劉立明

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司土建院，天津 300142)

大跨度軟弱圍巖隧道施工一直是個(gè)工程上的技術(shù)難題，由于圍巖軟弱、開(kāi)挖跨度大，使得圍巖的穩(wěn)定性難以控制，施工控制不當(dāng)?shù)脑捒赡艹霈F(xiàn)大變形、塌方冒頂或邊仰坡垮塌等事故。尤其是結(jié)構(gòu)高跨比較小的隧道，其呈現(xiàn)出的扁平狀更加不利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，扁平狀洞室開(kāi)挖后很容易降低圍巖穩(wěn)定性，集中圍巖的應(yīng)力，相對(duì)地增大了其松弛壓力，當(dāng)圍巖變形應(yīng)力超過(guò)支護(hù)結(jié)構(gòu)提供的內(nèi)力時(shí)，便會(huì)直接威脅到隧道的施工安全。因此，對(duì)于超大斷面隧道，特別是在淺埋軟弱圍巖條件下修建大斷面隧道，選擇一種合理的施工方法及相應(yīng)的支護(hù)體系對(duì)于安全、經(jīng)濟(jì)、快速地進(jìn)行隧道施工具有十分重要的意義。

新建京沈與盤(pán)營(yíng)客專聯(lián)絡(luò)線工程燕都隧道，進(jìn)口段受京沈客專朝陽(yáng)北站疏解方案及線路曲線影響，隧道內(nèi)線間距由8.4 m漸變至5.0 m。隧道最大開(kāi)挖斷面寬18.2 m，開(kāi)挖面積215 m2，埋深17.6 m，隧道穿越土層有人工填土、粉質(zhì)黏土、泥巖、砂巖、礫巖等。本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)燕都隧道地質(zhì)、水文、地形條件的特點(diǎn)，提出一套適用于大跨度軟弱圍巖隧道開(kāi)挖的新方法，即爆破控制、多層次強(qiáng)支護(hù)和三臺(tái)階法開(kāi)挖相結(jié)合的綜合施工技術(shù)，有效地解決了大跨度淺埋軟弱圍巖隧道下穿建筑物而引起的地面變形過(guò)大、施工風(fēng)險(xiǎn)過(guò)高等問(wèn)題，為未來(lái)類似工程的建設(shè)提供了借鑒。本文將結(jié)合燕都隧道的特點(diǎn)，對(duì)爆破控制、多層次強(qiáng)支護(hù)和三臺(tái)階法開(kāi)挖相結(jié)合的綜合施工技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的論述。

1 工程概況

燕都隧道位于遼寧省朝陽(yáng)市雙塔區(qū)燕都鎮(zhèn)姜家窩鋪村境內(nèi)，為單洞雙線隧道，隧道進(jìn)口里程為DIK4+868，出口里程為DIK6+000，全長(zhǎng)1132 m。隧道位于低山丘陵地區(qū)，地形稍有起伏，植被較發(fā)育，多辟為耕地，隧道最大埋深52.91 m，在DIK5+310～DIK5+370 m處下穿既有環(huán)城公路。

隧道沿線地表周邊為某部隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)訓(xùn)練用地、朝陽(yáng)市環(huán)城公路等。線路走行區(qū)地下管線較密集，主要有天然氣管線、雨水管及通信管線，基本沿環(huán)城公路路側(cè)分布。隧道洞身下穿既有環(huán)城公路、人行天橋及改移道路等構(gòu)筑物情況詳見(jiàn)表1。

表1 燕都隧道穿越既有環(huán)城公路、人行天橋等構(gòu)筑物情況統(tǒng)計(jì)

隧道區(qū)范圍內(nèi)表覆第四系全新統(tǒng)坡洪積層(Q4dl+pl)粉質(zhì)黏土，第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)粉質(zhì)黏土，下伏侏羅系上統(tǒng)九佛堂組(J3jf)砂巖、礫巖，巖層產(chǎn)狀160°∠19°。隧道區(qū)地下水類型主要為基巖裂隙水?；鶐r裂隙潛水分布較廣，以淺部為主，含于基巖風(fēng)化帶、風(fēng)化裂隙及構(gòu)造節(jié)理裂隙中，水位和水量受季節(jié)降雨量影響明顯。

