劉 國(guó) 棟

(中鐵城市發(fā)展投資集團(tuán)有限公司，四川 成都 610000)

1 概述

超大斷面隧道，學(xué)界判斷標(biāo)準(zhǔn)較多，一般以國(guó)際隧道協(xié)會(huì)和日本隧道相關(guān)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)，國(guó)際隧道協(xié)會(huì)對(duì)超大斷面隧道的判斷標(biāo)準(zhǔn)為隧道凈空斷面面積不小于100 m2，日本隧道相關(guān)規(guī)范規(guī)定開(kāi)挖面積大于140 m2的隧道為超大斷面隧道。本文對(duì)超大斷面隧道的定義采用日本隧道規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

三車(chē)道超大斷面隧道在國(guó)內(nèi)施工較少，相關(guān)設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)的積累也較為欠缺，本文結(jié)合巖頭山隧道的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)成果，對(duì)三車(chē)道超大斷面隧道施工過(guò)程中開(kāi)挖工法對(duì)圍巖及襯砌的變形的影響進(jìn)行了分析研究，為不同地質(zhì)條件下采用何種開(kāi)挖工法的施工優(yōu)化提供了相關(guān)依據(jù)，并以期為類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

2 工程背景

巖頭山隧道莆炎高速三明境尤溪中仙至建寧里心段YA17標(biāo)段，設(shè)計(jì)左線(xiàn)樁號(hào)：ZK229+225～ZK231+429，全長(zhǎng)2 204 m，設(shè)計(jì)右線(xiàn)樁號(hào)：K229+210～K231+409，全長(zhǎng)2 199 m。設(shè)計(jì)內(nèi)輪廓斷面凈寬15.44 m，凈高9.94 m。洞身開(kāi)挖面積SX5-3，SX5-2，SX5-1三種Ⅴ級(jí)隧道襯砌類(lèi)型分別為161.97 m2,159.54 m2,156.32 m2,148.69 m2,均大于140 m2,為超大斷面隧道。

該隧道進(jìn)口200 m左右為Ⅴ級(jí)圍巖，主要以⑦-2砂質(zhì)粘性土、-1-1全風(fēng)化花崗巖、-1-2砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、-1-3碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖為主(見(jiàn)表1)。

表1 主要圍巖力學(xué)參數(shù)表

本次監(jiān)控量測(cè)研究段落為ZK229+252～ZK229+272段落，均屬于Ⅴ級(jí)圍巖，埋深在20 m～30 m之間，均屬于淺埋段落。

本段隧道原設(shè)計(jì)斷面尺寸及開(kāi)挖工法如圖1所示，開(kāi)挖工法采用中隔壁法，開(kāi)挖前掌子面拱部施作φ25中空注漿錨桿，邊墻施作φ22砂漿錨桿，開(kāi)挖后采用噴射混凝土及鋪掛鋼筋網(wǎng)封閉，并采用工字鋼支撐，二襯為55 cm厚C35鋼筋混凝土。

3 現(xiàn)場(chǎng)情況及工法變更

2019年5月，隧道左洞現(xiàn)場(chǎng)施工原設(shè)計(jì)工法由雙側(cè)壁導(dǎo)坑法改為中隔壁法，中隔壁法先行導(dǎo)坑施工6榀3 m至ZK229+253里程處，掌子面發(fā)生大的掉塊，監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)變化較大，掌子面難以自穩(wěn)，施工單位及時(shí)采取掌子面噴漿封閉及反壓回填等措施進(jìn)行處理，經(jīng)四方現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，現(xiàn)場(chǎng)掌子面多為砂質(zhì)粘土，且含水量較大，圍巖自穩(wěn)性極差。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)反饋推測(cè)掌子面前20 m范圍圍巖以全風(fēng)化砂質(zhì)粘土為主，巖質(zhì)極軟，巖體極破碎，呈松散狀結(jié)構(gòu)為主，層間結(jié)合差，圍巖自穩(wěn)能力差。

故決定從ZK229+253～ZK229+273段落開(kāi)挖工法由中隔壁法改為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

4 監(jiān)控量測(cè)及結(jié)果分析

超大斷面隧道淺埋段施工，所用工法工序復(fù)雜，開(kāi)挖順序及過(guò)程往往直接影響到圍巖及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，且該隧道淺埋段地質(zhì)情況極差，圍巖自穩(wěn)性差，自穩(wěn)時(shí)間長(zhǎng)，采用監(jiān)控量測(cè)的手段是保證施工安全的必要手段。

本次監(jiān)控量測(cè)分別對(duì)隧道拱頂沉降，圍巖收斂及地表沉降進(jìn)行了布點(diǎn)觀測(cè)，并從ZK229+252～ZK229+272段洞內(nèi)每5 m進(jìn)行一次布點(diǎn)，地表沉降每10 m進(jìn)行一次布點(diǎn)，布點(diǎn)情況如圖2～圖4所示,施工工序如圖5所示。

隧道監(jiān)測(cè)從2019年5月開(kāi)始進(jìn)行，該段落檢測(cè)至8月底結(jié)束，隧道監(jiān)測(cè)工作采集到大量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，本文重點(diǎn)以洞內(nèi)及地表ZK229+252～ZK229+272段檢測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行分析研究，沉降數(shù)據(jù)結(jié)果如表2，表3所示(由于篇幅有限，本文數(shù)據(jù)僅展示監(jiān)測(cè)最終位移結(jié)果)。

