袁偉強(qiáng)

（中鐵十九局第三工程有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111000）

1 基本概念

1.1 上軟下硬復(fù)合地層

不同的形成時(shí)代，不同的地質(zhì)作用等因素均使得地層在巖性、結(jié)構(gòu)、變質(zhì)程度等方面存在著巨大的差別，在工程上表現(xiàn)為高度地非均質(zhì)性，也就是說(shuō)，嚴(yán)格意義上的各向同性均質(zhì)地層在自然界是不存在的。對(duì)于隧道工程而言，在開(kāi)挖斷面范圍內(nèi)和開(kāi)挖延伸方向上，往往存在兩種或兩種以上不同地層組成了隧道的賦存環(huán)境。通常可把這些巖土力學(xué)、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)等特征相差懸殊的組合地層，定義為復(fù)合地層。復(fù)合地層的組合方式也是非常復(fù)雜多樣的，但總的來(lái)說(shuō)有以下兩類:

1.1.1 在垂直方向上不同地層的組合

最典型的垂直方向上的復(fù)合地層就是所謂的上軟下硬地層。即隧道斷面上部是松軟土層，而下部是堅(jiān)硬的巖石地層或者上部是軟巖地層而下部是硬巖層或者在硬巖層中夾軟巖層或者在巖石地層中夾破碎帶、溶洞等。

1.1.2 在水平方向上不同地層組合

在一個(gè)施工階段當(dāng)中，可能分布著不同時(shí)代、不同巖性、不同風(fēng)化程度或不同層序的地層，也可能同一種巖層，但風(fēng)化程度有很大差異，從而表現(xiàn)出水平方向上工程地質(zhì)性質(zhì)的差異。

1.2 大斷面隧道

隨著我國(guó)交通事業(yè)的飛速發(fā)展以及西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的逐步實(shí)施，交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)又進(jìn)入了一個(gè)新的大發(fā)展時(shí)期，環(huán)境保護(hù)對(duì)交通運(yùn)輸?shù)囊笫沟盟淼辣貙⒃浇ㄔ蕉?，而且隧道也越建越長(zhǎng)，隧道斷面也越來(lái)越大。由于大斷面隧道跨度較大，結(jié)構(gòu)將承受較大的圍巖壓力、受力條件較為復(fù)雜，加施工期間諸多工序的相互影響、圍巖的多次擾動(dòng)以及支護(hù)襯砌相互之間的非同步施工等諸多因素，故極易發(fā)生圍巖失穩(wěn)和隧道襯砌結(jié)構(gòu)開(kāi)裂與破壞現(xiàn)象。因此，開(kāi)展大斷面隧道的施工工法研究也一直是業(yè)內(nèi)人士的焦點(diǎn)。

2 動(dòng)態(tài)分部施工工法的提出及特點(diǎn)

軟弱地層中隧道開(kāi)挖施工方法常用的有雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD 法(中隔壁法)、CRD 法(交叉中隔壁法)等。CD法主要應(yīng)用于雙線隧道級(jí)圍巖深埋硬質(zhì)巖地段以及老黃土隧道級(jí)圍巖地段。CRD法主要應(yīng)用于IV級(jí)圍巖深埋軟質(zhì)巖、淺埋、偏壓地段以及V級(jí)圍巖深埋地段。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法雖然能夠應(yīng)用于V級(jí)圍巖淺埋、偏壓及洞口段，但其為先開(kāi)挖隧道兩側(cè)的導(dǎo)坑，并進(jìn)行初期支護(hù)，再分部開(kāi)挖剩余部分的方法。

此方法工序干擾少，操作簡(jiǎn)單、安全可靠，適合中、大型機(jī)械進(jìn)行施工，施工進(jìn)度大大加快，并且臨時(shí)支護(hù)少，投入經(jīng)濟(jì)少，降低了工程造價(jià)。能保證施工全過(guò)程處于安全、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)、快速的可控狀態(tài)。適用于超淺埋大跨隧道不均勻風(fēng)化地層及從側(cè)壁進(jìn)洞困難的地段。

