陳國(guó)政 CHEN Guo-zheng；孟陳祥 MENG Chen-xiang；萬波 WAN Bo；張城 ZHANG Cheng

（上海隧道工程有限公司，上海 200032）

0 引言

隧道在市政道路工程交通建設(shè)中占比越來越高，相關(guān)的施工技術(shù)依據(jù)地層不同也有不同的施工方法。以礦山法隧道施工為例，主要施工工藝包括測(cè)量放樣、爆破開挖、洞渣運(yùn)輸、初期支護(hù)、二次襯砌等。近些年，不斷有學(xué)者對(duì)礦山法隧道開挖工序和工法開展了優(yōu)化研究。本次研究基于開挖隧道山體地質(zhì)力學(xué)特征進(jìn)行詳細(xì)勘察，針對(duì)隧道的不同圍巖等級(jí)進(jìn)行穩(wěn)定性分析和監(jiān)測(cè)，通過數(shù)值模擬隧道圍巖沉降、位移和埋深的關(guān)系，指導(dǎo)隧道三臺(tái)階七步開挖工法開挖過程中在保證安全質(zhì)量前提下提高工效。

因各工法在大斷面隧道開挖中的適宜性、經(jīng)濟(jì)性目前尚不明確，因此，在降低開挖風(fēng)險(xiǎn)，確保圍巖穩(wěn)定的前提下，探索施工經(jīng)濟(jì)性好、與隧道地質(zhì)及斷面相適宜的隧道開挖方法有較高的工程價(jià)值。[1]現(xiàn)階段特大斷面隧道開挖不局限于某種方法。各種開挖工法在超大斷面扁平結(jié)構(gòu)中的安全性、高效性及穩(wěn)定性亟待進(jìn)一步研究。

以新建城市快速路中一段穿山越嶺的礦山法隧道作為依托工程，該隧道內(nèi)輪廓采用三心圓，拱部半徑為10.0m，邊墻半徑為5.8m，仰拱半徑為22m，隅角半徑1.5m。隧道最大凈寬18.762m，隧道最大凈高11.542m，最大開挖面積232.45m2。采取數(shù)值模擬根據(jù)隧道工程地質(zhì)條件對(duì)隧道進(jìn)行施工階段模擬。

本著安全穩(wěn)定且高效原則采用三臺(tái)階七步開挖法對(duì)洞身Ⅳ級(jí)圍巖段進(jìn)行洞身開挖施工。該項(xiàng)開挖工法其作業(yè)空間變大，大型施工機(jī)械可以在上臺(tái)階斷面進(jìn)行有效施工，各項(xiàng)施工工序采用機(jī)械化作業(yè)時(shí)間占比更多，掌子面裸露圍巖處作業(yè)人員數(shù)量及作業(yè)時(shí)間也同比減少，極大降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

1 三臺(tái)階七步開挖法工藝原理

“三臺(tái)階七步開挖法”是一種以弧形導(dǎo)坑開挖預(yù)留核心土為基本模式，整個(gè)開挖斷面分成上、中、下三個(gè)臺(tái)階七個(gè)開挖面（圖1），各斷面開挖與支護(hù)作業(yè)沿隧道縱向錯(cuò)開一定間距，平行推進(jìn)作業(yè)的隧道施工方法。[2]這項(xiàng)開挖工法集合了上下導(dǎo)坑法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、臺(tái)階法和全斷面開挖法的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，針對(duì)前方圍巖變化可隨時(shí)調(diào)整和轉(zhuǎn)換的開挖工法。

圖1 三臺(tái)階七步開挖法開挖順序圖

針對(duì)本工程圍巖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及隧道輪廓設(shè)計(jì)特點(diǎn)對(duì)三臺(tái)階七步開挖法進(jìn)行研究，各開挖面相互縱向錯(cuò)開并平行推進(jìn)施工，該項(xiàng)開挖工法有以下特點(diǎn)：

①該開挖工法具有較多施工作業(yè)面，通過臺(tái)階分部前后開挖提升掌子面整體安全性能，同時(shí)利于加大資源投入，有效提高洞身開挖效率。

②有效避免雙側(cè)壁導(dǎo)洞法、中隔壁法及交叉中隔壁法等需要拆除臨時(shí)支護(hù)及受力轉(zhuǎn)換造成的不安全因素，同時(shí)在爆破出渣后作業(yè)面增加，方便機(jī)械化施工，利于施工工序轉(zhuǎn)換；適應(yīng)不同跨度和多種斷面形式，初期支護(hù)工序操作便捷。[3]

