雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在大跨度軟弱圍巖隧道的應(yīng)用

廖巧玲　趙啟雄　戴軍

摘要：文章依托天峨（黔桂界）至北海高速公路（巴馬至平果段）2號(hào)隧道工程項(xiàng)目，介紹了大跨度軟弱圍巖隧道初噴工藝和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工過(guò)程及工藝，并對(duì)施工過(guò)程中的控制要點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，對(duì)臨時(shí)支護(hù)拆除技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最后探討了工法體系轉(zhuǎn)化的可能性。結(jié)果表明：初噴工藝可以提高圍巖的自承能力;施工過(guò)程中一定要按照設(shè)計(jì)施工，保證隧道施工質(zhì)量;對(duì)臨時(shí)支護(hù)拆除技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化后可提高隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性;采用上臺(tái)階雙側(cè)壁、下臺(tái)階全斷面開(kāi)挖對(duì)施工進(jìn)度有所提升，但施工安全穩(wěn)定性具有一定的風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：雙側(cè)壁導(dǎo)坑法;大跨度軟弱圍巖;初噴工藝;臨時(shí)支護(hù)拆除技術(shù);工法體系轉(zhuǎn)換

中圖分類號(hào)：U455.7

0 引言

隨著隧道跨度的增大，高度基本保持不變，導(dǎo)致隧道的高跨比減小，使隧道開(kāi)挖后應(yīng)力重分布差，表現(xiàn)為拱頂不穩(wěn)定且存在較大的松弛地壓，對(duì)圍巖穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生不利影響。而雙側(cè)壁導(dǎo)坑法作為大跨度軟弱圍巖段的主要施工工藝，是一項(xiàng)邊開(kāi)挖邊支護(hù)的施工技術(shù)，其主要原理是將整個(gè)隧道分為左、中、右3個(gè)小斷面施工，先進(jìn)行左右洞的施工，再進(jìn)行中導(dǎo)洞的施工，最后拆除臨時(shí)支護(hù)形成一個(gè)完整的全斷面。其主要針對(duì)高跨比小、圍巖地質(zhì)條件較差等情況，可有效降低隧道圍巖的沉降，因此，其對(duì)施工工藝要求極為嚴(yán)格。

近年來(lái)，關(guān)于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在大跨度隧道的應(yīng)用廣受學(xué)者們關(guān)注。陳磊[1]介紹了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的施工特點(diǎn)及工藝原理，重點(diǎn)對(duì)其工藝流程、施工步驟及操作要點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)論述，提出了施工注意事項(xiàng);王訓(xùn)[2]結(jié)合某工程案例，對(duì)大斷面單洞四車道隧道施工中采用的三臺(tái)階七步開(kāi)挖工藝以及雙側(cè)壁導(dǎo)坑工藝進(jìn)行了分析，總結(jié)了施工要點(diǎn);Huang M等[3]采用有限元分析方法，對(duì)超大斷面隧道開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行有限元模擬，揭示了大斷面隧道開(kāi)挖變形機(jī)理，并優(yōu)化了相關(guān)施工技術(shù);潘朝雄[4]以高速公路隧道Ⅴ級(jí)圍巖淺埋軟弱圍巖段為計(jì)算對(duì)象，針對(duì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工工藝對(duì)施工方案進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究;史智超[5]以實(shí)際工程為例，分析了大跨徑隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工過(guò)程及工藝，得出現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工過(guò)程中應(yīng)針對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行合理規(guī)劃與設(shè)置，揚(yáng)長(zhǎng)避短，保證隧道施工安全。

目前，關(guān)于隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在施工前、中、后的整體性研究較少，所以本文以實(shí)際工程項(xiàng)目為背景，對(duì)其整體施工工藝進(jìn)行分析、優(yōu)化，為以后類似隧道施工提供一定的借鑒。

1 工程概況

天峨（黔桂界）至北海高速公路（巴馬至平果段）位于河池市及百色市，其中，百色市屬典型的三疊系地層，場(chǎng)地內(nèi)巖性以泥巖為主，夾砂巖。本文以2號(hào)隧道為研究對(duì)象，其設(shè)計(jì)時(shí)速為120 km/h，雙向六車道，設(shè)計(jì)內(nèi)輪廓凈寬為19.18 m、凈高為11.19 m。具體隧道信息如表1所示。

