超大斷面軟巖隧道施工新技術(shù)

苗增潤

（中鐵十三局集團(tuán)第二工程有限公司廣東深圳518083）

1.前言

為適應(yīng)我國經(jīng)濟(jì)和社會的快速發(fā)展，緩解運(yùn)輸能力緊張、實(shí)現(xiàn)大能力快速運(yùn)輸，減少環(huán)境破壞，進(jìn)入二十一世紀(jì)后我國鐵路建設(shè)高速發(fā)展。時(shí)速200km及以上的客貨共線鐵路、250km/h城際鐵路、350km/h客運(yùn)專線大量修建，部分已投入運(yùn)營。經(jīng)過多年的探索、實(shí)踐、科研攻關(guān)，我國鐵路修建技術(shù)在設(shè)計(jì)理念、施工工藝、技術(shù)裝備等多個(gè)方面取得了重大突破和長足發(fā)展。隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的繼續(xù)推進(jìn)，受西南山區(qū)地形、地質(zhì)條件限制，在建及擬建的大部分鐵路線路中，隧道比重占線路總長的50%以上，部分段落隧道比重達(dá)90%以上，大量車站不得不伸入隧道內(nèi)，由于已建成的基本為單線鐵路，車站隧道大部分以雙線車站為主，部分為三線車站。近年來隨著路網(wǎng)建設(shè)向山區(qū)發(fā)展，由于受曲線半徑大、地形地質(zhì)條件復(fù)雜、環(huán)保要求高等多種因素的制約，鐵路沿線部分地段設(shè)站條件極為困難，由于鐵路標(biāo)準(zhǔn)為雙線，四線車站隧道不可避免。

2.工程概況

改建鐵路貴陽至昆明線六盤水至沾益段烏蒙山二號隧道，位于云貴高原中東部，行進(jìn)于烏蒙山區(qū)長江、珠江兩大水系的分水嶺地帶，線路起訖里程為DK276+090～DK288+350，隧道全長12.26km，單洞雙線，設(shè)計(jì)時(shí)速160Km，通行雙層集裝箱，根據(jù)運(yùn)能要求，并受地形限制，車站伸入烏蒙山二號隧道出口段， DK287+812～DK288+350段為四線隧道，長538m，最大開挖寬度達(dá)28.42m，最大開挖面積為354.3m2，其開挖跨度、面積均為目前采用暗挖法修建的軟巖單跨交通隧道世界之最。

3.“三階段法”修建理念

鑒于鐵路車站隧道一般位于隧道進(jìn)出口，從地形地貌上來說經(jīng)歷了洞口段、淺埋段、深埋段等具有不同開挖力學(xué)特征的階段，地形由淺到深，地質(zhì)由壞到好。因此，提出“三階段法”（洞口段、淺埋段、深埋段）超大斷面隧道修建技術(shù)，適應(yīng)性強(qiáng)，具有普遍規(guī)律，值得研究、總結(jié)和規(guī)范、推廣。烏蒙山二號隧道四線車站段就是采用了“三階段法”進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工。

3.1 洞口段施工技術(shù)

烏蒙山二號隧道出口，采用了錨索框架梁加固仰坡，雙層大管棚超前支護(hù)，復(fù)合雙側(cè)壁開挖的方式進(jìn)洞。錨索框架梁內(nèi)進(jìn)行了人工植被恢復(fù)，體現(xiàn)生態(tài)環(huán)保要求。

圖1 錨索框架梁內(nèi)植被恢復(fù)

圖2 淺埋段工法示意圖

3.2 淺埋段復(fù)合雙側(cè)壁撐索轉(zhuǎn)換工法

淺埋段長110m，其中隧道口40m設(shè)置超前大管棚。根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，經(jīng)過對淺埋段3種開挖工法的圍巖變形、應(yīng)力和襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的綜合比較，認(rèn)為圖2所示工法為最優(yōu)工法。

