市政淺埋大跨度隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑優(yōu)化研究

吳明學(xué)

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工主要運(yùn)用于Ⅳ、Ⅴ級(jí)軟弱圍巖，淺埋大跨度隧道。優(yōu)先采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑理論上提高了安全性、可靠性，但該工法工序繁瑣，工序銜接較多，限制性較多，造成質(zhì)量、安全的不可控、不利因素也隨之增加，同時(shí)經(jīng)濟(jì)性及施工效率遠(yuǎn)比其他工法差得多。如何安全、優(yōu)質(zhì)、高效完成市政淺埋大跨度隧道施工，是值得不斷優(yōu)化、總結(jié)、探索與研究的問題。

1 案例概述

柳州安泰路Ⅱ標(biāo)項(xiàng)目位于柳州市柳東新區(qū)江濱居住生活區(qū)，南接安泰路Ⅰ標(biāo)，北至官塘大道，道路長(zhǎng)度約為1.020 km。道路等級(jí)為城市主干路，道路紅線寬度為45 m，雙向六車道，采用四幅布置。隧道A線長(zhǎng)290 m：K5+470～AK5+760(明洞50 m)，隧道B線長(zhǎng)270：BK5+475～BK5+745(明洞45 m)；隧道凈寬17.24 m(開挖寬19.5 m)，凈高8.9 m(開挖高13.0 m)，凈距13.7～18.3 m，埋深12～45 m。該隧道中間高兩頭低，全部為Ⅴ級(jí)圍巖，主要為泥質(zhì)粉砂巖XS-Va、斷層破碎帶XS-Vb、硬塑狀黏土XS-Vc。該隧道設(shè)計(jì)采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，設(shè)置臨時(shí)仰拱，預(yù)留變形量20 cm。

2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工原理、優(yōu)勢(shì)與不足

施工原理：利用臨時(shí)支護(hù)把掌子面分為左、中、右三個(gè)導(dǎo)洞，左右每個(gè)導(dǎo)洞利用臨時(shí)仰拱又分為上下導(dǎo)坑，中間導(dǎo)坑分為上、中、下三導(dǎo)坑(也可以根據(jù)隧道施工高度分為上下兩個(gè)導(dǎo)坑)。施工順序按照先左導(dǎo)洞(右導(dǎo)洞)上下導(dǎo)坑，再到右導(dǎo)洞(左導(dǎo)洞)上下導(dǎo)坑，最后到中導(dǎo)洞上中下導(dǎo)坑，循環(huán)漸進(jìn)開挖支護(hù)，循環(huán)漸進(jìn)過程需控制好各導(dǎo)洞安全步距及仰拱、二襯與掌子面安全步距。導(dǎo)坑尺寸要設(shè)計(jì)合理，各導(dǎo)坑開挖步距要符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，以開挖一側(cè)導(dǎo)坑所引起的圍巖應(yīng)力重分布的影響不致波及另一側(cè)已成導(dǎo)坑為原則[1]。詳見圖1。

圖1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法施工示意圖

優(yōu)勢(shì)：(1)利用臨時(shí)支護(hù)及臨時(shí)仰拱把大斷面隧道分為幾個(gè)小導(dǎo)洞，各個(gè)小導(dǎo)洞及時(shí)閉合成環(huán)受力，能有效控制沉降變形，地表沉陷僅為短臺(tái)階法(10～15 m)的1/2；(2)在淺埋、大跨度、軟弱圍巖隧道優(yōu)先采用。

不足：(1)臨時(shí)支護(hù)及臨時(shí)仰拱綜合利用率低，左右導(dǎo)洞下臺(tái)階施工完成后需要回填洞渣作為棧橋搭設(shè)平臺(tái)和便道，后期又需要挖除，增加造價(jià)；(2)導(dǎo)洞增多，斷面變小，無法使用常規(guī)大型機(jī)械設(shè)備，效率低；(3)導(dǎo)洞接頭增加，接頭板連接處受沉降變形收斂影響質(zhì)量控制難度大，存在連接不嚴(yán)密、線形不順等問題，處理不當(dāng)易引發(fā)安全質(zhì)量問題；(4)臨時(shí)仰拱、臨時(shí)支護(hù)拆除過程中受力體系多次變化，不可控因素較多，安全風(fēng)險(xiǎn)高；(5)臨時(shí)仰拱施工在使用大型設(shè)備時(shí)易產(chǎn)生破壞變形，對(duì)與之連接的臨時(shí)支護(hù)及初期支護(hù)形成拉力，對(duì)初期支護(hù)穩(wěn)定不利，同時(shí)無法適用目前市場(chǎng)的常規(guī)先進(jìn)掘進(jìn)設(shè)備，達(dá)不到機(jī)械化減人目的，施工作業(yè)以人工為主，安全風(fēng)險(xiǎn)性較大。

