巖溶地區高速公路小凈距隧道開挖作業方式選擇

馮 威 艾小文 袁燦君 余孝衛 楊 建

（浙江交工集團股份有限公司，浙江 杭州 311103）

0 引言

小凈距隧道是指隧道間的中間巖墻厚度小于分離式獨立雙洞的最小凈距，對于不同圍巖級別，其中間巖墻厚度范圍在1.0~4.0 倍隧道開挖寬度，常用于洞口地形或有特殊要求的中、短隧道以及長或特長隧道洞口局部地段。對于巖溶地區的小凈距隧道，巖溶地貌發育對小凈距隧道的施工提出了不同的要求，本文以實際工程為背景，通過分析巖溶地區小凈距隧道的特點，對不同條件下的開挖方式選擇進行分析。

1 工程概況

工程位于廣西地區，場區屬典型巖溶地貌，主要巖溶形態為溶洞、溶溝、溶槽等。地表溶蝕、溝槽發育，溝槽多被第四系殘坡積層黏性土充填，巖體裂隙發育，表層局部存在鑲嵌結構的塊體，局部巖體松動，易形成危巖，松動塊體直徑一般1～2m 不等。擬建隧道區內巖溶個體形態種類較多，地表、地下形態發育較齊全，如溶溝、溶槽、溶孔、石芽、溶洞、溶蝕裂隙、溶蝕洼地等。其中，溶洞多隱藏于茂密的灌樹林中，或隱藏于山體巖體內部，該類溶洞系更新世早期地殼運動間歇期形成的水平、垂直溶洞，洞徑大小不一，并伴有部分充填物、巖溶水等。場區內巖溶地貌發育種類多、密度大，從區域內地形地貌、氣象水文、地質構造等方面綜合分析研判，項目所處范圍內的巖溶分布具有一定的規律可循。通過統計分析特征表明，區域內的巖溶形態主要以垂直發育為主，水平巖溶變遷呈現出明顯分層特征，且密度相對較小。

擬建隧道全長1570m（右線），全線圍巖等級為Ⅲ-Ⅴ級，圍巖抗壓強度在25～55MPa之間。隧道采用分離式小凈距設計，洞門為端墻式，隧道凈空為14.5m×5m，全線平面位于直線段，縱坡0.65%。隧道洞門構造如圖1所示。

圖1 擬建隧道洞門構造

2 巖溶地區小凈距隧道施工要點

對于巖溶地區小凈距隧道而言，其圍巖類別主要以石灰巖為主，根據其破碎情況、地下水、初應力、軟弱結構面進行修正。通常，對于巖質隧道，主要采用鉆爆法進行施工，配合機械出渣，在其施工過程中，應重點控制爆破震動對中巖墻的危害，施工時應注意以下幾點：

（1）先行洞和后行洞的開挖方法。

（2）上下行洞體爆破設計及其振動控制。

（3）兩洞間開挖面的安全步距和距離。

（4）兩洞間初支、二次襯砌之間的安全步距和距離。

（5）兩洞間中間巖墻的防護方法。

3 隧道開挖方式及其適用條件

根據隧道場區、圍巖不同的水文地質條件及施工環境，應采用與之相適應的隧道開挖方式、支護方式，以確保隧道開挖過程中圍巖的穩定和施工安全。隧道開挖的主要方式按照一次開挖斷面的大小主要分為全斷面開挖、臺階開挖、環形開挖、中隔壁交叉開挖、雙側壁導坑開挖等方式，在施工過程中，具體的開挖方式還需綜合考慮隧道圍巖級別、水文、軟弱結構面、初應力等因素，嚴格遵循不同的開挖方式的具體適用條件[1-2]。

3.1 全斷面開挖

全斷面開挖的方式是以設計斷面為開挖面積，一次性開挖到位，主要適用于圍巖較好的中小跨徑隧道，對于圍巖較差的中、大跨徑隧道，在采取有效的加固措施后，通過充分的計算論證，在確保施工安全的情況下也可以采取全斷面開挖的方式。全斷面開挖常采用鉆爆法施工，按照設計輪廓線一次爆破成型，施工前需要嚴格對爆破方案進行設計和論證。

3.2 臺階開挖

臺階開挖通常將隧道斷面分成兩個或更多個部分逐層進行開挖。這可以降低一次開挖的難度和工作量。在分層開挖的過程中，需按照設計要求及時進行支護設置，以保證隧道的安全性和穩定性。完成開挖和支護后，需進行襯砌（修建隧道內壁）和回填（填補隧道底部）工作。在整個施工過程中，需進行各種監控測量工作，以便及時了解隧道的狀態和變形情況，為施工提供指導。臺階法可以降低一次開挖的難度和工作量，減少隧道塌方的風險，由于臺階法可以分層開挖，因此可以同時進行多個工作面，提高施工效率。臺階法適用于各種地質條件的隧道施工，如軟弱圍巖、硬巖等，但施工難度大，施工過程中需要精確的施工控制和協調，如果處理不當，可能會造成隧道變形和滲漏等問題。

3.3 環形開挖預留核心法

隧道環形開挖預留核心法是一種先開挖上臺階使其成環形，并進行支護，再分部開挖中部核心土、兩側邊墻的施工方法。首先開挖隧道上臺階，形成環形；在上臺階開挖完成后，及時進行支護設置，以增加隧道的穩定性和安全性。在完成上臺階支護后，按照設計要求進行中部核心土和兩側邊墻的分部開挖。完成開挖和支護后，進行襯砌和回填工作。該法可以降低隧道施工的風險，減少對圍巖的擾動，提高施工安全性。通過先開挖上臺階使其成環形，然后向兩側擴挖，可以充分利用上臺階作為工作平臺，提高施工效率。環形開挖預留核心法適用于各種地質條件的隧道施工，特別是對于軟弱圍巖或需要特殊防護的情況。

