特大斷面偏壓隧道軟巖大變形成套施工方案研究

【中圖分類號】 U455.49

【文獻標志碼】 A

0 引言

對于軟弱圍巖隧道，施工不當極易造成掌子面失穩塌方、初噴混凝土開裂、鋼拱架彎折等軟巖大變形誘發的不良現象[1-4]，嚴重影響隧道施工，威脅作業人員生命安全。

為此，國內外眾多學者對軟巖隧道的建設展開了大量研究。王亞東[5]采用大型有限元軟件MIDAS模擬了大斷面千枚巖公路隧道開挖支護全過程，通過記錄計算過程中各測點變形歷程，研究分析了千枚巖隧道的變形規律;李子運[結合數值計算、現場監測及室內試驗等多種手段研究分析了在不同圍壓下軟巖變形破壞過程，并揭示了隧道軟巖大變形孕育機理和圍巖變形特征;郭小雄依托蘭渝鐵路毛羽山隧道為工程背景，采用數值計算研究分析了擠壓型軟巖隧道圍巖變形特征及破壞機理;雷明鋒等[借助模型試驗模擬了不同偏壓角軟巖偏壓隧道的開挖卸荷行為，系統分析了在不同偏壓角下隧道襯砌結構受力、圍巖變形規律，并總結了淺埋偏壓隧道的最終破化特征；Bizjak等[采用有限差分法建立數值模型分析了軟巖隧道開挖支護后圍巖應力場和位移場的演化規律，并分析了支護結構受力特征，研究結果表明，支護時間和支護結構剛度對控制隧道拱頂沉降起著關鍵性作用。王鐵男等[10-11]結合數值分析和現場實測的研究手段，通過對比分析在不同注漿范圍下隧道開挖后結構受力及圍巖變形特征比選出了超前小導管環向布設的最優范圍。

綜上，國內外大多學者對軟弱圍巖隧道的變形規律、支護結構受力特征等進行了深入的研究，并取得了顯著成果，而目前專門針對軟弱圍巖特大斷面偏壓隧道成套施工工藝以及工法轉換的研究還很遺乏，提出一套系統完整的軟巖大變形施工方案迫在眉睫。本文依托成都市東西城市軸線（東段）工程龍泉山二號隧道為工程背景，通過對施工工法、鉆爆參數的研究，形成了一套適用于特大斷面偏壓隧道軟巖大變形的成套施工方案，為類似工程科學組織施工提供依據。

1 工程概況

成都市東西城市軸線（東段）工程龍泉山二號隧道進口端為茶店鎮白果村，出口端為茶店鎮民主村，隧道設計為單洞雙向8車道，設計車速為 80km/h ，隧道凈寬 17.75m ，凈高5m ，掌子面最大開挖面積為 231.4m² ，為國內外罕見的特大斷面隧道。隧道左洞起止里程為 LK20+935-LK23+018 左洞全長 2083m ，右洞起止里程為 RK20+ 972-RK23+ 070，全長 2098m 。

圖1隧道地質斷面示意

如圖1所示，隧道穿越地層巖性以中風化一強風化泥巖 為主，局部夾砂巖，整體巖性較差，巖質較軟，巖體較為破碎， 圍巖等級主要為V級。同時隧道位于構造剝蝕低山地貌的 龍泉山背斜西翼，場區起伏較大，高差懸殊，隧道洞身地質構 造偏壓特征明顯。

2成套施工方案研究

2.1 工法選取

根據地勘資料，隧道圍巖以V級中風化～強風化泥巖為主，V級圍巖段總長 1961m ，占隧道總長 93.47% ，V級圍巖段總長 137m ，占隧道總長 6.53% 。大量研究表明[12-13]，雙側壁導坑法所引起的拱頂圍巖變形僅為臺階法的 1/2 ，這是由于雙側壁導坑法將隧道分為多個小斷面，每個小斷面開挖施工后能夠及早封閉成環，及時承擔圍巖壓力，阻止了圍巖的進一步變形，從而保證施工安全。但雙側壁導坑法工序繁多，施工進度慢且成本高，常用于極軟巖的施工中，為了節約經濟，減小施工工序，節省工期，本工程IV級圍巖段采取CD法施工，循環開挖步距控制在 1m 范圍內， ΔV 級圍巖段采取雙側壁導坑法施工，循環開挖步距控制在 0.8m 范圍內。

2.2 施工工藝

2.2.1單側壁導坑法

如圖2所示，單側壁導坑開挖施工工序為：開挖左側上部導坑2并完成相應臨時支撐一開挖左側下部導坑4并完成相應臨時支撐，完成左側導坑開挖并及早封閉成環一右側上部導坑6完成相應臨時支撐一開挖右側下部導坑8并完成相應支護一主洞仰拱澆筑一防水板鋪設一二次襯砌施作。