在此基礎(chǔ)上，對此工法適當(dāng)進(jìn)行了改進(jìn)、優(yōu)化：（1）分析得出拱部開挖順序采用“先兩邊后中間”；（2）考慮到防水要求及今后易于維修，確定下雙側(cè)壁導(dǎo)坑高度宜為8.5m左右；（3）考慮到地基承載力和隧道結(jié)構(gòu)沉降問題，將淺埋段邊墻二襯設(shè)計(jì)成大拱座形式；（4）大膽嘗試以“外錨”代替“內(nèi)撐”的措施，減小甚至消除拆撐帶來的支護(hù)體系受力轉(zhuǎn)換風(fēng)險(xiǎn)，確保圍巖穩(wěn)定和初支安全。

圖3 施工工序及支護(hù)

經(jīng)過上述工法比選及優(yōu)化改進(jìn)，最終確定淺埋段的實(shí)施工法如圖3。施工工序?yàn)椋海?）開挖兩側(cè)底部拱腳雙側(cè)壁導(dǎo)洞并在導(dǎo)洞內(nèi)施工大拱座混凝土；（2）開挖拱部兩側(cè)雙側(cè)壁導(dǎo)洞并將兩側(cè)拱部初期支護(hù)的底腳置于大拱座之上；（3）開挖拱部中間部分并將拱部中間部分的初期支護(hù)與拱部兩側(cè)的初期支護(hù)連接；（4）進(jìn)行拱部錨索施工并張拉后拆除拱部臨時(shí)支撐，（5）進(jìn)行拱部二襯混凝土施工，并與大拱座連接；（6）進(jìn)行中下部核心土集中大方量開挖，最后形成仰拱和填充。該工法是對新奧法理念的靈活應(yīng)用。圖4為淺埋段現(xiàn)場施工圖片。

圖4 淺埋段施工的現(xiàn)場圖片

3.3 深埋段三臺階以索代撐工法

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，經(jīng)過對深埋段5種開挖工法的圍巖變形、應(yīng)力和襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的綜合比較，認(rèn)為圖5所示工法為最優(yōu)工法。

圖5 深埋段工法示意圖

在此基礎(chǔ)上，對工法Ⅷ進(jìn)行改進(jìn)、優(yōu)化：（1）采用以“外錨”替換“內(nèi)撐”技術(shù)來減小拆撐帶來的風(fēng)險(xiǎn)是非常有必要的。同時(shí)，在信息化施工的前提下，考慮步子再邁大一點(diǎn)，嘗試直接取消橫撐，以索代撐，臺階開挖；（2）盡管在上臺階施工時(shí)不取消臨時(shí)豎撐，但是在后續(xù)臺階施工時(shí)，借助預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)，可以提前拆除臨時(shí)豎撐而不必落底；（3）有了預(yù)應(yīng)力錨索對噴錨結(jié)構(gòu)所形成承載拱的減跨作用（本研究將其定義為“索拱聯(lián)合支護(hù)”）后，開挖部可以根據(jù)需要適當(dāng)調(diào)整。

經(jīng)過上述工法比選及優(yōu)化改進(jìn)，最終確定深埋段的實(shí)施工法如圖6。施工工序?yàn)椋海?）開挖拱部兩側(cè)雙側(cè)壁導(dǎo)洞；（2）開挖拱部中間部分并將拱部中間部分的初期支護(hù)與拱部兩側(cè)的初期支護(hù)連接；（3）進(jìn)行拱部錨索施工并張拉后拆除拱部臨時(shí)支撐；（4）進(jìn)行拱部底腳錨索施工（代替橫撐）并張拉后形成拱部索拱聯(lián)合支護(hù)（跨度21.6m，高度6.9m，此時(shí)內(nèi)部無撐）；（5）分左右兩側(cè)進(jìn)行二臺階施工（高度5.9m）并形成兩側(cè)邊墻上部初期支護(hù)；（6）進(jìn)行二臺階底腳錨索施工（代替橫撐）并張拉；（7）分左右兩側(cè)進(jìn)行三臺階施工（高度2.9m）并形成兩側(cè)邊墻下部初期支護(hù)，最后形成仰拱和填充。

圖6 施工工序及支護(hù)

施工過程中，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對該工法進(jìn)行了進(jìn)一步簡化，取消了下臺階的橫向錨索，減少了替換豎撐的錨索根數(shù)。

相應(yīng)的深埋段現(xiàn)場施工圖片如圖7。

圖7 深埋段施工的現(xiàn)場圖片

4.撐索轉(zhuǎn)換減小拆撐風(fēng)險(xiǎn)施工技術(shù)