表2 巖頭山隧道進(jìn)口左洞拱頂沉降監(jiān)測(cè)值

表3 巖頭山隧道進(jìn)口左洞地表監(jiān)測(cè)值

對(duì)以上監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知：

1)對(duì)于同一斷面拱頂沉降A(chǔ)測(cè)點(diǎn)稍大于C測(cè)點(diǎn)，A,C兩測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)大于B測(cè)點(diǎn)，主要是因?yàn)锳測(cè)點(diǎn)處于先行導(dǎo)洞，C測(cè)點(diǎn)處于后行洞，先行洞承受的圍巖壓力大，后行洞開(kāi)挖時(shí)先行洞已趨于穩(wěn)定，故C測(cè)點(diǎn)沉降較A測(cè)點(diǎn)小。

2)對(duì)于不同斷面相同位置處拱頂沉降，ZK229+252斷面明顯大于其他三個(gè)斷面，且越往大里程，拱頂沉降值越小，分析可知ZK229+252斷面處于中隔壁法開(kāi)挖段落，單導(dǎo)坑跨度大，臨時(shí)支撐數(shù)量少，拱部承受集中荷載大，且處于工法變化段落，對(duì)圍巖擾動(dòng)相對(duì)來(lái)說(shuō)較大，故沉降值明顯大于其他三個(gè)斷面。越往大里程沉降值越小是因?yàn)殡S著隧道開(kāi)挖逐漸加深，隧道埋深也逐漸增大，隧道淺埋帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)逐漸減小，且5月，6月處于三明地區(qū)雨季，埋深越淺，地表補(bǔ)水對(duì)圍巖的穩(wěn)定性影響越大，埋深越深，地表水的影響也逐漸變小。

3)對(duì)圍巖收斂數(shù)據(jù)分析來(lái)看，ZK229+252明顯小于其他三個(gè)斷面，而ZK229+252采用中隔壁法開(kāi)挖，其他三個(gè)斷面均采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖，且初支錨桿、噴混、鋼架型號(hào)均相同，通常來(lái)說(shuō)應(yīng)該是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法更好控制圍巖的收斂變形，而數(shù)據(jù)結(jié)果恰恰與此相反。對(duì)于此種情況，研究小組從圍巖受力分析的角度難以得出與數(shù)據(jù)相似的結(jié)論，通過(guò)多次與施工單位及現(xiàn)場(chǎng)工人的溝通調(diào)查發(fā)現(xiàn)，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法由于將整個(gè)開(kāi)挖面分為了三個(gè)導(dǎo)坑，單個(gè)導(dǎo)坑工作面狹小，而隧道初支鋼架鎖腳錨桿單根長(zhǎng)4 m，在狹小空間內(nèi)進(jìn)行鎖腳錨桿的施工很難保證鎖腳錨桿滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的插入角度，所以采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，很多鎖腳錨桿斜插入巖體中，受力較差；而中隔壁法施工時(shí)作業(yè)空間大，均可以按照設(shè)計(jì)施工，滿(mǎn)足鎖腳錨桿設(shè)計(jì)的插入角度，這樣就很好的解釋了為什么采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法反而圍巖收斂值更大的問(wèn)題了。

4)對(duì)地表兩組檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比可明顯看到ZK229+252處地表沉降大于ZK229+262，這與拱頂ZK229+252處沉降較大的數(shù)據(jù)相互對(duì)應(yīng)，原因與第二點(diǎn)分析原因相類(lèi)似，主要是工法的不同對(duì)隧道拱頂支撐能力的差別而導(dǎo)致沉降數(shù)據(jù)存在明顯差異。

5)在監(jiān)測(cè)過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：

a.采用中隔壁法施工的段落拱頂日沉降值最大一次達(dá)到19.3 mm，而采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工的段落最大日沉降值僅為7.8 mm，兩者差距很大。

b.采用中隔壁法施工的段落圍巖從開(kāi)挖后到日沉降值穩(wěn)定在1 mm以下間隔了23 d，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法從開(kāi)挖后到日沉降值穩(wěn)定在1 mm以下時(shí)間最長(zhǎng)的斷面間隔時(shí)間僅為18 d。充分證明采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法更有利于圍巖自穩(wěn)。

5 結(jié)語(yǔ)

1)采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行超大斷面淺埋隧道施工相較于中隔壁法更有利于圍巖控制圍巖的變形，盡管采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序復(fù)雜，開(kāi)挖進(jìn)度緩慢，但在淺埋段可以更好的控制圍巖變形，更有利于施工安全。

2)圍巖變形是時(shí)空效應(yīng)相互累加的結(jié)果，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相較于中隔壁法更有利于隧道短時(shí)間內(nèi)自穩(wěn)，且相同地質(zhì)條件下，同處于淺埋地段，隧道埋深越深，自穩(wěn)時(shí)間越短。

3)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工空間狹小，采用傳統(tǒng)的4 m長(zhǎng)鎖腳錨桿現(xiàn)場(chǎng)施工很難保證插入角度，使得鎖腳錨桿的效果大打折扣，這點(diǎn)應(yīng)引起設(shè)計(jì)及施工的充分注意，是否在設(shè)計(jì)或施工時(shí)對(duì)于采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工的段落錨桿長(zhǎng)度可相應(yīng)調(diào)整，并增加鎖腳錨桿數(shù)量來(lái)保證初支鋼架充分受力。

4)對(duì)于同一隧道相同斷面，無(wú)論是采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法還是中隔壁法，先行洞的沉降及變形均大于后行洞，所以本文建議在隧道施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)先行洞的監(jiān)控量測(cè)及必要的臨時(shí)支護(hù)手段來(lái)保證先行洞的變形處于可控范圍內(nèi)，在隧道開(kāi)挖工法設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)該對(duì)此有所考量。