③有效提高空間和時(shí)間利用率，在中下臺(tái)階預(yù)留核心土能夠有效借助核心土重力來抵抗周邊圍巖的壓力，還能夠有效支撐工作面，避免兩側(cè)圍巖收斂。導(dǎo)洞受力均勻，成環(huán)快，不會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)洞偏壓現(xiàn)象；作業(yè)空間大，在面對(duì)突發(fā)應(yīng)急事件時(shí)，逃生方式選擇較多，靈活性、機(jī)動(dòng)性較強(qiáng)。[4]

④該工法應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)施工中，工序更為簡(jiǎn)單，操作更加靈活。針對(duì)前方圍巖發(fā)生改變需進(jìn)行工法轉(zhuǎn)變時(shí)，在不影響后續(xù)施工工序和要求情況下及時(shí)作出工法轉(zhuǎn)變和工序調(diào)整，施工效率得到有效提高。

2 三臺(tái)階七步開挖法三維數(shù)值模擬

2.1 礦山法隧道爆破開挖圍巖穩(wěn)定性分析

影響隧道圍巖穩(wěn)定性的因素有很多，大體可分為三類。第一類是地質(zhì)環(huán)境因素，包括隧道埋深和隧道圍巖含水量等因素；第二類是隧道尺寸因素，包括開挖面高度和開挖面寬度等因素；第三類是隧道施工管理因素，包括開循環(huán)進(jìn)尺、初期支護(hù)拱架間距、隧道開挖與支護(hù)間隔時(shí)間、初支噴射混凝土所用混凝土強(qiáng)度以及混凝土噴射厚度等因素。

圍巖變形是一個(gè)非線性且不可逆過程，在隧道洞身施工作業(yè)中對(duì)初襯背后圍巖連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，可以判斷圍巖形變是否達(dá)到穩(wěn)定，從而反映巖石內(nèi)部應(yīng)力是否重新平衡。在裂隙發(fā)育的圍巖中，變形大小受圍巖自身不連續(xù)面的方向、頻率、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)及賦存環(huán)境的綜合影響，所以圍巖強(qiáng)度（形變）必須綜合考慮以上因素來評(píng)估實(shí)際圍巖特性及變形參數(shù)以保證隧道正常開挖。[5]

2.2 隧道開挖數(shù)值模擬結(jié)果

初始模型選取隧道Ⅳ級(jí)圍巖段作為研究對(duì)象，通過FLAC3D 建立的三維數(shù)值模型在開挖方向上的長(zhǎng)度為30m，設(shè)計(jì)循環(huán)進(jìn)尺為10m。根據(jù)地質(zhì)條件、斷面形狀和施工條件等因素，采用三臺(tái)階七步開挖法對(duì)隧道進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。（圖2、表1）

表1 圍巖物理參數(shù)表

圖2 三臺(tái)階七步開挖法豎向位移云圖

由圖2 可知，三臺(tái)階七步開挖法在上臺(tái)階開挖過程中拱頂沉降量迅速增加，由于開挖斷面較臺(tái)階法小，曲線比臺(tái)階法的略微平緩，但施工步驟較多，圍巖受人為擾動(dòng)的影響更為顯著，拱頂沉降量不斷累積，最終達(dá)到6.865mm。

3 三臺(tái)階七步開挖法實(shí)際施工應(yīng)用

3.1 三臺(tái)階七步開挖法在大斷面扁平結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用施工流程（見圖3）

圖3 三臺(tái)階七步開挖施工工藝流程

3.2 三臺(tái)階七步開挖步驟

①第一步：拱部及掌子面超前支護(hù)。

在已支護(hù)的拱架上施打超前管棚，并按要求加工成設(shè)計(jì)圖形狀。超前管棚施作時(shí)應(yīng)從鋼拱架上方過，超前管棚直徑較大，應(yīng)避免從型鋼腹部穿過，以免影響鋼拱架完整性及其受力。

