軟弱圍巖隧道頂弧側(cè)壁施工工法

鄒 鑫 茍明中

1 前言

隧道受外力作用不確定因素多，應(yīng)力復(fù)雜，特別是處于Ⅴ級圍巖，淺埋、偏壓、水飽和地帶，地貌多為山麓堆積體，地質(zhì)變化復(fù)雜。設(shè)計(jì)往往所采用的加強(qiáng)措施為:降低一級圍巖級別進(jìn)行設(shè)計(jì)。為保證施工過程中隧道的縱向穩(wěn)定，往往采用長管棚，以達(dá)到加強(qiáng)初支結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性。現(xiàn)階段對于大斷面隧道、洞口地段及軟弱圍巖隧道的主要施工工法分別為:CRD(交叉中隔墻法)、CD(中隔墻法)、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法(眼鏡法)。三種方法的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

根據(jù)表1比較可以看出目前大跨隧道采用的施工工法普遍存在施工進(jìn)度較慢、技術(shù)要求較高、投資較高等缺點(diǎn)。結(jié)合各種工法優(yōu)缺點(diǎn)并結(jié)合工程實(shí)例在隧道特殊段施工提出“頂弧側(cè)壁工法”。

表1 各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)

2 頂弧側(cè)壁工法原理

以臺階法及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法為基礎(chǔ)，利用圓心起拱線處正壓力和側(cè)壓力基本平衡。上部①，②緊隨施工封閉成環(huán)時(shí)間短，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在頂弧側(cè)壁初支保護(hù)和大核心土橫撐作用及平衡反向壓力的情況下，施作下部③，④，使洞身短時(shí)間內(nèi)全圓封閉成環(huán)。緊隨施工仰拱混凝土和填充混凝土，增強(qiáng)洞身穩(wěn)定，適時(shí)施作拱墻模筑混凝土襯砌，使隧道形成整體結(jié)構(gòu)(見圖1)。

3 頂弧側(cè)壁工法施工步驟

采用“頂弧側(cè)壁”工法施工的步驟如下:1)按三步臺階進(jìn)行:a.頂部弧形導(dǎo)坑。b.邊墻至仰拱底側(cè)導(dǎo)開挖，每臺階步距2.5 m～3.0 m平行推進(jìn)。c.架設(shè)側(cè)壁導(dǎo)坑臨時(shí)支撐。2)隨著弧形導(dǎo)坑和兩側(cè)側(cè)壁導(dǎo)坑平行的向前推進(jìn)，視仰拱地質(zhì)情況進(jìn)行仰拱基底開挖。可按2 m一成環(huán)，6 m一回頭施作仰拱型鋼噴混凝土初期支護(hù)、襯砌混凝土和填充混凝土，以增大洞身的穩(wěn)定性。3)當(dāng)三臺階基底出現(xiàn)基巖，墻腳鎖腳錨桿插入基巖時(shí)，視具體情況可不設(shè)第三臺階側(cè)壁臨時(shí)支撐。但鎖腳錨桿必須加強(qiáng)，且核心土側(cè)邊坡必須穩(wěn)定，防止核心土塌陷，確保施工安全。4)兩側(cè)側(cè)壁導(dǎo)坑開挖，隨著型鋼鋼架基腳基巖向上延伸，視具體情況，可取消側(cè)壁臨時(shí)支撐，采用留大核心上、下臺階法開挖。以便簡化工序，加快施工速度。5)當(dāng)兩側(cè)邊墻腳型鋼支撐達(dá)仰拱底，且錨桿插入中風(fēng)化層，可視為已形成閉合環(huán)。后部核心土及核心仰拱開挖，距離可適當(dāng)拉長，亦可采用半側(cè)開挖封閉。6)如隧底仰拱達(dá)微風(fēng)化，未風(fēng)化地層，可取消仰拱僅作隧底鋪底混凝土。