2 初噴工藝分析

初噴工藝能夠有效控制圍巖掉塊現(xiàn)象的發(fā)生，尤其針對(duì)砂巖及泥質(zhì)砂巖等圍巖自穩(wěn)能力差、較破碎的工況。在采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工前進(jìn)行初噴工藝的施工具有一定的必要性。

為驗(yàn)證初噴工藝要求的科學(xué)性，本研究在2號(hào)隧道出口左洞監(jiān)測(cè)段落ZK7+045～ZK7+009針對(duì)性地布設(shè)兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，如圖1所示。該段圍巖等級(jí)均為Ⅴ級(jí)圍巖，監(jiān)測(cè)時(shí)間均為40 d。于ZK7+035斷面出渣完成后即進(jìn)行初噴，ZK7+030斷面出渣完成后不施作初噴。收集這兩個(gè)斷面沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2和圖3所示。

由圖2和圖3分析可知：進(jìn)行初噴工藝施工斷面各測(cè)點(diǎn)的沉降累計(jì)位移和期末沉降速率相對(duì)未進(jìn)行初噴工藝施工斷面的要小。其中，拱頂左測(cè)點(diǎn)累計(jì)位移差值達(dá)3.4 mm，拱頂中測(cè)點(diǎn)期末沉降速率差值達(dá)0.5 mm/d。這主要是因?yàn)槌鯂姽に嚳梢詭椭鷩鷰r發(fā)揮和提高自承能力，防止巖體發(fā)生風(fēng)化和松弛，從而可以減小掉塊現(xiàn)象和坍塌事故發(fā)生的可能性。因此，隧道開(kāi)挖排險(xiǎn)后應(yīng)立即對(duì)巖面進(jìn)行初噴混凝土施工，再進(jìn)行初期支護(hù)。

3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工藝及控制要點(diǎn)

3.1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工藝

由于2號(hào)隧道出口左洞段屬淺埋施工區(qū)域，該處的地質(zhì)以破碎狀為主，缺乏完整性與穩(wěn)定性，因此采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行施工，并將其劃分為7個(gè)部分，按順序開(kāi)挖。具體分布情況如圖4所示，施工流程如圖5所示。

3.1.1 右導(dǎo)洞施工

首先根據(jù)圖紙進(jìn)行測(cè)量放樣，再進(jìn)行區(qū)域（1）開(kāi)挖，開(kāi)挖后采用C25混凝土進(jìn)行初噴作業(yè)，噴射厚度≥4 cm，然后進(jìn)行鋼筋網(wǎng)、拱架及臨時(shí)支護(hù)的安裝，其中，鋼筋網(wǎng)型號(hào)為 8 mm，布置間距為20 cm×20 cm;拱架采用Ⅰ18型鋼，縱向間距為50 cm;臨時(shí)支護(hù)采用Ⅰ18工字鋼作為支撐鋼拱架結(jié)構(gòu)?？紤]到鋼拱架的穩(wěn)定性要求，需在鋼架底部布設(shè)2根長(zhǎng)為4 m、壁厚為3.5 mm的 42 mm無(wú)縫鋼管，作為鎖腳鋼管。最后再進(jìn)行復(fù)噴混凝土施工，噴射厚度需達(dá)到28 cm，每循環(huán)施工進(jìn)尺為1.5 m。

在區(qū)域（1）施工完成后，即開(kāi)展區(qū)域（2）開(kāi)挖。在區(qū)域（1）初噴混凝土施工后，邊墻施工階段需要進(jìn)行注漿加固，其中，鋼管型號(hào)為 42 mm，長(zhǎng)度為4 m，環(huán)、縱間距為1 m，在0.5 MPa條件下注入水泥漿，通過(guò)水泥漿的凝結(jié)作用，對(duì)圍巖進(jìn)行有效加固。