撐索轉(zhuǎn)換就是在拆除隧道內(nèi)臨時(shí)支撐之前，在臨時(shí)支撐與支護(hù)結(jié)構(gòu)的連接點(diǎn)附近施工預(yù)應(yīng)力錨索，通過預(yù)應(yīng)力錨索的張拉，將本應(yīng)由臨時(shí)支撐承受的力主動的轉(zhuǎn)換到錨索上來，此時(shí),臨時(shí)支撐受力大大降低或消失，從而降低或消除拆撐風(fēng)險(xiǎn)，突破了傳統(tǒng)軟巖隧道施工中拆撐步長、跳拆等的限制，使得拆撐容易且安全，具有較高的靈活性。

4.1 施工工藝流程

施工工藝流程如下：

隧道掘進(jìn)施工—>初期支護(hù)及臨時(shí)支撐施工（鋼架應(yīng)變計(jì)安裝）—>臨時(shí)支撐受力監(jiān)測—>預(yù)應(yīng)力錨索施工—>錨索張拉—>臨時(shí)支撐受力監(jiān)測—>錨索鎖定或二次張拉后鎖定—>拆除臨時(shí)支撐—>下循環(huán)施工。

4.2 撐索轉(zhuǎn)換關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)

撐索轉(zhuǎn)換的實(shí)施也就是通過錨索張拉，體系受力由臨時(shí)支撐轉(zhuǎn)換到錨索上來的過程。體系轉(zhuǎn)換的成功與否，與錨索的施工質(zhì)量及錨索承受拉力的能力有關(guān)。錨索設(shè)計(jì)拉力為500kN，通過前述開展的“軟弱圍巖隧道內(nèi)豎直向上錨索施工關(guān)鍵技術(shù)研究”，錨索實(shí)際可承受拉力均能達(dá)到或超過設(shè)計(jì)預(yù)拉力。實(shí)際施工時(shí)，通過對臨時(shí)鋼架的受力監(jiān)測認(rèn)為，錨索設(shè)計(jì)拉力有較大富余，可保證現(xiàn)場拆撐安全。

4.3 拆撐的風(fēng)險(xiǎn)識別

(1)拆撐的第一類風(fēng)險(xiǎn)是體系受力轉(zhuǎn)換后支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)有害變形甚至失穩(wěn)。識別這類風(fēng)險(xiǎn)的辦法是建立監(jiān)測系統(tǒng)，一般是拱頂下沉、洞周收斂及結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測。

(2)拆撐的第二類風(fēng)險(xiǎn)是群錨效應(yīng)：由于拱部錨索眾多，必須考慮軟巖條件下的群錨效應(yīng)及其危害。

4.4 應(yīng)對拆撐風(fēng)險(xiǎn)的對策措施

1.建立應(yīng)急救援響應(yīng)體系并進(jìn)行演練；

2.按照應(yīng)急體系要求進(jìn)行物資、設(shè)備的儲備并確保其有效使用；

3.在拆撐進(jìn)行時(shí)，如支護(hù)體系因受力出現(xiàn)開裂、變形等緊急情況，應(yīng)采取相應(yīng)的應(yīng)急處理措施。

5.以索代撐取消橫撐施工技術(shù)

撐索轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)了臨時(shí)支撐的安全拆除，是軟巖大斷面隧道施工的重大突破。但畢竟還是要進(jìn)行臨時(shí)支撐的施工，如果能不施工臨時(shí)支撐，而是在隧道開挖過程中，直接以“外錨”代替“內(nèi)撐”，取消臨時(shí)支撐，其優(yōu)勢是不言而喻的：一方面增加了作業(yè)空間自由度，方便大型施工機(jī)械作業(yè)，另一方面減少了臨時(shí)支護(hù)材料的浪費(fèi)和取消了施作臨時(shí)支護(hù)工序，節(jié)省了時(shí)間，有利于加快施工進(jìn)度和降低施工成本。

