淺埋大斷面隧道暗挖施工工藝探討

趙克寧

近幾年來，高速公路和高速鐵路往偏遠(yuǎn)山區(qū)的延伸修建，隧道工程的施工已成為交通工程中的工程重點和難點。根據(jù)相關(guān)規(guī)定的需要，其策劃人員及設(shè)計單位會選擇使用隧道來減小行車?yán)@行距離及行車坡度。隧道工程在各個地區(qū)圍巖地質(zhì)不同，埋深不一，安全風(fēng)險大，根據(jù)投資和安全風(fēng)險管理，所以選擇使用的明挖法與暗挖法等施工成為了當(dāng)前所爭論的問題之一。

高速公路隧道或高速鐵路隧道在進(jìn)行開挖施工過程當(dāng)中，隧道高跨比和斷面面積會很大。與單線鐵路或普通公路隧道相比較，淺埋大斷面隧道施工當(dāng)中的安全風(fēng)險管理、施工方法工藝的選擇對施工管理者來說都是棘手的問題。淺埋大斷面隧道暗挖的施工過程一般都會選擇使用多導(dǎo)坑這一方式進(jìn)行分步施工，例如使用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、臺階法、CRD法等技術(shù)施工，這些開挖方法需要根據(jù)隧道洞口的地形及覆蓋層、地質(zhì)因素、水文環(huán)境、氣象因素情況采用，并且其施工的進(jìn)度、成本、是否安全快捷都具有著很大的差異。

一、工程概況

本文以蘭海高速公路當(dāng)中貴州境內(nèi)當(dāng)中貴陽高速公路地段的馬長隧道作為例子并對此工程進(jìn)行了全面的分析與其工藝的探討。該工程的設(shè)計速度是采用了時速為100公里、雙向六輛車道的隧道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。整體隧道長均為752m左右，隧道埋深約為90m。

該隧道主要地質(zhì)為中風(fēng)化白云巖石及中風(fēng)化灰?guī)r石所組成，周圍巖石的級別約至為IV和V的等級范圍，其中IV等級的圍巖大約占整體部分的65%，V等級的圍巖約占整體部分的33%。

二、大斷面施工方法分析

1.模型的計算

模型的計算在這里選擇隧道右面的洞口YK120+260斷面，隧道埋深的米數(shù)約為26m，為了能夠保證隧道內(nèi)水平與豎向的隧道邊界到模型的邊界尺寸大于隧道最大開挖實際尺寸的三倍以上，所計算的模型邊長約為300m，高度為100m，在計算的過程當(dāng)中所選擇的使用材料為彈塑性材料、D-P模型。其計算的模型左右兩邊邊界分別受到水平向的位移所約束，下面部分的邊界受到了豎向位移的約束，地表層設(shè)立為自由邊界。

2.計算參數(shù)

根據(jù)馬林隧道的實際地質(zhì)情況與勘察報告及相關(guān)的設(shè)計文件，模型圍巖力學(xué)的參數(shù)和隧道當(dāng)中支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)如下表：

表1 模型力學(xué)材料參數(shù)詳情

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)詳情

三、模擬方案

由于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法上下臺階法及CRD法等技術(shù)，這些施工方法對于施工的地形以及地質(zhì)環(huán)境因素和相應(yīng)的支護(hù)措施有著不同的要求，并且其施工的速度、成本、是否方便快捷都有著很大的差異。該隧道所使用的施工方案選擇使用CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法及三臺階法這三種施工方式進(jìn)行優(yōu)化比選。

1. 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工

施工人員先進(jìn)行右導(dǎo)洞上臺階的開挖工作，在施工的過程當(dāng)中要全面地做好初期支護(hù)以及臨時支護(hù)等防護(hù)措施。然后在進(jìn)行左導(dǎo)洞上臺階的開挖工作，并且及時做好初期支護(hù)以及臨時支護(hù)等防護(hù)措施。當(dāng)左右導(dǎo)洞的上臺階施工完畢后進(jìn)行開挖左右導(dǎo)洞下臺階并且及時做好初期支護(hù)以及臨時支護(hù)等防護(hù)措施。當(dāng)左右的上下臺階導(dǎo)洞挖好后再進(jìn)行中部導(dǎo)洞的上下臺階的施工，步驟與之前相同。最后由施工人員拆除臨時支護(hù)，并進(jìn)行澆筑整體的二次襯砌。