4 頂弧側(cè)壁工法特點(diǎn)及工序轉(zhuǎn)換

1)當(dāng)洞口長管棚施作完畢，管棚強(qiáng)度達(dá)80%以上，即可進(jìn)行洞口施工，洞口首次開挖頂部弧形導(dǎo)坑弧形槽挖高度為2.0 m，縱向槽挖長度達(dá)L=0.8H+6.0 m。2)因洞口段埋深很薄，敷設(shè)環(huán)狀徑向錨桿作用不大，且鋼架距長管棚鋼管很近，可掏現(xiàn)長管棚，用鋼筋將鋼架與長管棚鋼管牢固焊接，掛網(wǎng)噴混凝土，使初支和長管棚構(gòu)成組合受力結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)管棚整體承載能力。3)采取一榀一挖，緊跟型鋼、網(wǎng)噴混凝土，及時(shí)封閉，但必須注意型鋼支撐基底地層的承載力，其基底必須硬實(shí)，不得松軟、虛空，一般基底地層承載力大于0.25 MPa。4)應(yīng)加強(qiáng)鎖腳錨桿的鎖定作用，設(shè)對應(yīng)扣拉錨桿，確保拱墻腳處型鋼架處應(yīng)力分散在周邊圍巖內(nèi)，強(qiáng)化噴混凝土質(zhì)量，確保噴混凝土與圍巖緊密咬合，初支與圍巖不得有空隙和空洞，否則作注漿處理。5)當(dāng)頂部弧形導(dǎo)坑開挖達(dá)到0.8H+6.0 m長度后，停止上一臺階施工，對稱進(jìn)行二臺階開挖，直達(dá)一臺階開挖面2.5 m～3.0 m，寬度為2.0 m～2.5 m，側(cè)導(dǎo)底達(dá)洞身最大寬度處同樣作擴(kuò)大拱墻腳，加強(qiáng)錨腳錨桿并注意核心土邊坡的穩(wěn)定。6)對稱開挖第三臺階，側(cè)壁導(dǎo)洞寬度為2.0 m，基底達(dá)仰拱底標(biāo)高面，加強(qiáng)鎖腳錨桿錨鎖。7)平行清挖核心土，注意核心土縱向邊坡的穩(wěn)定性以確保施工安全。8)進(jìn)行仰拱基底清挖，及時(shí)施作仰拱初期支護(hù)3 m～6 m，形成初支閉合環(huán)。

5 頂弧側(cè)壁工法關(guān)鍵點(diǎn)的控制

1)開挖斷面輪廓必須嚴(yán)格控制，宜采用斷面儀精確放線。2)Ⅴ級圍巖下沉變形規(guī)律為σ=0.8%×B。3)盡量采用人工配合風(fēng)鎬修挖，如必須使用爆破時(shí)，應(yīng)采用短進(jìn)尺，光面弱爆破。4)型鋼加工必須準(zhǔn)確，安裝時(shí)連接板、連接螺絲必須緊實(shí)，密貼。系統(tǒng)錨桿，超前小導(dǎo)管施工工藝必須細(xì)致到位。5)網(wǎng)噴混凝土，應(yīng)從下至上，垂直巖面噴射，小螺旋前進(jìn)，分層噴護(hù)。6)必須確保初期支護(hù)，型鋼基腳的整體堅(jiān)實(shí)。7)必須加強(qiáng)拱墻腳部位的鎖腳錨桿的錨固強(qiáng)度，確保鋼架支撐的穩(wěn)定。8)加強(qiáng)拱頂下沉觀測和收斂量測反饋，調(diào)整預(yù)留沉落量，修訂支護(hù)參數(shù)。9)“及時(shí)封閉，盡早成環(huán)”，作為“頂弧側(cè)壁”工法施工的指導(dǎo)原則。

6 頂弧側(cè)壁工法優(yōu)點(diǎn)

“頂弧側(cè)壁”工法是應(yīng)用巖土力學(xué)理論，以維護(hù)圍巖本身的自承載能力為基點(diǎn)。采用必要的加固手段，在柔性變形的允許范圍內(nèi)，變雙側(cè)壁施工法對圍巖進(jìn)行被動維護(hù)為“頂弧側(cè)壁”工法對圍巖進(jìn)行主動維護(hù)。采用順作法施工，確保了施工的可操作性，因而達(dá)到了目標(biāo)的最大化。

1)頂弧開挖空間適宜，有利于開挖斷面控制;2)鋼架設(shè)置為順作法施工，節(jié)點(diǎn)連接可操作性強(qiáng)，連接堅(jiān)固、密實(shí)，臨時(shí)支撐拆除變形小;3)開挖面縱向穩(wěn)定、整體封閉、剛度、強(qiáng)度能夠保證;4)整體封閉成環(huán)時(shí)間短，成環(huán)時(shí)間僅為雙側(cè)壁法成環(huán)時(shí)間的1/4;5)弧形、側(cè)壁為順作法施工，變形規(guī)律性強(qiáng)，易于開挖控制掌控。總下沉比雙側(cè)壁小30%～40%;6)圍巖變化，施工方法和工序轉(zhuǎn)換便捷;7)施工快速:“頂弧側(cè)壁”工法的速度是雙側(cè)壁法的4倍。

7 頂弧側(cè)壁工法適用條件

在軟弱圍巖隧道Ⅴ級、Ⅴ級圍巖帶，采用大管棚、小導(dǎo)管和雙層小導(dǎo)管超前支護(hù)的雙線、三線以及四線隧道。原采用CD(中隔墻法)、CRD(交叉中隔墻法)、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，均適宜用“頂弧側(cè)壁工法”施工。但必須指出:初期支護(hù)的拱墻腳基礎(chǔ)必須干燥、硬實(shí)，不得松軟、虛空。否則必須進(jìn)行注漿加固止水處理，使地基承載力大于0.25 MPa。并作擴(kuò)大基礎(chǔ)，采用對扣錨桿，強(qiáng)化對初支的錨固作用。

在極淺埋隧道，洞頂有動荷載，特別是大型動荷載處要慎用，并采取特殊可靠措施后方能采用。

[1] 王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論[Z].2000.

[2] 詹 輝，王桂玲.大跨徑隧道淺埋段施工技術(shù)[J].山西建筑，2009，35(8):315-316.