摘要：針對(duì)大斷面的公路隧道，需要采用全斷面開(kāi)挖的工法進(jìn)行施工，但是不同的工法之間采用的支護(hù)形式有很大差別，在傳統(tǒng)的工法轉(zhuǎn)換過(guò)程中，容易出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)而延誤工期。文章以某市的公路隧道工程為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)一種全斷面開(kāi)挖大跨度公路隧道施工工法轉(zhuǎn)換方法并驗(yàn)證其有效性。結(jié)果表明，使用該施工工法轉(zhuǎn)換方案下，10次實(shí)驗(yàn)的平均施工耗時(shí)為153.5 h，有效縮短了工期，滿足施工工程的要求，能夠?yàn)槿珨嗝骈_(kāi)挖大跨度公路隧道的施工提供較好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：全斷面開(kāi)挖;大跨度公路隧道;工法轉(zhuǎn)換

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：U455.41+2-A-29-097-3

0 引言

為了滿足我國(guó)交通運(yùn)輸?shù)男枨螅方ㄔO(shè)不斷向山區(qū)發(fā)展，由于一些公路工程會(huì)受到復(fù)雜困難山區(qū)地形的限制，在施工工程跨度較大時(shí)一般都采取分部開(kāi)挖這種比較保守的方式來(lái)施工，但是在這種情況下，會(huì)使得施工工作面較小，一些大型設(shè)備無(wú)法進(jìn)場(chǎng)，影響施工的進(jìn)度[1-2]，因此針對(duì)大斷面的公路隧道，需要采用全斷面開(kāi)挖的工法進(jìn)行施工。這種全斷面開(kāi)挖的大跨度公路隧道在施工過(guò)程中的難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，對(duì)于施工的技術(shù)和質(zhì)量有著很高的要求。在施工過(guò)程中，需要根據(jù)地質(zhì)圍巖情況的不同，而采用不同的施工方法，才能夠保證良好的工程效果。但是不同的工法之間采用的支護(hù)形式有很大差別，在傳統(tǒng)的工法轉(zhuǎn)換過(guò)程中，容易出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)而延誤工期。因此本文設(shè)計(jì)了一種全斷面開(kāi)挖大跨度公路隧道施工工法轉(zhuǎn)換方法。

1 全斷面開(kāi)挖大跨度公路隧道施工工法轉(zhuǎn)換研究

在工法轉(zhuǎn)換的研究過(guò)程中，選擇某市的公路隧道工程作為研究對(duì)象[3]，該公路隧道工程位于高速線上的雙線隧道。該隧道出口的正洞里程D0H664+359～D0H664+459段設(shè)置為全斷面開(kāi)挖大跨度公路隧道施工工程的試驗(yàn)方案試驗(yàn)段，全長(zhǎng)113 m，全斷面開(kāi)挖面積為157.3 m2，屬于陶造溶蝕、侵蝕中山地貌區(qū)。隧道進(jìn)口段為V級(jí)圍巖段，分為淺埋和加強(qiáng)段，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，其表層有殘積土。主體的地勢(shì)呈現(xiàn)北東-南西向延展，局部山形呈北西走向分布，高北低南。最高峰標(biāo)高1 540 m，最低點(diǎn)標(biāo)高675 m，該區(qū)域人口稀少，植被茂密。地層上覆蓋粉質(zhì)黏土、卵石土、粗角礫土、白云巖等，地質(zhì)構(gòu)造中肉眼可見(jiàn)2個(gè)背斜與1個(gè)向斜構(gòu)造，并存在若干斷層。本文的工法轉(zhuǎn)換研究以此工程作為分析實(shí)例，進(jìn)行深入探討。

1.1 公路隧道監(jiān)控量測(cè)

在公路隧道的施工過(guò)程中，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)得到的數(shù)據(jù)對(duì)施工區(qū)域的圍巖狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)，為施工技術(shù)的選擇提供依據(jù)[4-5]。在監(jiān)控量測(cè)過(guò)程中，首先要根據(jù)工程的實(shí)際情況確定監(jiān)測(cè)參數(shù)，斷面分布如圖1所示。