3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法優(yōu)化思路及技術(shù)控制

工法優(yōu)化思路：雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法整體拱架閉合時(shí)間跨度長(zhǎng)，左右導(dǎo)洞沉降變形導(dǎo)致中導(dǎo)洞拱架閉合質(zhì)量差，主要原因?yàn)榕R時(shí)仰拱及臨時(shí)支護(hù)制約了施工工序銜接。安泰路隧道最大埋深為45 m，為淺埋大跨度隧道，地應(yīng)力較小(≤2 MPa)，但開挖跨度為19.5 m，開挖高度為13.0 m，圍巖應(yīng)力分布為拱肩至墻腳應(yīng)力最大，其次為拱頂，底部的應(yīng)力最小[2]，因此，重點(diǎn)需要控制拱腰和拱腳處受力變形，保證支護(hù)和圍巖穩(wěn)定。結(jié)合安泰路隧道實(shí)際情況及工法特點(diǎn)，綜合考慮質(zhì)量、安全、進(jìn)度因素，決定取消臨時(shí)仰拱，增加左右導(dǎo)洞上導(dǎo)坑拱腰處每榀拱架2根2.5 m長(zhǎng)鎖腰錨桿，鎖腳錨桿直徑由原設(shè)計(jì)φ50 mm增加到φ60 mm，長(zhǎng)度由原設(shè)計(jì)3.5 m增加到4.0 m，以控制沉降變形收斂；取消下導(dǎo)坑臨時(shí)支護(hù)，在上導(dǎo)坑臨時(shí)支護(hù)落腳處每側(cè)保留3 m寬原狀土及增加厚木板支墊拱架底部控制沉降變形收斂；上臺(tái)階左中右(1、2、3)導(dǎo)坑循環(huán)開挖閉合拱架，下臺(tái)階(4、5)導(dǎo)坑循環(huán)開挖支護(hù)落腳，仰拱施工緊跟臨時(shí)支護(hù)拆除及7導(dǎo)坑開挖?？傮w優(yōu)化為上臺(tái)階雙側(cè)壁的兩臺(tái)階七部開挖工法，優(yōu)化施工圖如圖2所示。

圖2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法優(yōu)化示意圖(mm)

工法優(yōu)化技術(shù)控制：

(1)地質(zhì)勘察報(bào)告及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)顯示無不良地質(zhì)，隧道埋深≥2 D(D為隧道跨度)時(shí)采用第三方監(jiān)控量測(cè)單位檢測(cè)并收集沉降變形等數(shù)據(jù)，滿足趨于穩(wěn)定時(shí)累計(jì)沉降變形在設(shè)計(jì)預(yù)留變形量的1/4～1/3內(nèi)且日沉降變形均≤5 mm/d條件，必要時(shí)可邀請(qǐng)專家組討論通過。安泰路隧道超前地質(zhì)報(bào)告顯示無不良地質(zhì)，中部約80 m長(zhǎng)度達(dá)到埋深要求，滿足優(yōu)化條件，同時(shí)監(jiān)控量測(cè)滿足設(shè)計(jì)變形要求。

(2)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整控制上臺(tái)階開挖高度占總開挖高度的0.5～0.6，拱腳處初期支護(hù)拱架呈豎直狀態(tài)，有利于拱架整體受力，減少收斂變形，同時(shí)，有利于上臺(tái)階各導(dǎo)坑機(jī)械施工有足夠的安全施工空間。

(3)取消臨時(shí)仰拱及下導(dǎo)坑臨時(shí)支護(hù)，利用大型機(jī)械施工提高施工效率，輔以增加鎖腰錨桿、加大上臺(tái)階臨時(shí)支護(hù)底部鋼板及增加支墊木板、加大鎖腳錨桿直徑及加長(zhǎng)錨桿，縮短整體初期支護(hù)閉合時(shí)間，提高拱架閉合質(zhì)量。同時(shí)，仰拱閉合緊貼臨時(shí)仰拱拆除，如有必要采取導(dǎo)洞拱頂增加剛性連接等措施進(jìn)行沉降變形控制。