②第二步：上部弧形臺(tái)階開挖及初支。

在上部超前管棚及掌子面玻璃纖維筋等超前預(yù)加固施工完成后，采用弱爆破配合機(jī)械開挖上部弧形導(dǎo)坑，爆破開挖輪廓富裕0.1m，以便于施工作業(yè)。

上臺(tái)階機(jī)械設(shè)備通過斜坡進(jìn)入作業(yè)面，通過挖掘機(jī)及裝載機(jī)配合自卸車出渣，掌子面開挖完成及時(shí)完成噴錨支護(hù)。必要情況下針對(duì)開挖掌子面進(jìn)行初噴混凝土處理提升隧道結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

③第三、四步：右側(cè)中下臺(tái)階開挖及初支。

當(dāng)上臺(tái)階掌子面領(lǐng)先40m 后施工右側(cè)中下臺(tái)階，中下臺(tái)階上下錯(cuò)開應(yīng)≥8m，開挖進(jìn)尺應(yīng)與上臺(tái)階進(jìn)尺一致，先開挖中臺(tái)階，當(dāng)中臺(tái)階推進(jìn)≥8m 后再推進(jìn)下臺(tái)階，后續(xù)初期支護(hù)同上臺(tái)階不再贅述，中下臺(tái)階鋼拱架應(yīng)按要求與上臺(tái)階鋼拱架連接，并施打中臺(tái)階及下臺(tái)階鎖腳錨管。

④第五、六步：左側(cè)中下臺(tái)階開挖及初支。

當(dāng)右側(cè)中臺(tái)階掌子面領(lǐng)先左側(cè)中臺(tái)階掌子面≥16m后施工左側(cè)中下臺(tái)階，中下臺(tái)階上下錯(cuò)開應(yīng)≥8m，開挖進(jìn)尺應(yīng)與上臺(tái)階進(jìn)尺一致，但局部圍巖破碎區(qū)域可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，先開挖中臺(tái)階，當(dāng)中臺(tái)階推進(jìn)≥8m 后再推進(jìn)下臺(tái)階，中下臺(tái)階掌子面開挖完成后立即初噴6cm 厚混凝土，后續(xù)初期支護(hù)同右側(cè)中下臺(tái)階施工一致。

⑤第七步：中部下臺(tái)階（斜坡通道）開挖。

6#導(dǎo)坑即中部下臺(tái)階（斜坡）作為機(jī)械設(shè)備、人員進(jìn)入上臺(tái)階通道，在左右側(cè)中下臺(tái)階開挖完成后再行開挖，推進(jìn)速度應(yīng)與兩側(cè)中下臺(tái)階進(jìn)尺一致，開挖時(shí)主要采用機(jī)械設(shè)備開挖，適當(dāng)配合弱爆破進(jìn)行推進(jìn)，推進(jìn)后斜坡通道頂應(yīng)位于上臺(tái)階處，斜坡底應(yīng)位于下臺(tái)階底處。

⑥第八步：仰拱開挖及支護(hù)。

仰拱開挖應(yīng)分段分節(jié)開挖，開挖出渣完成后人工修整開挖輪廓線并及時(shí)支護(hù)，保證臨時(shí)鋼拱架安裝完成后和拱頂?shù)倪厜︿摴凹苓B接成一個(gè)整體。

4 三臺(tái)階七步開挖法施工工效分析

本工程原設(shè)計(jì)Ⅳ級(jí)圍巖采用CD 法施工，該方法施工工序較多，相互影響較大，由于中隔墻易發(fā)生失穩(wěn)，拆除時(shí)機(jī)難以把握。[6]

通過技術(shù)理論支撐作為指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工的依據(jù)，在安全質(zhì)量可控的前提下，隧道開挖進(jìn)尺速率取決于穩(wěn)定有效施工天數(shù)和單次循環(huán)進(jìn)尺長(zhǎng)度。

本工程通過實(shí)地勘測(cè)及邀請(qǐng)專家論證通過后實(shí)行三臺(tái)階七步開挖法進(jìn)行洞身開挖施工，全斷面每月平均掘進(jìn)60m，若無火工品供給不足或隧道出渣不及時(shí)等影響洞身爆破開挖進(jìn)度最多可達(dá)80m/月。同等圍巖等級(jí)條件下采用CD 法進(jìn)行施工單月掘進(jìn)速率為30-40m/月，因此采用該工法進(jìn)行施工能加快一倍施工效率，能極大滿足現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度要求。