圖1 監(jiān)控量測(cè)斷面分布示意圖

根據(jù)監(jiān)控量測(cè)的內(nèi)容在工作斷面中布置檢測(cè)儀器的位置，并測(cè)量出施工工程地層的鋼拱架應(yīng)力、初支混凝土內(nèi)力、圍巖壓力以及地層位移，另外還需要測(cè)量出與參數(shù)相關(guān)的圍巖壓力以及混凝土內(nèi)力等[6]。在得到檢測(cè)數(shù)據(jù)之后，需要對(duì)圍巖地層各個(gè)斷面的檢測(cè)內(nèi)容數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并選擇適合的施工工法。由于該隧道工程的表層存在一定殘積土，土的厚度在0.3～9.4 m之間，導(dǎo)致其自身的穩(wěn)定性不高，且本文選擇的工程案例為全斷面開(kāi)挖大跨度工程，開(kāi)挖的斷面面積比較大，對(duì)于圍巖的穩(wěn)定性也會(huì)有一定影響。為了將穩(wěn)定性影響降到最低，需要將施工工程進(jìn)行分段，對(duì)于不同的施工段要采用不同的施工工藝。隧道的進(jìn)口段圍巖穩(wěn)定性較弱，需要增加開(kāi)挖步驟來(lái)減少開(kāi)挖面積，因此可以采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑工藝來(lái)增加圍巖的穩(wěn)定性。對(duì)于工程中穩(wěn)固性稍強(qiáng)的Ⅳ級(jí)圍巖，可以使用CRD法進(jìn)行施工，在保證安全的前提下，簡(jiǎn)化了雙側(cè)壁導(dǎo)坑工藝的施工步驟，保證施工進(jìn)度。

1.2 優(yōu)化安全步距

對(duì)于不同級(jí)別的圍巖條件，我國(guó)公路隧道施工的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)施工安全步距進(jìn)行了明確的要求（見(jiàn)表1）。

劃分安全步距主要依據(jù)的是經(jīng)驗(yàn)取值，對(duì)于不同支護(hù)條件和施工的具體要求沒(méi)有進(jìn)行細(xì)分，因此需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化[7]，這對(duì)于施工工法的轉(zhuǎn)換，是一個(gè)重要的保障前提。在優(yōu)化的過(guò)程中，需要嚴(yán)格按照規(guī)范中的安全步距進(jìn)行施工，針對(duì)本文的工程實(shí)例，隧道進(jìn)口段為Ⅴ級(jí)圍巖，相鄰的Ⅳ級(jí)圍巖主要為中分化灰?guī)r，穩(wěn)定性相對(duì)較強(qiáng)，則采用CRD工法技術(shù)進(jìn)行施工。但是這兩種工法的分部開(kāi)挖面積有一定差異，為了避免窩工情況出現(xiàn)，保證施工整體能夠順利銜接，因此在整體的施工過(guò)程中需要進(jìn)行施工工法的轉(zhuǎn)換。施工轉(zhuǎn)換的過(guò)渡施工段長(zhǎng)為8 m，起止樁號(hào)為D0H664+347～D0H664+356，涉及的工法轉(zhuǎn)換為雙側(cè)壁導(dǎo)坑工藝與CRD工藝之間的轉(zhuǎn)換。施工示意圖如圖2所示。

圖2 兩種工法的分部開(kāi)挖對(duì)比示意圖

圖2中，實(shí)線部分為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，虛線部分為CRD工藝，在轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，需要保證的前提就是要使兩種工法保持一致的安全步距，因此在施工時(shí)，可以通過(guò)控制臨時(shí)豎撐高度來(lái)控制安全步距，保證各分部豎向尺寸在工法轉(zhuǎn)換時(shí)有一定的過(guò)渡連續(xù)性，在施工過(guò)程中也能降低施工難度，保證施工質(zhì)量。安全步距的優(yōu)化模型可以表示為式（1）：

-MID2≤[σ]（1）

式中：M——隧道拱頂以上覆蓋層厚度（m）;

I——隧道上覆圍巖重度（kN/m3）;

D——梁截面圓環(huán)外徑，其值可取為隧道的等效開(kāi)挖寬度（m）;