2.CRD法施工

由施工人員先進(jìn)行左導(dǎo)坑的上臺階進(jìn)行開挖完工后進(jìn)行上臺階的初期支護(hù)以及臨時支護(hù)，然后進(jìn)行右導(dǎo)洞上臺階的開挖工程步驟，在施工的過程當(dāng)中做好初期支護(hù)以及臨時支護(hù)等防護(hù)措施。當(dāng)左右導(dǎo)洞上方臺階施工完畢后進(jìn)行左右下方導(dǎo)坑臺階的開挖施工，步驟與之前相同。最后由施工人員拆除臨時支護(hù)，并進(jìn)行澆筑整體的二次襯砌，很明顯CRD施工法比雙側(cè)壁導(dǎo)坑法節(jié)省了很多程序并且其施工的工期也大大的縮短。

3.三臺階法施工

施工人員先進(jìn)行上臺階的開挖工程，該步驟結(jié)束后由施工人員進(jìn)行上部臺階的初期支護(hù)以及臨時支護(hù)的技術(shù)操作。上部分臺階施工結(jié)束后進(jìn)行中間部分臺階的開挖過程，該步驟結(jié)束后工作人員進(jìn)行中部臺階的初期支護(hù)以及臨時支護(hù)的技術(shù)操作。中部臺階施工結(jié)束后進(jìn)行下臺階部分的開挖過程，該步驟結(jié)束后工作人員進(jìn)行下部臺階的初期支護(hù)以及臨時支護(hù)的技術(shù)操作。最后由相關(guān)施工人員進(jìn)行將拆除臨時支護(hù)完成后澆筑整體的二次襯砌。

四、模擬計算結(jié)果

1.圍巖應(yīng)力測試

在這三種施工方法當(dāng)中，隧道自身的周圍巖應(yīng)力最大數(shù)值在拱腰的位置，最小值的位置在拱頂?shù)奈恢?，仰拱位置發(fā)生了拉應(yīng)力這一現(xiàn)象。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法均比其他兩種方式的圍巖應(yīng)力值較大，在隧道的拱底拉應(yīng)力的分布位置雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工法出現(xiàn)的數(shù)值最小，其數(shù)值為10Kpa，大約為CRD施工法的三分之一。是三臺階法的八分之一。由此可見雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工方法可以充分的體現(xiàn)出圍巖的承載能力，并且對于隧道自身的圍巖受力調(diào)整非常有利，其中在隧道的拱頂部位雙側(cè)壁導(dǎo)坑這一施工方式的應(yīng)力達(dá)到了780Kpa，是CRD施工法的1.73倍左右，是三臺階施工法的1.42倍左右。有效地避免了出現(xiàn)拉應(yīng)力所在區(qū)域及大幅度地減弱了拉應(yīng)力的程度，從而提高了隧道自身結(jié)構(gòu)的安全性。

2.初期支護(hù)內(nèi)力

在隧道的拱頂部位，初期的襯砌結(jié)構(gòu)軸力的最小數(shù)值主要分布在隧道內(nèi)部仰拱與拱頂部位。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法最小軸力數(shù)值主要分布為兩個臨時支護(hù)件，其軸力的平均數(shù)值大約為700kN，CRD施工法受到整體施工過程當(dāng)中的臨時支護(hù)端部效應(yīng)所影響，最小軸力值在臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)與初襯鏈接的位置。同時，受到施工順序的一定影響，但雙側(cè)壁導(dǎo)坑當(dāng)中完全不存在這種情況的發(fā)生。

由此可見，由于隧道的圍巖應(yīng)力釋放與隧道當(dāng)中施工人員進(jìn)行開挖的面積產(chǎn)生了直接的關(guān)系，在大斷面隧道的施工過程當(dāng)中，隧道的分布開挖使其周圍巖石應(yīng)力需要進(jìn)行多次釋放。因此，對于隧道內(nèi)部襯砌的結(jié)構(gòu)而言，內(nèi)部側(cè)壁的受力更加有利于進(jìn)行調(diào)整，除此之外雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工法能夠有效地避免因為施工順序而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)不均勻所引發(fā)的裂縫現(xiàn)象，這樣更加有利于隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力的均衡。

五、結(jié)語

綜上所述，通過蓋茨測試與全面分析所了解到，初期支護(hù)與襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定變形等情況得到了良好的控制，通過不同的施工方式手段其中所存在的利弊顯而易見。在今后的施工過程當(dāng)中相關(guān)管理工作人員要擇優(yōu)處理選擇其技術(shù)方法，這樣不僅可以有效提高施工的效率還能夠保證施工的安全性。