在實(shí)際施工當(dāng)中，同中壁法、上半斷面臺(tái)階法在實(shí)際互換方面存在困難，在整個(gè)隧道工程建設(shè)當(dāng)中僅僅對(duì)同一種方式進(jìn)行應(yīng)用，開(kāi)發(fā)效率相對(duì)較低。同時(shí)，該方式施工速度慢、造價(jià)高，當(dāng)施工存在誤差時(shí)，則將使拱架出現(xiàn)難以成整環(huán)的情況，可能因此對(duì)地表下沉至進(jìn)行增加。

根據(jù)上述研究，在實(shí)際開(kāi)挖工作當(dāng)中，需要按照以下順序進(jìn)行：當(dāng)斷面寬度在10m以上時(shí)，需要優(yōu)先做好CD或CRD方式的應(yīng)用，如果條件允許再對(duì)側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行實(shí)踐。如果斷面寬度超過(guò)了10m，就必須采用正臺(tái)階法開(kāi)挖，如果在施工當(dāng)中不能夠較好的控制下沉量，再使用CRD或者CD法。通常來(lái)說(shuō)，其具體施工中，需要在聯(lián)系隧道長(zhǎng)度、地形、地質(zhì)、涌水、斷面形狀等條件對(duì)施工方式進(jìn)行確定。針對(duì)大跨隧道，根據(jù)其斷面形狀扁平特征的存在，在實(shí)際對(duì)施工方式進(jìn)行選擇時(shí)，需要能夠做好以下內(nèi)容的控制：第一，因上部斷面扁平情況的存在，則不能夠?qū)ζ溟L(zhǎng)時(shí)間放置，在開(kāi)挖完成后，需要保證結(jié)構(gòu)能夠盡早閉合；第二，所選擇的施工方式能夠同地形地貌等地質(zhì)條件相適應(yīng)，注意軟巖、斷層帶以及小埋深等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)；第三，是否具有特殊限制條件，如城市工程是否存在地表沉降、排水不通暢等限制因素。有相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示，采用目前的工法和技術(shù)措施施作大跨隧道，隧道水平方向的凈空有增大的趨勢(shì)，直接導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)以及隧道拱頂襯砌受力狀態(tài)失衡。因此，針對(duì)墻腳及隧道兩側(cè)圍巖加強(qiáng)支護(hù)有助于提高軟巖隧道的穩(wěn)定性。另外，若采用不同施工方式施工，即使工程所處的外部環(huán)境不變，但在襯砌結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)以及應(yīng)力分布方面也具有一定的差異，對(duì)此，則需要在實(shí)際施工當(dāng)中做好不同地質(zhì)條件下施工方式的研究。此外，由于大跨隧道在施工過(guò)程中凈空增大，同時(shí)，圍巖應(yīng)力分布不均衡，因此，普通的支護(hù)方式并不適用于大跨軟巖隧道，正確的工法應(yīng)該是長(zhǎng)錨桿支護(hù)技術(shù)、長(zhǎng)導(dǎo)管注漿技術(shù)等。

5 對(duì)軟巖隧道加強(qiáng)監(jiān)控測(cè)量，避免結(jié)構(gòu)變形或襯砌開(kāi)裂

施作軟巖隧道時(shí)，初期支護(hù)的收斂形變大，圍巖穩(wěn)定性差，提前設(shè)置的二次襯砌可能在施工中開(kāi)裂。因此，必須結(jié)合軟巖的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在施工中對(duì)其加強(qiáng)檢測(cè)與控制，要結(jié)合監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)圍巖及支護(hù)體系的穩(wěn)定性及時(shí)進(jìn)行預(yù)判，明確二次襯砌與挖掘掌子面間的間距，保證初期支護(hù)以及二次襯砌的穩(wěn)定性。

依照《地鐵隧道噴錨構(gòu)筑法技術(shù)規(guī)范》TB10108-2002的標(biāo)準(zhǔn)，監(jiān)控量測(cè)必須測(cè)量的內(nèi)容是：洞內(nèi)外測(cè)量、收斂量測(cè)、拱頂下沉量測(cè)以及淺埋隧道地表下沉量測(cè)。凈空收斂根據(jù)圍巖級(jí)別來(lái)設(shè)置，利用收斂計(jì)量測(cè)，拱頂和地表下沉利用水準(zhǔn)儀量測(cè)。

因?yàn)樵诮ㄋ淼朗擒泿r居多，穩(wěn)定情況不佳，形變大，利用小斷面開(kāi)挖并第一時(shí)間進(jìn)行初期支護(hù)以后，變形量依然較大。所以，應(yīng)增強(qiáng)初期支護(hù)的剛度以降低隧道收斂量，提升隧道的穩(wěn)固程度。

6 結(jié)語(yǔ)

軟弱圍巖的抗壓強(qiáng)度一般小于30MPa。開(kāi)挖軟巖隧道，特別是大跨軟巖隧道時(shí)，如果不進(jìn)行有效的超前探測(cè)，施工措施不當(dāng)，施工中就容易出現(xiàn)變形、塌方等工程事故。本文僅僅是宏觀角度介紹了幾種適合大跨軟巖隧道特點(diǎn)的施工方法，但是在實(shí)際施工中由于軟巖隧道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工對(duì)所面臨的情況可能更加復(fù)雜，在實(shí)際工程建設(shè)當(dāng)中，必須充分做好施工區(qū)域地質(zhì)環(huán)境以及工程特點(diǎn)的把握，結(jié)合大跨隧道工程施工特點(diǎn)，以科學(xué)施工方式的選擇與應(yīng)用保障工程建設(shè)質(zhì)量。

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