隧道進(jìn)口DK4+896～DK4+936段采用大跨路塹式明洞襯砌(內(nèi)輪廓標(biāo)準(zhǔn)線間距D=8.0 m)，填土高度不大于4 m。隧道進(jìn)口DIK4+936～DIK5+400段線間距由7.5 m漸變至5.0 m，漸變段長(zhǎng)度464 m。綜合考慮大跨度變截面暗挖隧道地質(zhì)條件、工程風(fēng)險(xiǎn)、近接構(gòu)筑物影響及施工難度等因素，將隧道進(jìn)口大跨暗挖段劃分為5個(gè)段落，具體情況如圖1所示。

2 大跨度軟弱圍巖隧道變形控制方法

對(duì)于大跨度軟弱圍巖隧道來(lái)說(shuō)，選擇適當(dāng)?shù)氖┕し椒ㄓ葹橹匾?，若施工方法選擇不當(dāng)，將會(huì)極大促進(jìn)隧道大變形的產(chǎn)生，隧道施工方法、支護(hù)措施以及支護(hù)強(qiáng)度將直接決定大變形的發(fā)生。

2.1 控制爆破

掌子面前方巖體在未受到施工擾動(dòng)時(shí)，處于初始應(yīng)力狀態(tài)。隨著隧道的開(kāi)挖，受掌子面向前推進(jìn)和隧道爆破開(kāi)挖的影響，巖體受到擾動(dòng)，初始應(yīng)力場(chǎng)的平衡被打破，洞周巖體初始地應(yīng)力的大小和主應(yīng)力方向均會(huì)在一定程度上發(fā)生調(diào)整。尤其對(duì)于軟弱圍巖隧道，受開(kāi)挖影響產(chǎn)生的松動(dòng)區(qū)和塑性區(qū)范圍較大，圍巖的力學(xué)參數(shù)迅速降低，應(yīng)力重分布的結(jié)果往往會(huì)超過(guò)圍巖的承載力，這也就形成了變形失控的結(jié)果。在隧道開(kāi)挖的過(guò)程中采用控制爆破的方式，減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)，保持圍巖的完整程度，對(duì)于控制大跨度軟弱圍巖隧道的變形尤為重要。

圖1 進(jìn)口線間距漸變段平面示意

2.2 多層次強(qiáng)支護(hù)

采用多層次強(qiáng)支護(hù)施工，先開(kāi)挖斷面并施作相應(yīng)的支護(hù)，緊貼初期支護(hù)的松散巖體隨著第一層初期支護(hù)共同變形，力學(xué)參數(shù)增長(zhǎng)恢復(fù)過(guò)程相對(duì)較慢，形成一定的壓密區(qū)。隨著第二層鋼架的施作，初期支護(hù)的支護(hù)強(qiáng)度大大提高，圍巖的變形受到支護(hù)反力增強(qiáng)，巖體力學(xué)參數(shù)被快速提高。隨著仰拱施作，初期支護(hù)閉合成環(huán)，壓密區(qū)受到的擠壓作用力逐漸趨于穩(wěn)定，圍巖變形速率大幅減小，巖體力學(xué)參數(shù)增長(zhǎng)速率逐漸減小，從而圍巖與支護(hù)體系達(dá)到了平衡狀態(tài)。在整個(gè)開(kāi)挖—支護(hù)的過(guò)程中，隨著圍巖變形、破壞的發(fā)展，多層次強(qiáng)支護(hù)的支護(hù)方法將圍巖應(yīng)力向深部進(jìn)行了轉(zhuǎn)移。

2.3 臺(tái)階法施工

采用臺(tái)階法施工，隧道斷面一次成型，通過(guò)加強(qiáng)永久支護(hù)的方式控制隧道圍巖變形，減少了拆換臨時(shí)支護(hù)的工序。若對(duì)大跨度隧道采用分?jǐn)嗝骈_(kāi)挖時(shí)，臨時(shí)支護(hù)的拆除會(huì)打破支護(hù)結(jié)構(gòu)的平衡，破壞原有結(jié)構(gòu)的應(yīng)力平衡，不利于充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力，對(duì)于最終變形的控制，效果并不明顯，且臨時(shí)支護(hù)的施作不利于隧道內(nèi)快挖快支作業(yè)。臺(tái)階法配合控制爆破+多層次強(qiáng)支護(hù)的綜合施工技術(shù)適用于大跨度軟弱圍巖隧道的施工環(huán)境，可有效控制隧道變形，在確保施工質(zhì)量的同時(shí)，達(dá)到了安全且經(jīng)濟(jì)的效果。