σ——彎矩（kN/m）。

將各項(xiàng)值進(jìn)行帶入計(jì)算，在不同的工況下可以完成安全步距的確定。在動(dòng)態(tài)分部開(kāi)挖工程中，需要根據(jù)公路隧道的工程跨度、開(kāi)挖面的范圍以及圍巖的穩(wěn)定程度，可以劃分為中隔墻的兩種情況。當(dāng)施工隧道的上臺(tái)階圍巖穩(wěn)定性差，而中下臺(tái)階的圍巖穩(wěn)定性較強(qiáng)時(shí)，不需要設(shè)置中隔墻，反之則需要。在不同的工況下，需要根據(jù)地質(zhì)監(jiān)測(cè)情況適當(dāng)加設(shè)中下臺(tái)階的中隔墻，來(lái)增加安全步距。

1.3 工法轉(zhuǎn)換

在過(guò)渡段進(jìn)行施工的過(guò)程中，公路隧道的工法轉(zhuǎn)換采用20～25榀的豎向鋼支撐由雙側(cè)壁導(dǎo)坑工藝過(guò)渡到加強(qiáng)CRD法，每榀的間距在0.6 m，且尺寸逐漸擴(kuò)大，最后間距都保持在2.8 m。為使施工階段在過(guò)渡時(shí)技術(shù)曲線保證圓滑、順暢，需要在漸變過(guò)程中逐漸改變線形，使CRD法豎向鋼支撐線形與相反的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法豎撐進(jìn)行靠攏，為后續(xù)施工提供便利條件[8]。具體的施工步驟為：將臨時(shí)的中墻向隧道中線緩慢移動(dòng)，左右兩側(cè)的導(dǎo)坑臨時(shí)仰拱會(huì)隨著左右兩側(cè)的臨時(shí)中墻的移動(dòng)而移動(dòng)，距離逐步變寬，使得中間導(dǎo)坑臨時(shí)仰拱距離變小;當(dāng)左側(cè)臨時(shí)中墻和右側(cè)臨時(shí)中墻距離為0時(shí)停止平移，并取消右側(cè)臨時(shí)中墻，保留左側(cè)并轉(zhuǎn)換為CRD法中的中間臨時(shí)中墻，完成工法的轉(zhuǎn)換。經(jīng)過(guò)過(guò)渡之后，使用CRD法的加強(qiáng)段在支護(hù)的初期仍然需要采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的支護(hù)參數(shù)作為施工依據(jù)，在臨時(shí)支護(hù)過(guò)程中采用加強(qiáng)后的支護(hù)參數(shù)。對(duì)不同級(jí)別的圍巖采用不同施工工藝，能夠在保證施工安全的情況下完成工藝之間的轉(zhuǎn)換，最大程度地避免時(shí)間浪費(fèi)，保證工期，節(jié)約施工成本。

2 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的工法轉(zhuǎn)換方式具有一定的有效性，在Sumlink軟件上分別使用本文轉(zhuǎn)換方法和傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換方法對(duì)上文所述的工況進(jìn)行模擬，得到兩種方案的實(shí)驗(yàn)工時(shí)結(jié)果，如表2所示。

在軟件的支持下，分別使用傳統(tǒng)的施工工法轉(zhuǎn)換方案和本文設(shè)計(jì)的工法轉(zhuǎn)換方案進(jìn)行，每種方案在軟件中進(jìn)行了10次實(shí)驗(yàn)，得到傳統(tǒng)方案的10次實(shí)驗(yàn)平均施工耗時(shí)為253.2 h，而使用本文施工工法轉(zhuǎn)換方案下，10次實(shí)驗(yàn)的平均施工耗時(shí)為153.5 h。從上表中的結(jié)果可以明顯看出，本文設(shè)計(jì)的方案能夠有效縮短工時(shí)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)具體的實(shí)例工況進(jìn)行分析，優(yōu)化了不同施工工法下的轉(zhuǎn)換方案，在保證安全的同時(shí)提高施工效率，縮短施工時(shí)間。最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換方案能夠有效縮短工期，滿足施工工程的要求，能夠?yàn)槿珨嗝骈_(kāi)挖大跨度公路隧道的施工提供較好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)價(jià)值。但是本文研究還停留在基礎(chǔ)階段，僅對(duì)兩種施工技術(shù)之間的轉(zhuǎn)換進(jìn)行了研究，在以后的工作中，還需要進(jìn)一步驗(yàn)證本文方案在其他施工工藝之間轉(zhuǎn)換的有效性。

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收稿日期：2021-03-20

作者簡(jiǎn)介：袁俊琪（1988—），工程師 ，研究方向：道路與隧道工程。