3.1.2 左導(dǎo)洞施工

左導(dǎo)洞施工與右導(dǎo)洞施工工序一致，先進(jìn)行區(qū)域（3）施工，再進(jìn)行區(qū)域（4）施工。

3.1.3 中導(dǎo)洞施工

在區(qū)域（4）施工達(dá)9 m后，方可開(kāi)展中導(dǎo)洞上臺(tái)階區(qū)域（5）的施工，其工序與區(qū)域（1）施工一致;待區(qū)域（5）施工進(jìn)尺達(dá)兩個(gè)循環(huán)后方可進(jìn)行區(qū)域（6）施工，工序與區(qū)域（1）施工一致;在區(qū)域（6）施工結(jié)束后且無(wú)質(zhì)量問(wèn)題，再按照區(qū)域（1）施工工序進(jìn)行區(qū)域（7）的施工。

3.1.4 臨時(shí)支護(hù)拆除及工藝優(yōu)化

在主洞型鋼與側(cè)導(dǎo)洞臨時(shí)拱架連接位置，設(shè)計(jì)采用M20高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接，如圖6所示。遵循施工規(guī)范的要求，噴射混凝土需與掌子面密貼，有效控制圍巖松動(dòng)變形，保證施工安全。但此做法由于高強(qiáng)螺栓全部被噴滿，不利于拆除，對(duì)臨時(shí)支護(hù)的整體拆除有較大的影響。且現(xiàn)場(chǎng)對(duì)連接位置直接使用炮機(jī)進(jìn)行暴力拆除，導(dǎo)致拆除面平整度降低，部分位置噴射混凝土剝落開(kāi)裂，有一定的安全隱患。

3.1.4.1 規(guī)范工藝

臨時(shí)拱架拆除要求布置變形觀測(cè)點(diǎn)對(duì)拆除前后進(jìn)行監(jiān)控，初期支護(hù)穩(wěn)定后進(jìn)行拆除，確保安全。鑿除噴射混凝土過(guò)程中，應(yīng)逐榀鋼架自上而下進(jìn)行。鑿除過(guò)程中，下方嚴(yán)禁行人機(jī)械通過(guò)。

3.1.4.2 工藝改進(jìn)

預(yù)先在連接板位置對(duì)高強(qiáng)螺栓使用土工布進(jìn)行包裹保護(hù)。在監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)符合規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，對(duì)連接位置預(yù)留不噴。后續(xù)拆除即可先拆除高強(qiáng)螺栓，再整體拆除臨時(shí)拱架。

對(duì)連接位置預(yù)留不噴，后續(xù)拆除即可先拆除高強(qiáng)螺栓，再整體拆除臨時(shí)拱架，拆除后連接位置的平整度較好。因此，對(duì)臨時(shí)支護(hù)拆除技術(shù)的優(yōu)化具有一定的積極作用。

3.1.4.3 性能分析

針對(duì)上述工藝的改進(jìn)，利用監(jiān)控量測(cè)技術(shù)分別對(duì)兩種拆除方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，如表2所示。

由表2分析可知，連接位置預(yù)留不噴相比較于連接位置噴滿，累計(jì)位移及期末沉降速率數(shù)據(jù)都要偏小。這主要是因?yàn)槿绻苯訚M噴再暴力拆除，會(huì)直接影響結(jié)構(gòu)的整體性，使連接處受力不均勻。因此，采用連接位置預(yù)留不噴的方法無(wú)論從施工進(jìn)度和施工質(zhì)量來(lái)對(duì)比均要優(yōu)于滿噴。

3.2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工控制要點(diǎn)

側(cè)壁導(dǎo)坑形狀近似于橢圓形斷面，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工圖紙得出以下施工控制要點(diǎn)：

（1）在采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑開(kāi)挖之前，導(dǎo)坑跨度宜為整個(gè)隧道跨度的1/3。

（2）施工中應(yīng)注意左右導(dǎo)坑施工時(shí)應(yīng)前后拉開(kāi)距離≥15 m;導(dǎo)坑與中間土體同時(shí)施工時(shí)，導(dǎo)坑應(yīng)超前30～40 m;各導(dǎo)坑上下臺(tái)階距離為5～10 m。

（3）支護(hù)的型鋼支架，需嚴(yán)格按設(shè)計(jì)位置預(yù)留孔，保證超前鋼管的打設(shè)支護(hù)。另外，輔助初支施工的混凝土預(yù)制墊塊等，需提前制作好，以保證隧道施工質(zhì)量。

