全斷面開挖大跨度公路隧道施工工法轉(zhuǎn)換研究

摘要：針對大斷面的公路隧道，需要采用全斷面開挖的工法進(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)換過程中，容易出現(xiàn)風(fēng)險而延誤工期。文章以某市的公路隧道工程為研究對象，設(shè)計(jì)一種全斷面開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_挖大跨度公路隧道的施工提供較好的經(jīng)濟(jì)效益與社會價值。

關(guān)鍵詞：全斷面開挖;大跨度公路隧道;工法轉(zhuǎn)換

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

0 引言

為了滿足我國交通運(yùn)輸?shù)男枨?，公路建設(shè)不斷向山區(qū)發(fā)展，由于一些公路工程會受到復(fù)雜困難山區(qū)地形的限制，在施工工程跨度較大時一般都采取分部開挖這種比較保守的方式來施工，但是在這種情況下，會使得施工工作面較小，一些大型設(shè)備無法進(jìn)場，影響施工的進(jìn)度[1-2]，因此針對大斷面的公路隧道，需要采用全斷面開挖的工法進(jìn)行施工。這種全斷面開挖的大跨度公路隧道在施工過程中的難度大、風(fēng)險高，對于施工的技術(shù)和質(zhì)量有著很高的要求。在施工過程中，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)換過程中，容易出現(xiàn)風(fēng)險而延誤工期。因此本文設(shè)計(jì)了一種全斷面開挖大跨度公路隧道施工工法轉(zhuǎn)換方法。

1 全斷面開挖大跨度公路隧道施工工法轉(zhuǎn)換研究

在工法轉(zhuǎn)換的研究過程中，選擇某市的公路隧道工程作為研究對象[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)置為全斷面開挖大跨度公路隧道施工工程的試驗(yàn)方案試驗(yàn)段，全長113 m，全斷面開挖面積為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2個背斜與1個向斜構(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

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

圖1 監(jiān)控量測斷面分布示意圖

根據(jù)監(jiān)控量測的內(nèi)容在工作斷面中布置檢測儀器的位置，并測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]。在得到檢測數(shù)據(jù)之后，需要對圍巖地層各個斷面的檢測內(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挖大跨度工程，開挖的斷面面積比較大，對于圍巖的穩(wěn)定性也會有一定影響。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，需要增加開挖步驟來減少開挖面積，因此可以采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑工藝來增加圍巖的穩(wěn)定性。對于工程中穩(wěn)固性稍強(qiáng)的Ⅳ級圍巖，可以使用CRD法進(jìn)行施工，在保證安全的前提下，簡化了雙側(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

對于不同級別的圍巖條件，我國公路隧道施工的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對施工安全步距進(jìn)行了明確的要求（見表1）。

劃分安全步距主要依據(jù)的是經(jīng)驗(yàn)取值，對于不同支護(hù)條件和施工的具體要求沒有進(jìn)行細(xì)分，因此需要對其進(jìn)行優(yōu)化[7]，這對于施工工法的轉(zhuǎn)換，是一個重要的保障前提。在優(yōu)化的過程中，需要嚴(yán)格按照規(guī)范中的安全步距進(jìn)行施工，針對本文的工程實(shí)例，隧道進(jìn)口段為Ⅴ級圍巖，相鄰的Ⅳ級圍巖主要為中分化灰?guī)r，穩(wěn)定性相對較強(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程中需要進(jìn)行施工工法的轉(zhuǎn)換。施工轉(zhuǎn)換的過渡施工段長為8 m，起止樁號為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 兩種工法的分部開挖對比示意圖

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，可以通過控制臨時豎撐高度來控制安全步距，保證各分部豎向尺寸在工法轉(zhuǎn)換時有一定的過渡連續(xù)性，在施工過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。在動態(tài)分部開挖工程中，需要根據(jù)公路隧道的工程跨度、開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)施工隧道的上臺階圍巖穩(wěn)定性差，而中下臺階的圍巖穩(wěn)定性較強(qiáng)時，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)測情況適當(dāng)加設(shè)中下臺階的中隔墻，來增加安全步距。

1.3 工法轉(zhuǎn)換

在過渡段進(jìn)行施工的過程中，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。為使施工階段在過渡時技術(shù)曲線保證圓滑、順暢，需要在漸變過程中逐漸改變線形，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：將臨時的中墻向隧道中線緩慢移動，左右兩側(cè)的導(dǎo)坑臨時仰拱會隨著左右兩側(cè)的臨時中墻的移動而移動，距離逐步變寬，使得中間導(dǎo)坑臨時仰拱距離變小;當(dāng)左側(cè)臨時中墻和右側(cè)臨時中墻距離為0時停止平移，并取消右側(cè)臨時中墻，保留左側(cè)并轉(zhuǎn)換為CRD法中的中間臨時中墻，完成工法的轉(zhuǎn)換。經(jīng)過過渡之后，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)，在臨時支護(hù)過程中采用加強(qiáng)后的支護(hù)參數(shù)。對不同級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。

3 結(jié)語

本文通過對具體的實(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，在保證安全的同時提高施工效率，縮短施工時間。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_挖大跨度公路隧道的施工提供較好的經(jīng)濟(jì)效益與社會價值。但是本文研究還停留在基礎(chǔ)階段，僅對兩種施工技術(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

作者簡介：袁俊琪（1988—），工程師 ，研究方向：道路與隧道工程。