3 燕都隧道施工方案

3.1 開(kāi)挖工法

為保證燕都隧道的安全修建，在下穿既有建筑物地段采用三臺(tái)階法施工，同時(shí)優(yōu)化上臺(tái)階開(kāi)挖高度，最終上臺(tái)階開(kāi)挖高度4 m，一次開(kāi)挖2榀鋼架間距，中臺(tái)階高度3.6 m，下臺(tái)階高度3.8 m，中、下臺(tái)階一次開(kāi)挖進(jìn)尺均為1.2 m，如圖2所示。

圖2 燕都隧道三臺(tái)階法開(kāi)挖示意(單位:cm)

圖3 燕都隧道復(fù)合式襯砌斷面(單位:cm)

3.2 施工順序

燕都隧道采用復(fù)合式襯砌斷面形式，如圖3所示，隧道施工順序?yàn)椋?/p>

(1)開(kāi)挖上臺(tái)階，上臺(tái)階高4 m，采取控制爆破+機(jī)械開(kāi)挖相結(jié)合方式進(jìn)行施工，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)燃?xì)夤芫€附近地表的監(jiān)測(cè)。

(2)開(kāi)挖完成后，安裝鋼拱架與鋼筋網(wǎng)，進(jìn)行超前支護(hù)，噴射混凝土混凝土至設(shè)計(jì)厚度進(jìn)行初期支護(hù)，最后根據(jù)要求施作系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨桿。

(3)繼續(xù)開(kāi)挖上臺(tái)階，若下一次開(kāi)挖上臺(tái)階后將與中臺(tái)階距離超過(guò)5 m，則停止開(kāi)挖。

(4)開(kāi)挖中臺(tái)階，中臺(tái)階兩側(cè)錯(cuò)開(kāi)施工，左右側(cè)縱向間距不小于3 m，中臺(tái)階與下臺(tái)階縱向間距控制在5～10 m。

(5)施作第二層初期支護(hù)，每個(gè)循環(huán)施作4～6榀鋼架，并在拱腳位置處施作鎖腳錨桿。

(6)開(kāi)挖下臺(tái)階，下臺(tái)階兩側(cè)錯(cuò)開(kāi)施工，左右側(cè)縱向間距不小于3 m。下臺(tái)階兩層初期支護(hù)分層次進(jìn)行鋼架安裝，鋼筋網(wǎng)安裝和初期支護(hù)混凝土噴射。

(7)開(kāi)挖深埋中心水溝，深埋中心水溝一次開(kāi)挖長(zhǎng)度不大于5 m。

(8)開(kāi)挖隧底，施作鋼拱架進(jìn)行封閉成環(huán)。

(9)施作仰拱及仰拱填充。

(10)施作防水及二次襯砌。

3.3 控制爆破方案

燕都隧道實(shí)施光面爆破設(shè)計(jì)，不僅有利于圍巖穩(wěn)定，避免超、欠挖，同時(shí)具有減振的作用。為了充分發(fā)揮炸藥的最大爆破效率和減小對(duì)圍巖的破壞，周邊孔采用小直徑藥卷不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，并采用導(dǎo)爆索藥串引爆。采用的炸藥為低爆速(爆速2 000 m/s)或小直徑藥卷(25 mm或32 mm的藥卷)類型，采用這類炸藥與這種裝藥方式就可以達(dá)到良好的光面爆破效果。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開(kāi)挖斷面及高度，制定相應(yīng)鉆孔參數(shù)，輔助炮眼交錯(cuò)均勻布置，周邊炮眼與輔助炮眼眼底在同一垂直面上，掏槽炮眼加深20 cm，采用直孔掏槽。嚴(yán)格控制周邊眼的裝藥量，采用間隔裝藥，使藥量沿炮眼全長(zhǎng)均勻分布，導(dǎo)爆索起爆(圖4)。

圖4 炮孔布置示意

4 施工監(jiān)測(cè)及效果分析

4.1 爆破監(jiān)測(cè)

(1)測(cè)點(diǎn)處質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)能真實(shí)反映爆破振動(dòng)對(duì)被保護(hù)燃?xì)夤芫€的影響。