3 動(dòng)態(tài)分部施工工法力學(xué)原理

3.1 大斷面隧道的施工力學(xué)特性

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于大斷面隧道的施工力學(xué)特性進(jìn)行了較多的研究，歸納起來(lái)，大斷面隧道施工力學(xué)特性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

3.1.1 大跨隧道由于寬度加大，而高度基本保持不變，因此，形成一個(gè)扁平的拱形結(jié)構(gòu)，其在力學(xué)分析上可近似看作橢圓。

3.1.2 由于跨度加大，使得開(kāi)挖引起的應(yīng)力重分布趨于不利。如果圍巖的單軸抗壓強(qiáng)度比重分布的應(yīng)力小，隧道周邊圍巖將出現(xiàn)塑性區(qū)，為此，需要強(qiáng)大的支護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)控制變形。

3.1.3 隧道在開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)力集中程度大，是普通隧道的1.5-2倍，隧道墻腳處應(yīng)力集中過(guò)大，要求圍巖具有較高的地基承載力。

3.1.4 拱頂穩(wěn)定性降低，施工過(guò)程中易坍塌。

3.1.5 會(huì)產(chǎn)生較大的松弛地壓。開(kāi)挖寬度和開(kāi)挖高度越大，要求產(chǎn)生拱作用的埋深越大，在埋深小時(shí)，拱作用不能發(fā)揮時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生很大的松弛地壓，因此，對(duì)大斷面隧道而言，會(huì)產(chǎn)生較大的松弛荷載。

3.1.6 支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力相對(duì)較小?？缍仍酱?，扁平形狀的拱形支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力也小。

3.2 動(dòng)態(tài)分部施工工法的力學(xué)機(jī)理

3.2.1 橢圓形洞室圍巖應(yīng)力分布

從判斷隧道圍巖穩(wěn)定性的觀點(diǎn)出發(fā)，只要找到洞室周邊極值點(diǎn)處的應(yīng)力大小，看其是否超過(guò)巖體的強(qiáng)度即可判斷其穩(wěn)定程度。從研究圓形斷面洞室周邊應(yīng)力知道，橢圓形洞室周邊應(yīng)力的兩個(gè)應(yīng)力極值仍然在水平軸和垂直軸上。

3.3.2 動(dòng)態(tài)分部施工工法的力學(xué)機(jī)理

通常，淺埋隧道的側(cè)壓系數(shù)K小于1，由于使用功能要求以及其本身的特點(diǎn)和工程造價(jià)等因素的控制，大跨隧道一般做成扁平狀，為了便于分析可近似地看成橢圓形，從理論力學(xué)原理看，動(dòng)態(tài)分部施工工法是有利于隧道施工穩(wěn)定的。

4 動(dòng)態(tài)分部施工工法施工工藝及操作要點(diǎn)

4.1 動(dòng)態(tài)分部施工工法工況

動(dòng)態(tài)分部開(kāi)挖工法根據(jù)隧道的跨度、開(kāi)挖面范圍內(nèi)地層分布特征及圍巖的穩(wěn)定程度可以分為中臺(tái)階設(shè)中隔墻和不設(shè)中隔墻兩種情況。

4.1.1 中臺(tái)階不設(shè)中隔墻

當(dāng)隧道上臺(tái)階圍巖軟弱，而中下臺(tái)階圍巖較硬時(shí)，采用動(dòng)態(tài)分部施工施工工法，隧道中臺(tái)階可不設(shè)中隔墻，此時(shí)，隧道的開(kāi)挖方法用中隔墻將在上臺(tái)階分成左右兩部分。具體施工工序如下:①開(kāi)挖1部臺(tái)階，初噴砼封閉掌子面。施作1部洞身結(jié)構(gòu)的初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)，安設(shè)鎖腳錨桿，鎖腳錨桿要求與鋼架用鋼筋焊接。②跟進(jìn)開(kāi)挖支護(hù)2部，步驟同1部。③開(kāi)挖3部，安裝鋼架，鉆設(shè)錨桿，錨桿要求焊接在鋼架上。噴射混凝土至設(shè)計(jì)厚度。④開(kāi)挖4部，及時(shí)封閉初期支護(hù)。

