不同圍巖級(jí)別下的隧道洞身開挖施工方法分析

莫振謹(jǐn)

(廣西壯族自治區(qū)八步公路管理局，廣西 賀州 542899)

0 引言

隧道工程施工具有復(fù)雜性特點(diǎn)，不同的隧道施工方法對(duì)隧道圍巖結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)影響不同。本文主要從開挖施工方法的選擇與應(yīng)用角度出發(fā)，通過科學(xué)施工有效控制圍巖變形，減少施工事故，確保隧道作業(yè)安全。

1 公路隧道圍巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

目前我國公路隧道圍巖分級(jí)主要是以《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GBT 50218-2014)為參考，根據(jù)巖體基本質(zhì)量定性特征、巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ進(jìn)行巖體基本質(zhì)量分級(jí)。若是兩個(gè)指標(biāo)確定的圍巖級(jí)別不同，則需進(jìn)一步開展綜合分析，當(dāng)兩者級(jí)別劃分差距在1級(jí)及以上時(shí)，則需做好補(bǔ)充測(cè)試工作。公路隧道圍巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 公路隧道圍巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表

2 不同圍巖級(jí)別適用的隧道洞身開挖施工方法

2.1 圍巖的變形規(guī)律

公路隧道開挖施工中，圍巖受到自身特性、施工方法的影響，會(huì)出現(xiàn)一定的變形情況。通過大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，可將圍巖的變形規(guī)律歸納如圖1所示。

圖1 圍巖位移-時(shí)間曲線圖

圖1顯示，圍巖變形大致可以分為四個(gè)階段：第一階段為開挖前超前位移釋放；第二、三階段分別為急劇變形、緩慢變形；第四階段為基本穩(wěn)定。根據(jù)實(shí)踐可知，在隧道施工中主要是第三階段圍巖位移釋放量最大。若是圍巖變形過大，則直接會(huì)導(dǎo)致圍巖破壞問題的出現(xiàn)，主要包括拉斷破壞、塊體落石破壞、剪切破壞與復(fù)合破壞、巖爆破壞、潮解膨脹破壞。

為保證隧道施工的順利落實(shí)，在隧道開挖前期，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)勘察、巖石試驗(yàn)成果，分析不同圍巖特征，判斷圍巖級(jí)別與穩(wěn)定性，合理選擇施工開挖方法。

2.2 不同圍巖隧道洞身開挖方法

目前，我國公路隧道常用洞身開挖方法包括全斷面開挖、臺(tái)階開挖和分部開挖，不同開挖方法適用的圍巖等級(jí)不同，下文對(duì)此作具體論述：

2.2.1 全斷面開挖法

全斷面法適用于Ⅰ～Ⅲ級(jí)圍巖，若圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)但開挖斷面較小(<50 m2)，且對(duì)掌子面、圍巖進(jìn)行超前支護(hù)后，同樣可采用此方法。

全斷面開挖較簡單，主要是以移動(dòng)式鉆孔臺(tái)車進(jìn)行全斷面一次鉆孔、一次爆破成型。此方法工序較少，施工控制容易，費(fèi)用少、進(jìn)度快，但是由于開挖面大，對(duì)圍巖自身的穩(wěn)定性要求更高，爆破后出渣量較大，必須要以嚴(yán)格的施工組織設(shè)計(jì)為指導(dǎo)開展循環(huán)作業(yè)。

2.2.2 臺(tái)階開挖法

臺(tái)階開挖法可分為上下兩臺(tái)階法、上中下三步臺(tái)階法以及增加仰拱部分開挖臺(tái)階的多臺(tái)階開挖方法，具體適用范圍為：(1)上下兩臺(tái)階法：地層相對(duì)較好的Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖；(2)上中下三步臺(tái)階法或多步臺(tái)階法：Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖。

上下兩臺(tái)階法：將掌子面土體分為上下兩個(gè)臺(tái)階，先開展上臺(tái)階開挖、初支，后開展下臺(tái)階開挖支護(hù)。上中下三步臺(tái)階法或多步臺(tái)階法：先開展上臺(tái)階開挖與左右兩側(cè)環(huán)形開挖，留下中間核心土，做好超前支護(hù)與初支，加固拱腳部位，要求整個(gè)開挖至封閉時(shí)間<10 d，地面沉降<5 cm。臺(tái)階開挖法較為靈活，適用范圍廣，但是下臺(tái)階開挖極易影響到上臺(tái)階的穩(wěn)定性，必須做好支護(hù)工作。