(4)合理控制開挖工序，遵循“短開挖，勤量測(cè)，早封閉”施工原則，左(5)右(4)下導(dǎo)洞錯(cuò)開落腳并超前需要拆除臨時(shí)支護(hù)3～5 m后，結(jié)合監(jiān)控進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)拆除及仰拱閉合施工(每循環(huán)進(jìn)尺控制3榀，拆除臨時(shí)支護(hù)及仰拱閉合需要加密觀測(cè)點(diǎn)及加密觀測(cè))，每循環(huán)仰拱鋼筋混凝土澆筑控制在5～6 m內(nèi)，確保初期支護(hù)及時(shí)受力控制沉降變形。

(5)嚴(yán)格落實(shí)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及監(jiān)控量測(cè)指導(dǎo)施工：隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)為詳細(xì)勘察資料進(jìn)一步細(xì)化，為施工提供詳細(xì)指導(dǎo)，避免施工過程發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。隧道監(jiān)控量測(cè)作為隧道施工不可或缺的工序，必須納入施工工序管理，必測(cè)項(xiàng)嚴(yán)格按照要求執(zhí)行。如果位移的變化隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而趨于減小，說明該處圍巖處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，支護(hù)系統(tǒng)是可靠而有效的，如圖3所示中的正常曲線[3]，反之則為圖3中的非正常曲線。

圖3 時(shí)間-位移曲線圖

監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常應(yīng)及時(shí)上報(bào)，若出現(xiàn)初支嚴(yán)重開裂或有異響必須馬上組織人員撤離。通過監(jiān)控得知，導(dǎo)坑的下臺(tái)階施工和臨時(shí)支護(hù)拆除時(shí)受力均有較大變化，沉降變形也有一個(gè)拐點(diǎn)，必須注重臨時(shí)支護(hù)拆除時(shí)的監(jiān)控量測(cè)及安全防護(hù)工作。拆除臨時(shí)支護(hù)時(shí)，需以監(jiān)控量測(cè)的數(shù)據(jù)為參考依據(jù)[4]，做好相關(guān)安全保障措施及應(yīng)急措施。

安泰路隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法優(yōu)化沉降變形收斂可控，沉降變形80%在10 cm內(nèi)(設(shè)計(jì)預(yù)留變形量20 cm)，小部分在10～13 cm，整體可控，施工效率提升了約1/3，成本略有增加。

4 雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工優(yōu)化意見及建議

(1)通過優(yōu)化超前支護(hù)形式確保掌子面開挖安全穩(wěn)定，例如加大、加長(zhǎng)超前小導(dǎo)管，或者調(diào)整為10～20 mφ108 mm管棚加3.5 mφ50 mm小導(dǎo)管形式，同時(shí)在土質(zhì)圍巖慎用注漿加固等措施，可采取管內(nèi)預(yù)先注漿形式。

(2)雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工因中導(dǎo)坑爆破對(duì)臨時(shí)支護(hù)的破壞極大，因此盡量不采用爆破施工，必要時(shí)可采用弱爆破及控制爆破，增加水袋等措施減少爆破破壞。同時(shí)，爆破時(shí)對(duì)臨時(shí)支護(hù)采取便攜式臨時(shí)橫撐等加固措施。

(3)雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工進(jìn)尺為各施工工法中最慢的，石質(zhì)圍巖(爆破施工)0.6～0.8 m/d，土質(zhì)圍巖0.8～1.0 m/d。對(duì)此，制定合同工期要合理，避免以質(zhì)量及安全

作為趕工代價(jià)。

(4)深埋隧道地應(yīng)力較大產(chǎn)生軟巖大變形時(shí)可采取恒阻力預(yù)應(yīng)力錨索NPR等措施代替常規(guī)系統(tǒng)錨桿進(jìn)行沉降變形控制，避免因雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法使導(dǎo)坑空間受限而無法按照設(shè)計(jì)進(jìn)行施工所帶來的安全質(zhì)量隱患。

5 結(jié)語

針對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工組織難度大、質(zhì)量控制要點(diǎn)多及安全防控要求高的特點(diǎn)，需要做好管理力量、技術(shù)力量支撐及運(yùn)用機(jī)械化、信息化作為支持，用科學(xué)的管理、先進(jìn)的設(shè)備指導(dǎo)和優(yōu)化施工。