(2)測(cè)點(diǎn)處介質(zhì)振動(dòng)須排除其他振動(dòng)的影響。

(3)在燃?xì)夤芫€附近地面布置測(cè)點(diǎn)。

(4)若需獲得振動(dòng)衰減規(guī)律，測(cè)點(diǎn)至爆源距離按近密遠(yuǎn)疏的對(duì)數(shù)規(guī)律布置。

(5)根據(jù)測(cè)振結(jié)果來(lái)驗(yàn)證控制爆破振動(dòng)的效果，如出現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)值異常，應(yīng)分析原因及時(shí)調(diào)整。

4.2 變形監(jiān)測(cè)

地面沉降直接在地表布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)測(cè)量位移監(jiān)測(cè)沉降。

洞內(nèi)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的埋設(shè)方法和拱頂下沉監(jiān)測(cè)點(diǎn)的埋設(shè)方法相同；圍巖周邊收斂點(diǎn)與拱頂下沉監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在同一斷面上，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。結(jié)合監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)位埋設(shè)要求及現(xiàn)場(chǎng)施工現(xiàn)狀，對(duì)于三臺(tái)階開(kāi)挖方法，凈空變化設(shè)置的高度為臺(tái)階底以上1.5 m，如圖5所示。

圖5 隧道監(jiān)控量測(cè)測(cè)點(diǎn)布置

4.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

對(duì)隧道開(kāi)挖爆破進(jìn)行監(jiān)測(cè)：隧道在不同里程爆破開(kāi)挖產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)最大震動(dòng)速度均小于5.5 cm/s，滿足規(guī)范要求，表明燕都隧道施工控制爆破措施有效。

對(duì)隧道洞內(nèi)變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)：洞內(nèi)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)最大的位置產(chǎn)生在DK5+080處，最大拱頂沉降為21.9 mm；洞內(nèi)收斂值最大位置產(chǎn)生在DK4+975處，最大收斂值為26.2 mm。兩處圍巖均穩(wěn)定，不影響正常施工。

對(duì)隧道地表上方環(huán)城公路左右邊坡和路肩分別進(jìn)行沉降觀測(cè)：其中左側(cè)邊坡坡頂累計(jì)沉降量最大值1.5 mm，坡腳累計(jì)沉降量最大值1.3 mm；右側(cè)邊坡坡頂累計(jì)沉降量最大值1.4 mm，坡腳累計(jì)沉降量最大值1.3 mm；左側(cè)路肩累計(jì)沉降量最大值0.4 mm，右側(cè)路肩累計(jì)沉降量最大值0.2 mm。根據(jù)設(shè)計(jì)中對(duì)周邊環(huán)境檢測(cè)項(xiàng)目控制值的要求，周邊環(huán)境穩(wěn)定，變形均控制在容許范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)大跨度軟弱圍巖隧道結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)，并結(jié)合燕都隧道的施工技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，形成了大跨度軟弱圍巖隧道變形控制關(guān)鍵技術(shù)。主要包括以下幾點(diǎn)：

(1)本文結(jié)合新建京沈與盤(pán)營(yíng)客專聯(lián)絡(luò)線燕都隧道的設(shè)計(jì)與施工情況，從設(shè)計(jì)的角度介紹了一種適用于復(fù)雜環(huán)境下大跨度軟弱圍巖隧道修建技術(shù)——控制爆破、多層次強(qiáng)支護(hù)和三臺(tái)階法開(kāi)挖相結(jié)合的綜合施工技術(shù)。

(2)從施工力學(xué)角度闡述了軟弱圍巖隧道巖體力學(xué)參數(shù)隨施工的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，并提出“多層次強(qiáng)支護(hù)臺(tái)階法”的施工理念；基于燕都隧道的成功實(shí)施，從能量釋放和軟弱圍巖支護(hù)原理角度，提出控制爆破、多層次強(qiáng)支護(hù)和三臺(tái)階法開(kāi)挖相結(jié)合的綜合施工技術(shù)。

(3)燕都隧道大跨度段的成功開(kāi)挖表明，采用控制爆破、多層次強(qiáng)支護(hù)和三臺(tái)階法開(kāi)挖相結(jié)合施工方案是可行的，達(dá)到了控制大跨度軟弱圍巖隧道變形和安全施工的目的。

(4)本施工技術(shù)將開(kāi)挖方法與支護(hù)結(jié)構(gòu)的合理組合，成功地解決了復(fù)雜環(huán)境下大跨度軟弱圍巖隧道修建時(shí)變形難以控制的技術(shù)難題，拓展了隧道建設(shè)新思路，建立了隧道建設(shè)新方法。