3.4 CD法和CRD法

中隔墻法（CD 法）主要適用于地層較差和不穩定巖體，且地面沉降要求嚴格的地下工程施工。此方法是在臺階法的基礎上，將隧道斷面從中間分成4~6 個部分，使上下臺階左右各分成2~3 個部分，每一部分開挖并支護后形成獨立的閉合單元。CD 法是在軟弱圍巖大跨度隧道中，先分部開挖隧道的一側，并施作中隔壁，然后再分部開挖另一側的施工方法。

交叉中隔墻法（CRD 法）是一種適用于軟弱地層的隧道施工方法，特別是對于控制地表沉陷有很好的效果，一般主要用于城市地下鐵道施工中。因其造價高，故在山嶺隧道中較少采用，但是在特殊情況下，也可以采用，如膨脹土地層。CRD 施工是采用CRD 法預留核心土的方法，將大斷面隧道分成4 個相對獨立的小洞室分部施工。

CD法和CRD法都是以臺階法為基礎的施工方法，但CRD法更注重對地表沉陷的控制，因此，當需要嚴格控制地表沉陷時，可以采用CRD法。而CD法則更適合于地層較差和不穩定巖體的隧道施工。

3.5 雙側壁導坑開挖

隧道雙側壁導坑法開挖是一種分部開挖隧道的方法，具體開挖方式是在隧道的兩側分別開挖兩個較小的導坑，作為后續施工的工作平臺。在導坑開挖完成后，及時進行初期支護和臨時支護，以增加隧道的穩定性和安全性。如果需要，在導坑的兩側邊墻進行襯砌，以增加隧道的強度和穩定性。剩余部分采用二臺階或三臺階開挖：根據地質條件、斷面大小等因素，對剩余部分采用二臺階或三臺階開挖的方法進行施工。雙側壁導坑法將隧道分成多個部分進行開挖，可以降低一次開挖的難度和工作量，提高施工安全性。由于雙側壁導坑法采用分部開挖，每塊都是在開挖后立即各自閉合，因此可以增加隧道的穩定性。雙側壁導坑法的開挖斷面較小，對圍巖的擾動也較小，可以更好地保護圍巖的穩定性。該開挖方式適用于圍巖較差的Ⅴ~Ⅵ級圍巖條件下的行車隧道開挖，特別是在淺埋大跨度隧道施工時，能夠控制地表下沉，保持掌子面的穩定，安全可靠。

3.6 中導洞開挖

隧道中導洞法開挖是一種在隧道施工中常用的方法，首先在隧道中心挖掘一個較小的導洞，這個導洞通常被稱為“中導洞”。在導洞挖掘完成后，根據設計要求進行支護設置，以增加隧道的穩定性和安全性。以導洞為基礎，向兩側逐步擴挖，形成完整的隧道。完成擴挖和支護后，進行襯砌和回填工作。該開挖方式施工安全性高，可以降低隧道施工的風險，減少對圍巖的擾動，提高施工安全性。同時，通過先挖掘導洞，然后向兩側擴挖，可以充分利用導洞作為工作平臺，提高施工效率。

4 案例工程開挖方式選擇及輔助工作

4.1 巖溶隧道開挖方式的選擇

以案例工程為例，該隧道總長1570m，各級圍巖長度占比及圍巖特征見表1所示。

表1 案例工程圍巖分布情況及巖體特征

由表1 可知，對于巖溶隧道，洞口段埋深較淺，受自然侵蝕嚴重，巖體破碎，地表水垂直貫通到洞體，對于隧道主體，其圍巖地質情況基本均勻，但不同程度地受到巖溶水影響。

隧道的開挖方式選擇還受地表沉降的影響，因此，該案例工程開挖方式的選擇可以有以下幾種：

洞口段：中隔壁法（CD 法）、交叉中隔法（CRD）、雙側壁導坑法；

隧道主體段：全斷面法、臺階法。

通過初步選擇的施工方式，計算施工過程中隧道的受力、變形及穩定情況，結合技術、經濟分析，形成最終的施工方案并進行施工組織設計。

4.2 輔助工作

對于巖溶隧道開挖方式的選擇，還需配合隧道超前地質預報，通過選擇適用的超前地質預報方法，探明掌子面前方的地質情況，進一步采取有效的施工措施，降低施工風險。對于洞口段，由于其巖溶水豐富，巖體破碎，必須采用超前鉆探法預報、評價該段的地質情況；對于Ⅲ、Ⅳ級圍巖的隧道主體，可配合使用地質調查法、物理勘探法、TSP法等方法進行地質超前預報[3-4]。

5 結束語

本文在總結小凈距隧道及隧道不同開挖方式特點的基礎上，結合實際案例工程不同圍巖等級段落初步選擇施工方式，在洞口段采用中隔壁法（CD 法）、交叉中隔法（CRD）、雙側壁導坑法；在隧道主體段采用全斷面法和臺階法。通過計算施工過程中隧道的受力、變形及穩定情況，結合技術、經濟分析，形成最終的施工方案并進行施工組織設計，同時，提出了相應的超前地質預報方法。實踐證明，以上方法提高了該工程的施工安全性和施工效率，也驗證了方法選擇的正確性。