圖2單側壁導坑法施工工序立面

2.2.2雙側壁導坑法

如圖3所示，單側壁導坑開挖施工工序為：開挖左側上部導坑2并完成相應臨時支撐—開挖左側下部導坑4并完成相應臨時支撐，完成左側導坑開挖并及早封閉成環一右側上部導坑6完成相應臨時支撐一開挖右側下部導坑8并完成相應支護—主洞上部導坑10開挖—主洞中部12開挖—主洞下部13開挖及支護一主洞仰拱澆筑一防水板鋪設—二次襯砌施作。

圖3雙側壁導坑施工工序立面

2.3 開挖鉆爆設計

2.3.1 鉆爆工藝

隧址區圍巖主要以V級圍巖為主，施工不當極易造成掌子面失穩塌方、初噴混凝土開裂、鋼拱架彎折等軟巖大變形誘發的不良現象，嚴重影響隧道施工，威脅作業人員生命安全，為了控制圍巖變形，開挖爆破采用光面爆破方式，具體工工藝流程如圖4所示。

2.3.2爆破參數設計

2.3.2.1 掏槽孔

根據相關規范及工程經驗，掏槽眼采用斜眼掏槽，為了減小爆破振動，掏槽孔及輔助掏槽需與掌子面成一定夾角，CD法掏槽孔與掌子面夾角初步設計為 53^° ，輔助掏槽與掌子面夾角初步設計為 70^° ;雙側壁導坑法掏槽孔與掌子面夾角初步設計為 55^° ，輔助掏槽與掌子面夾角初步設計為 63^° 。IV級圍巖段掏槽孔孔深初步設置為 1.4m ，孔距 0.5m ，掏槽孔堵塞長度 0.7m ，裝藥系數為 0.5kg/m;V 級圍巖段掏槽孔孔深初步設置為 1.2m ，孔距 0.5m ，掏槽孔堵塞長度 0.6m 裝藥系數為 0.5kg/m 。具體參數設計如表1所示。

圖4光面爆破工藝流程

表1掏槽孔參數

2.3.2.2 掘進孔

借鑒類似工程經驗，為保證爆破效果，輔助孔排距確定為 0.6～1.0m ，孔距一般取排距的 1.0～1.2 倍，結合工程實際，IV級圍巖段取 0.8m，V 級圍巖段取 1.0m ，具體如表2所示。

表2掘進孔參數

2.3.2.3 周邊孔

根據相關規范，周邊孔孔距可采用下式初步確定：

a= 10～ 15d

式中： Δ_a 為光爆孔孔距，（cm）； d 為炮孔直徑，（cm）。

經計算且根據工程類比， IV 級圍巖段設計選取光面炮孔的孔距 a=0.5m，V 級圍巖段設計選取光面炮孔的孔距 a= 0.6m ，光爆孔裝藥密度一般為 0.15～0.45kg/m ，根據本隧道實際情況，結合經驗，取 0.2～0.3kg/m_? 。最終參數如表3所示。

綜上，通過參考相關規范文獻、工程類比并結合本工程實際特點，初步確定了軟弱圍巖特大斷面偏壓隧道開挖鉆爆參數，施工時應根據現場試爆情況適當調整，炮孔初步布置如圖5所示。

表3周邊孔參數

3 工法轉換

3.1 雙側壁導坑法轉CD法

為了節省工期、節約經濟，本隧道在IV級圍巖段采取單側壁導坑法施工，在V級圍巖段采取雙側壁導坑法施工，在V級圍巖過渡到IV級圍巖里程段時，由雙側壁導坑法施工轉CD法施工，過渡段施工將12號導坑左側跟進至與2號導坑齊平，然后將雙側壁2號導坑逐漸放大，如圖6所示。具體轉換過程為：

（1）過渡段施工之前，確定過渡段里程，施作2號導坑臨時支護與超前支護，噴 4cm 厚混凝土封閉掌子面后暫停號2導坑施工。

（2）施作12號導坑左側跟進至與2號導坑齊平（隔榀在CD法設計位置施作一榀I18臨時鋼架，打設 φ42mm 鎖腳錨管，長 4.5m ，并隔榀設置I18臨時橫撐與雙側壁導坑Ⅱ型鋼架相連），噴 4cm 厚混凝土封閉掌子面后暫停施工12號導坑左側。

（3）施作2號導坑，每榀鋼架向12導坑左側位置移動50cm ，施工7榀鋼架，即橫向距離總共移動 3.412m 后臨時鋼架移至CD法設計位置，2號導坑以后的施工按照CD 法開挖與支護，由于工法剛轉換完畢，為確保2號導坑掌子面穩定，每開挖一次噴 4cm 厚混凝土封閉掌子面，且2號導坑掌子面核心土要進行預留。