5.1 可行性分析

由于預(yù)應(yīng)力錨索施工需要一個(gè)時(shí)間過程，尤其是注漿體硬化達(dá)到一定強(qiáng)度需要時(shí)間（鉆孔、裝索、注漿、等待注漿體強(qiáng)度、張拉鎖定，一個(gè)循環(huán)需要7天）。因此以索取代所有臨時(shí)內(nèi)撐存在非常大的安全風(fēng)險(xiǎn)，本工程根據(jù)受力大小，對于豎撐采用以索換撐模式減小拆撐風(fēng)險(xiǎn)（上一節(jié)已述）；而對于橫撐則直接取消，代之以預(yù)應(yīng)力錨索。

以索代撐取消橫撐主要考慮了以下幾點(diǎn)：

（1）自重應(yīng)力場一般以豎向應(yīng)力為主，橫向應(yīng)力為小主應(yīng)力方向，因此橫撐受力相對較小；

（2）在下臺階開挖之前，下臺階可以起到臨時(shí)仰拱的作用，對圍巖的收斂變形是一種約束。這為預(yù)應(yīng)力錨索的施工贏得了時(shí)間，起到了安全保障作用；

（3）前期開展的撐索轉(zhuǎn)換成功經(jīng)驗(yàn)為以索代撐施工提供參考。

施工工藝流程如下：

隧道掘進(jìn)施工—>初期支護(hù)施工—>預(yù)應(yīng)力錨索施工—>錨索張拉—>錨索鎖定或二次張拉后鎖定（錨索受力監(jiān)測）—>下臺階施工。

5.2 關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)

1.以索代撐的實(shí)施是通過錨索張拉來實(shí)現(xiàn)的，由于只有錨索施工完成才可以進(jìn)行下臺階的施工，而錨索施工周期一般較長，所以為保證施工進(jìn)展，代替臨時(shí)橫撐的錨索施工需及早進(jìn)行，建議在距離掌子面30m時(shí)開始施工，與掌子面的30m距離是為開挖提供工作面的；

2.由于橫向錨索的施工及前方工作面的交通需要，1、2部導(dǎo)坑的開挖跨度不宜小于8m；

3.為了避免橫向錨索承受向下的剪力（下臺階施工時(shí)，永久支護(hù)體系一般存在下沉變形的趨勢），錨索端部30cm長度范圍，周邊留有10cm空隙，在下臺階施工完成，沉降穩(wěn)定后，用M30砂漿將空隙補(bǔ)填。

6.索拱聯(lián)合支護(hù)施工技術(shù)

索拱聯(lián)合支護(hù)就是錨索、初期支護(hù)鋼架及噴射混凝土、系統(tǒng)錨桿等共同受力而組成的聯(lián)合支護(hù)體系，如圖8所示。

圖8 索拱聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 拱頂沉降及水平收斂監(jiān)測點(diǎn)

索拱聯(lián)合支護(hù)是一種新型的隧道支護(hù)概念，特別適用于軟巖特大斷面隧道施工中。具有如下特點(diǎn)：

（1）支護(hù)體系在側(cè)壁導(dǎo)坑施工時(shí)就逐漸形成；

（2）僅有拱部少量臨時(shí)支撐（臨時(shí)支撐是普通CRD法的20%以下），無橫撐；

（3）支護(hù)體系形成后才進(jìn)行拆撐，結(jié)構(gòu)安全度大大提高，拆撐自由度大，拆撐速度快，拆撐工藝簡單；

（4）拆撐后支護(hù)體系跨度大，可形成無內(nèi)撐的超大跨結(jié)構(gòu)；

（5）隧道下部施工全部位于支護(hù)體系內(nèi)，施工簡便，可充分利用大型機(jī)械設(shè)備施工，機(jī)械化程度高；

（6）索拱聯(lián)合支護(hù)體系作為隧道永久支護(hù)的一部分，結(jié)構(gòu)安全度高。

由于索拱聯(lián)合支護(hù)體系形成過程中，錨索是與初期支護(hù)構(gòu)成整體受力體系的，而初期支護(hù)體系中噴射混凝土難以承受較大的集中點(diǎn)接觸拉力，所以每束錨索是錨固在兩榀鋼拱架上的。為了使受力均勻，錨索的設(shè)置呈交錯(cuò)梅花形布置。