2.2.3 分部開挖法

分部開挖法適用于Ⅲ～Ⅴ級(jí)圍巖、沉降要求嚴(yán)格的大跨度隧道，其主要包括以下幾種方法：

(1)單側(cè)壁導(dǎo)坑法

適用于圍巖性質(zhì)較差的大斷面隧道且不宜進(jìn)行臺(tái)階法開挖的地區(qū)，如：當(dāng)隧道斷面>10 m，可用該方法將大斷面分割為4 m、6 m左右的小斷面分別施工，以確保隧道圍巖穩(wěn)定。

單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，主要采用人工開挖的方式，配合小導(dǎo)管注漿等超前支護(hù)方法。具體如圖2所示。

圖2 單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工示意圖

(2)中隔墻法(CD法、CRD法)

CD法適用于圍巖等級(jí)較高、自穩(wěn)能力差、沉降要求嚴(yán)格的隧道，具體施工過程見圖3。

圖3 CD法施工示意圖

CRD法適用于使用了CD法仍然不能滿足圍巖穩(wěn)定性要求的隧道工程，其是在CD法的基礎(chǔ)上分別在左右兩側(cè)土體的上中下臺(tái)階土體間施作臨時(shí)橫隔墻，具體施工過程見圖4。

圖4 CRD法施工示意圖

(3)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法也稱為眼鏡法，其將較大隧道掌子面分為多個(gè)小區(qū)域開挖，適用于跨度大(>20 m)、CD/CRD法無法施作的情況，施工步驟繁瑣、成本高、工期長，具體施工過程如圖5所示。

圖5 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工示意圖

(4)環(huán)形開挖預(yù)留核心土法

環(huán)形開挖預(yù)留核心土法也稱為臺(tái)階分部開挖法，具體施工過程如圖6所示，其中Ⅰ～Ⅲ是環(huán)形拱部，Ⅳ是核心土。一般環(huán)形開挖進(jìn)尺以0.1 m為宜，核心土與上下臺(tái)階相距約為洞室直徑的1.0～2.0倍。

圖6 環(huán)形開挖預(yù)留核心土法施工示意圖

3 實(shí)例探析

3.1 工程概況

本文僅以某隧道為例，分析不同圍巖級(jí)別下的洞身開挖施工方法。此隧道為分離式越嶺長隧道，右洞起止樁號(hào)為YK76+345～YK77+347，設(shè)計(jì)長度為1 002 m，進(jìn)、出口路基設(shè)計(jì)高程分別為245.850 m、219.501 m，最大埋深約221.793 m(YK76+660處)；左洞起止樁號(hào)為ZK76+345～ZK77+365，設(shè)計(jì)長度為1 020 m，進(jìn)、出口路基設(shè)計(jì)高程分別為246.110 m、219.355 m，最大埋深約216.813 m(ZK76+660處)，隧道凈空為11.0 m×5 m。

3.2 隧道洞身工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

隧道以Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖為主，隧道左洞Ⅲ級(jí)圍巖約占總長的31.4%，Ⅳ級(jí)圍巖約占總長的36.3%，Ⅴ級(jí)圍巖約占總長的32.3%；隧道右線Ⅲ級(jí)圍巖約占總長的21%，Ⅳ級(jí)圍巖約占總長的31.9%，Ⅴ級(jí)圍巖約占總長的47.1%(見下頁表2)。

表2 某隧道圍巖級(jí)別及特征表

隧道Ⅲ級(jí)圍巖所占比例較小，隧道洞身圍巖總體穩(wěn)定性較好；Ⅳ級(jí)及Ⅴ級(jí)圍巖所占比例大，隧道進(jìn)、出洞口及淺埋段圍巖穩(wěn)定性較差?？傮w隧道洞身圍巖以強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化砂巖為主，多呈薄～中厚層狀構(gòu)造。

3.3 洞身開挖方案

隧道開挖遵循“管超前，嚴(yán)注漿，弱爆破，短進(jìn)尺，強(qiáng)支護(hù)，早封閉，勤量測(cè)”原則。根據(jù)隧道的地質(zhì)情況，隧道洞身采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法、臺(tái)階法以及全斷面法。

開挖進(jìn)尺Ⅴ級(jí)圍巖段按逐榀拱架控制，Ⅳ級(jí)圍巖按2榀鋼架間距控制，Ⅲ級(jí)圍巖控制進(jìn)尺為3 m。Ⅴ級(jí)圍巖采用機(jī)械開挖，小炮松動(dòng)爆破配合；Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖采用光面爆破。

為保證左右洞放炮不影響掌子面穩(wěn)定，左右洞掌子面控制距離應(yīng)≥30 m。洞身施工超欠挖檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 洞身施工超欠挖檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)表