4.1.2 中臺(tái)階設(shè)臨時(shí)中隔墻

當(dāng)隧道上、中臺(tái)階圍巖軟弱的時(shí)，隧道的開(kāi)挖方法用中隔墻將上、中臺(tái)階分成左右4部分。具體施工工序如下①開(kāi)挖1部臺(tái)階，初噴砼封閉掌子面，施作1部洞身結(jié)構(gòu)的初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)，安設(shè)鎖腳錨桿，鎖腳錨桿要求與鋼架用鋼筋焊接。②跟進(jìn)開(kāi)挖支護(hù)2部，步驟同1部。③開(kāi)挖支護(hù)3部，步驟同1部。④開(kāi)挖支護(hù)4部，步驟同1部。⑤開(kāi)挖支護(hù)5部，及時(shí)封閉初期支護(hù)。

4.2 動(dòng)態(tài)分部施工工法要點(diǎn)

采用動(dòng)態(tài)分部臺(tái)階法施工，中臺(tái)階及下臺(tái)階中隔墻根據(jù)地質(zhì)及監(jiān)控量測(cè)情況適當(dāng)加設(shè)。上臺(tái)階左側(cè)先行，右側(cè)滯后左側(cè)，中臺(tái)階跟進(jìn)。上臺(tái)階為土質(zhì)時(shí)采用人工開(kāi)挖預(yù)留核心土，均采用人工出碴。

4.2.1 108管棚超前預(yù)加固（進(jìn)洞時(shí)）

隧道拱部?jī)?nèi)采取加密的超前108長(zhǎng)管棚，注漿材料采用水泥漿或水泥一水玻璃雙液漿。

4.2.2 加強(qiáng)初期支護(hù)按照“強(qiáng)支護(hù)”施工理念，為減少隧道變形引起地表下沉，并保障施工安全，該地段主洞初期支護(hù)噴射混凝土厚度由25cm提高至28cm，鋼架由120a工字鋼改為122工字鋼,臨時(shí)仰拱采用120工字鋼，噴射混凝土厚25cm；中隔墻采用122工字鋼，噴射混凝土厚22cm。并加設(shè)鎖腳錨管，每鋼架下加設(shè)8根。

4.2.3 洞身開(kāi)挖

上臺(tái)階左側(cè)先行，右側(cè)滯后左側(cè)，設(shè)置直中隔墻，臨時(shí)仰拱根據(jù)底板地質(zhì)情況增設(shè)，中臺(tái)階及下臺(tái)階跟進(jìn)，中臺(tái)階中隔墻及臨時(shí)仰拱根據(jù)圍巖情況增設(shè)。上臺(tái)階為土質(zhì)時(shí)采用人工開(kāi)挖預(yù)留核心土，均采用人工出碴；中下臺(tái)階出現(xiàn)巖層，需進(jìn)行爆破時(shí)采用弱爆破，避免損壞初期支護(hù)，控制爆破速度不超過(guò)并按設(shè)計(jì)埋設(shè)注漿小導(dǎo)管，開(kāi)挖完成后及時(shí)噴硅封閉，每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺0.5m(即鋼架間距)。仰拱及時(shí)跟進(jìn)，仰拱支護(hù)每2-3m施工一次，仰拱襯砌5m一次。

5 結(jié)語(yǔ)

從復(fù)合地層和大斷面隧道的基本概念出發(fā)，分別闡述了隧道上軟下硬地層與大斷面隧道施工力學(xué)行為的基本特點(diǎn)，提出了動(dòng)態(tài)分部施工工法的基本概念，并根據(jù)橢圓形隧道受力機(jī)制和軸變理論分析了其力學(xué)原理，從理論上論證了該工法的實(shí)施有利于隧道施工的穩(wěn)定，為該工法的提出提供有力的理論依據(jù)，最后就其主要施工工藝及措施進(jìn)行了具體介紹。

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