7.撐索轉(zhuǎn)換現(xiàn)場監(jiān)測

以淺埋段DK288+287監(jiān)測斷面為例，比較其在臨時(shí)豎撐拆除前后拱頂沉降、水平收斂、拱部初支噴砼應(yīng)力、鋼架應(yīng)力變化情況。

7.1 位移監(jiān)測

拱頂沉降及水平收斂測點(diǎn)布置如圖9，拆撐前后測得的拱頂沉降及水平收斂如表1所示。

由表1可知，在拱部臨時(shí)豎撐拆除后，拱頂沉降和水平收斂數(shù)據(jù)變化很小。拆撐后，拱部沉降增量比拆撐前增長不超過5%，且絕對值不超過2mm；水平收斂比拆撐前增長6.36%，且絕對值為1.51mm。因此，從量測結(jié)果來看，結(jié)構(gòu)是安全的，而現(xiàn)場施工也證明了拆撐后結(jié)構(gòu)的安全性。

表1 拆撐前后拱頂沉降及水平收斂量測結(jié)果對比

7.2 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測

噴混凝土應(yīng)變計(jì)和鋼架表面應(yīng)變計(jì)的考察點(diǎn)如圖10所示。拆撐前后對初支噴混凝土和鋼架應(yīng)力的量測結(jié)果如表2所示。

圖10 噴混凝土應(yīng)變計(jì)和鋼架表面應(yīng)變計(jì)的考察點(diǎn)

表2 拆撐前后初支噴混凝土和鋼架應(yīng)力量測結(jié)果對比

由表2可知，臨時(shí)豎撐拆除后初期支護(hù)內(nèi)力雖略有增加，但增幅很小，基本控制在10%以內(nèi)，且整體受力趨勢沒有改變。因此，完全可以認(rèn)為，拆撐前后，初支結(jié)構(gòu)體系受力基本沒有改變，結(jié)構(gòu)是安全的。

從拆撐前后的各指標(biāo)變化很小來看，以索換撐取得了較好的效果，且大大增加了拆撐長度，極大地增加了施工自由度，加快施工進(jìn)度。另一方面，考慮各種不確定性因素，不提倡拆撐長度越大越好，建議在滿足施工需要的同時(shí)盡量減小拆撐長度，二襯緊跟。

8.結(jié)論

通過對烏蒙山二號隧道出口四線車站隧道的成功施工，得出如下結(jié)論：

（1）山區(qū)軟巖車站隧道（作為車站一部分，或路隧結(jié)合式，或橋隧結(jié)合式）一般必然經(jīng)過地形由淺到深、地質(zhì)由壞到好的過程，因此“三階段法”的修建理念具有普遍規(guī)律，值得研究、總結(jié)、規(guī)范和推廣。

（2）淺埋段、深埋段的大斷面隧道開挖都不可避免地要將斷面化大為小，分層、分塊開挖，逐步形成隧道設(shè)計(jì)體形，并盡快沿隧道開挖輪廓形成封閉或半封閉的承載結(jié)構(gòu)，再開挖核心部和仰拱。由于預(yù)應(yīng)力錨索的支護(hù)，可以有效減少內(nèi)撐的使用，增加作業(yè)空間的自由度，減少拆除內(nèi)撐作業(yè)時(shí)間和風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)減少臨時(shí)支護(hù)材料的浪費(fèi)。

（3）在采用此施工新技術(shù)后，有條件將斷面分部數(shù)量減少，甚至可以采用臺階法，這樣有利于大型機(jī)械化施工，加快施工進(jìn)度，這是一條科學(xué)合理的大斷面隧道安全快速施工之路。

（4）隧道工程的特殊性，尤其是大斷面隧道的復(fù)雜性，決定了在其實(shí)際施工中，勘查、設(shè)計(jì)和施工等諸多環(huán)節(jié)允許有交叉、反復(fù)，在此基礎(chǔ)上形成了采取與隧道施工過程中的地質(zhì)條件、力學(xué)動態(tài)等不斷變化相適應(yīng)的“動態(tài)設(shè)計(jì)與施工”。隧道工程中的信息化方法是一種連續(xù)的、管理的、整合的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)控及反饋過程，在缺乏施工經(jīng)驗(yàn)的軟弱圍巖特大斷面隧道施工過程中，更凸顯其不可或缺性。