4 工法體系轉(zhuǎn)換

對(duì)采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工的隧道，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖下臺(tái)階實(shí)際的基巖情況，取消下臺(tái)階臨時(shí)支撐，采用全斷面進(jìn)行分幅開(kāi)挖，盡早閉合仰拱鋼架，實(shí)現(xiàn)整個(gè)隧道斷面拱架成環(huán)，即先行導(dǎo)洞上臺(tái)階開(kāi)挖→后行導(dǎo)洞上臺(tái)階開(kāi)挖→中導(dǎo)洞上臺(tái)階開(kāi)挖→下臺(tái)階分幅施工。

為驗(yàn)證該工藝的可行性，本研究在2號(hào)隧道進(jìn)口左洞監(jiān)測(cè)段落ZK5+158～ZK5+207進(jìn)行雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，針對(duì)性地布設(shè)兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，測(cè)點(diǎn)布置與圖1一致。在2號(hào)隧道出口左洞監(jiān)測(cè)段落ZK7+045～ZK7+009進(jìn)行上臺(tái)階雙側(cè)壁、下臺(tái)階全斷面開(kāi)挖施工，同樣根據(jù)圖1布設(shè)兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。其中，此兩段圍巖等級(jí)均為Ⅴ級(jí)圍巖，監(jiān)測(cè)時(shí)間均為40 d。收集相關(guān)斷面沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)對(duì)兩種開(kāi)挖方式的施工進(jìn)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果分別如圖7～8和表3所示。

由表3和圖7、圖8分析可知：

（1）在圍巖級(jí)別相同的條件下，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工相比上臺(tái)階雙側(cè)壁、下臺(tái)階全斷面施工的日開(kāi)挖進(jìn)尺較小，最大差值為0.5 m/d。主要原因是由于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法工序復(fù)雜，且技術(shù)要求較高。

（2）雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工相比上臺(tái)階雙側(cè)壁、下臺(tái)階全斷面施工的累計(jì)位移較小，期末沉降速率基本一致，最大位移差值為10.7 mm。由此可以認(rèn)為，優(yōu)化后的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相對(duì)來(lái)說(shuō)施工進(jìn)度有了一定的提升，但施工安全穩(wěn)定性有一定的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）隧道開(kāi)挖后應(yīng)立即對(duì)巖面初噴混凝土，可以幫助圍巖發(fā)揮和提高自承能力，防止巖體發(fā)生風(fēng)化和松弛，從而可以減小掉塊現(xiàn)象和坍塌事故發(fā)生的可能性。

（2）雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工過(guò)程中，一定要結(jié)合掌子面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，按順序開(kāi)挖，支護(hù)材料嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求檢驗(yàn)，保證隧道施工質(zhì)量。

（3）采用連接位置預(yù)留不噴的方法，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及施工進(jìn)度有所提高。

（4）采用上臺(tái)階雙側(cè)壁、下臺(tái)階全斷面開(kāi)挖方式對(duì)隧道施工進(jìn)度有了一定的提升，但對(duì)施工安全穩(wěn)定性有一定的風(fēng)險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]陳 磊.雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在高速公路隧道進(jìn)口段進(jìn)洞施工中的應(yīng)用[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)， 2021（13）：184-186.

[2]王 訓(xùn).大斷面單洞四車道隧道施工工藝探討[J].交通世界， 2019（14）：107-108.

[3]Huang M， Xiao Z， Guo C， et al. IMPact Analysis of Double Side-Wall Pilot Tunnel Method and CD Method of Large Cross Section Tunnel Excavation[J]. Technology & Economy in Areas of Communications， 2016（4）：6770，74.

[4]潘朝雄.雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法在隧道軟弱圍巖段施工中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)業(yè)家， 2012（2）：21.

[5]史智超.大跨徑隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工技術(shù)[J].西部交通科技， 2019， 143（6）：125-128.

作者簡(jiǎn)介：

廖巧玲（1988—），工程師，主要從事公路工程橋梁與隧道施工技術(shù)管理工作;

趙啟雄（1995—），碩士，主要從事公路工程隧道施工技術(shù)管理工作;

戴 軍（1992—），工程師，主要從事公路工程隧道施工技術(shù)管理工作。