（4）下臺階工法轉換同上臺階一致。

圖6雙側壁導坑法轉換為CD法示意（單位： cm ）

3.2 CD法轉雙側壁導坑法

在V級圍巖過渡到IV級圍巖里程段時，由CD法施工轉雙側壁導坑法施工，過渡段施工將12號導坑左側跟進至與2號導坑齊平，然后將雙側壁2號導坑逐漸縮小，如圖7所示。具體轉換過程為：

（1）為保證施工質量，減小爆破對支護結構造成的影響，在CD法最后段落施工時，首先確定施工段前方地層條件，根據地層條件，確定過渡段里程（過渡段里程宜設置在超前支護段落上），利用既有的CD鋼架施作隧道永久鋼架一側的超前支護。

（2）雙側壁導坑法施工時先開挖2號導坑，及時支護4cm噴混封閉成環，每間隔10個開挖步后封閉掌子面，再進行下一循環開挖支護。

（3）2號導坑開挖 5m 后，進行4號導坑施工，開挖完成后噴混封閉成環，及時承擔圍巖壓力減小變形，待圍巖穩定后進行下一步開挖施工。

（4）4號導坑開挖支護后進行6號導坑及8號的開挖支護。

（5）雙側壁10號導坑施工，利用上一循環架立的鋼架施作 ?50mm 超前小導管超前支護，長 4.5m ，環向間距40cm ，開挖雙側壁10號導坑。

（6）10號導坑一段距離后，開挖雙側壁12號導坑和13號導坑。

圖7 CD法轉換為雙側壁導坑法示意

通過對拱頂沉降變形以及隧道洞周收斂變形的實時監測表明，現場施工安全一直處于可控狀態，說明采取“IV級圍巖CD法 +V 級圍巖雙側壁導坑法”的成套施工方案可有效控制圍巖變形，降低隧道拱頂塌方風險，是合理可行的。

4 結束語

本文依托成都市東西城市軸線（東段）工程龍泉山二號隧道為工程背景，通過對施工工法、鉆爆參數的研究，形成了一套適用于特大斷面偏壓隧道軟巖大變形的成套施工方案，研究得到以下主要結論：（1）雙側壁導坑法所引起的拱頂圍巖變形約為臺階法的1/2，這是由于雙側壁導坑法將隧道分為多個小斷面，每個小斷面開挖施工后能夠及早封閉成環，及時承擔圍巖壓力，阻止了圍巖的進一步變形。（2）通過工程類比并結合相關規范，初步確定了不同工法開挖鉆爆參數，并根據現場爆破效果實時調整優化設計參數。（3）工程實踐表明，采取“V級圍巖CD法 +V 級圍巖雙側壁導坑法”的成套施工方案可有效控制圍巖變形，降低隧道拱頂塌方風險。

參考文獻

[1]周君，周洋，陳林，等.節理傾角對軟巖隧道掌子面變形及失穩模式的影響[J].路基工程，2022（6）：196-200.

[2] 劉克奇.軟弱地層盾構施工掌子面失穩極限狀態分析與掘進參數優化研究[D].濟南：山東大學，2021.

[3]ZhuY，ChenL，ZhangH，etal.Physical and Mechanical Charac-teristics of Soft Rock Tunnel and the Effect of Excavation on Supporting Structure[J].Applied Sciences，2019，9（8）：1517.

[4] 汪俊波.層狀軟巖隧道彎折大變形可縮動鋼拱架支護數值模擬研究[D].成都：成都理工大學，2020.

[5] 王亞東.千枚巖地層四車道隧道結構受力特征與變形規律［D].西安：長安大學，2019.

[6] 李子運.深埋隧道圍巖變形能演化及分布規律研究[D].成都：西南交通大學，2019.

[7] 郭小雄.高地應力軟巖隧道超前導洞法施工圍巖變形預釋放規律研究［D].北京：中國鐵道科學研究院，2011.

[8] 雷明鋒，彭立敏，施成華，等.淺埋偏壓隧道襯砌受力特征及破壞機制試驗研究［J].中南大學學報（自然科學版），2013，44（8）：3316 -3325.

[9] Bizjak K F，Petkovek B.Displacement analysis of tunnel supportinsoft rock around a shallow highway tunnel at Golovec[J].Engi-neering Geology，2004，75（1） ：89-106.

[10] 王鐵男，郝哲，楊青潮.超前小導管注漿布置范圍對地鐵隧道開挖的影響分析[J].公路，2011（5）：222-227.

[11] 王鐵男，郝哲，楊青潮.超前小導管注漿布置范圍對地鐵隧道開挖的影響分析[J].現代隧道技術，2010，47（5） ：54-58+78 業

[12] 唐曉杰，石磊，陳佳瑋，等.大跨地鐵隧道組合工法穿越斷層時的圍巖變形控制分析[J].隧道建設（中英文），2019，39（2）：227-239.

[13］劉剛伯．淺埋偏壓對大跨度小間距隧道的施工影響研究［D].南寧：廣西大學，2017.