5 超欠挖控制效果

隧道爆破開挖施工大多在原巖條件下進(jìn)行，不同類型的原巖受內(nèi)外力作用出現(xiàn)很多構(gòu)造形式，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間實(shí)踐可知，地質(zhì)條件對(duì)超欠挖有很大影響。當(dāng)巖體較為堅(jiān)硬和完整時(shí)，在爆破過程中產(chǎn)生的荷載給巖體介質(zhì)做的功將保持均勻。若巖體過于堅(jiān)硬，且未對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，則有可能導(dǎo)致爆破完成后的隧道欠挖；而若巖體較為破碎，則在爆破完成后會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較大的超挖。[7]（圖4）

圖4 三臺(tái)階七步開挖法拱頂超欠挖實(shí)測(cè)圖

依據(jù)中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn) 第一冊(cè) 土建工程》[8]洞身開挖斷面允許超挖值如表2 所示。

表2 隧道開挖斷面允許超挖值

超欠挖隧道拱部開挖在Ⅳ級(jí)圍巖超欠挖平均控制在15cm 以內(nèi)，最大超挖量控制在25cm 以內(nèi)。由圖4 可以看出采用炮眼布置優(yōu)化后的三臺(tái)階七步開挖法圍巖超欠挖控制在10cm 以內(nèi)，極大降低超挖頻率，從而更有效地降低施工風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)可以通過隧道臺(tái)階法爆破圍巖損傷情況分析如何優(yōu)化炮眼布置以更好控制超欠挖。[9]

采用三臺(tái)階法進(jìn)行炮眼布設(shè)通過爆破試驗(yàn)及炸藥消耗量調(diào)整炮眼布置。上臺(tái)階炮眼鉆孔時(shí)足夠的作業(yè)空間能使得作業(yè)臺(tái)車空間加大，炮孔鉆眼人員借助作業(yè)臺(tái)車可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確完成設(shè)計(jì)炮眼的鉆孔，降低鉆孔位置偏差，最終有效把控圍巖破碎方向從而達(dá)到控制超欠挖效果。

6 結(jié)論

6.1 安全性

通過綜合分析模擬礦山法隧道三臺(tái)階七步開挖法進(jìn)行施工模擬隧道洞身圍巖應(yīng)力變化情況，能準(zhǔn)確分析評(píng)估在該圍巖等級(jí)情況下采用該項(xiàng)工法的施工過程圍巖的穩(wěn)定性。同時(shí)采用該工法施工各斷面開挖和支護(hù)時(shí)間短，其掌子面有限空間變大，有利于現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械調(diào)頭、移動(dòng)、拓寬操作員視野，機(jī)械施工時(shí)間增加，人員暴露在危險(xiǎn)源施工時(shí)間減少；同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)障礙物更少，逃生通道更寬廣，岀現(xiàn)緊急情況時(shí)，人員可快速疏散，增強(qiáng)逃生能力。

6.2 施工質(zhì)量

三臺(tái)階七步開挖法是匯聚了多種開挖工法優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)的開挖工法，可以有效解決開挖過程圍巖自身結(jié)構(gòu)失穩(wěn)而出現(xiàn)的質(zhì)量問題。隧道施工中開挖支護(hù)并進(jìn)，支護(hù)結(jié)構(gòu)及時(shí)封閉成環(huán)，各工序間銜接緊密。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及實(shí)際情況進(jìn)行分析以此準(zhǔn)確指導(dǎo)開挖步距的調(diào)整，保證圍巖初支結(jié)構(gòu)牢固質(zhì)量整體可控。

6.3 施工工效

三臺(tái)階七步開挖法施工機(jī)械化作業(yè)效率高，掌子面閉環(huán)快；對(duì)各工序工裝設(shè)備進(jìn)行科學(xué)組合，配以合理、適應(yīng)的勞務(wù)組織模式，使隧道內(nèi)形成流水式均衡生產(chǎn)施工局面。施工效率相對(duì)比傳統(tǒng)人工作業(yè)施工效率有大幅度提升，極大加快項(xiàng)目施工進(jìn)度。