隧道圍巖開挖后有一個(gè)自然的沉降、收斂過程，開挖時(shí)應(yīng)注意預(yù)留變形量；隧道施工中，要做好圍巖收斂量測(cè)、地質(zhì)超前預(yù)報(bào)；隧道開挖從隧道出口向進(jìn)口單向掘進(jìn)施工；在進(jìn)口端及時(shí)做好坡面防護(hù)和洞口超前支護(hù)設(shè)施；通風(fēng)方式采用壓入式通風(fēng)方案。

3.4 不同級(jí)別圍巖開挖施工要點(diǎn)

3.4.1 Ⅴ級(jí)圍巖開挖

Ⅴ級(jí)圍巖段采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法施工，先進(jìn)行上部弧形導(dǎo)坑環(huán)向開挖，在核心土上架設(shè)型鋼鋼架，鎖腳錨桿，固定鋼架拱腳和支腿根部，實(shí)施錨桿，鋼筋網(wǎng)噴混凝土打設(shè)φ42×4 mm超前注漿小導(dǎo)管，形成完整的初期支護(hù)體系；然后進(jìn)行核心土開挖，要求必須在上臺(tái)階支護(hù)完成且噴射混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，方可進(jìn)行核心土與下臺(tái)階開挖；開挖完畢后及時(shí)施作初期支護(hù)，每逐榀拱架間采用鋼筋連接，并施做鎖腳錨桿；二次襯砌應(yīng)根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果適時(shí)施作，距上臺(tái)階掌子面距離應(yīng)≤35 m。如圖7、圖8分別為施工順序縱斷面圖、立面圖。

圖7 Ⅴ級(jí)圍巖淺埋段隧道施工順序縱斷面圖

圖8 Ⅴ級(jí)圍巖淺埋段隧道施工順序立面圖

環(huán)形開挖預(yù)留核心土法施工步驟：

(1)上臺(tái)階弧形導(dǎo)洞超前支護(hù)，開挖，初期支護(hù)；

(2)下臺(tái)階兩側(cè)交錯(cuò)開挖，施作兩側(cè)邊墻，初期支護(hù)；

(3)核心土開挖；

(4)采用自行式仰拱模板臺(tái)車進(jìn)行仰拱澆筑；

(5)鋪設(shè)防水層，采用模板臺(tái)車全斷面一次模筑、二次襯砌。

3.4.2 Ⅳ級(jí)圍巖開挖

隧道Ⅳ級(jí)圍巖深埋段采用臺(tái)階法施工。Ⅳ級(jí)圍巖的自穩(wěn)性一般，本著穩(wěn)步開挖的原則，開挖時(shí)按架立兩環(huán)鋼拱架作為一個(gè)循環(huán)尺寸，如圖9、圖10分別為施工順序縱斷面圖、立面圖。

臺(tái)階法施工步驟：

(1)上臺(tái)階超前支護(hù)，開挖，初期支護(hù)；

(2)下臺(tái)階開挖，初期支護(hù)；

(3)采用自行式仰拱模板臺(tái)車進(jìn)行仰拱澆筑；

(4)鋪設(shè)防水層，采用模板臺(tái)車全斷面一次模筑二次襯砌。

Ⅳ級(jí)圍巖采用φ22 mm藥卷錨桿+H14×W14格柵鋼架+φ8 mm鋼筋網(wǎng)+噴混凝土支護(hù)；洞身開挖時(shí)，主洞上臺(tái)階開挖面與主洞下臺(tái)階開挖面距離為15～25 m，上下臺(tái)階開挖面不得處于同一斷面，必須采用馬口錯(cuò)開開挖。

3.4.3 Ⅲ級(jí)圍巖開挖

隧道Ⅲ級(jí)圍巖段采用全斷面法施工，開挖后立即初噴3～5 cm混凝土封閉，按照設(shè)計(jì)要求施作系統(tǒng)錨桿，噴射混凝土，如圖11、圖12所示分別為施工順序縱斷面圖、立面圖。

圖11 Ⅲ級(jí)圍巖隧道施工順序縱斷面圖

圖12 Ⅲ級(jí)圍巖隧道施工順序立面圖

4 結(jié)語

綜上所述，在公路隧道施工中，必然會(huì)面臨著不同級(jí)別的圍巖開挖施工，對(duì)此必須要事先做好工程地質(zhì)勘察，明確各地段圍巖級(jí)別，根據(jù)不同地段圍巖特性合理選擇施工方法，制定科學(xué)的施工方案，保證整個(gè)隧道開挖作業(yè)安全、可靠，防止出現(xiàn)坍塌等事故，切實(shí)保證工程項(xiàng)目的圓滿完成。