软弱地层大断面隧道施工方案优化与施工技术

李 红 兵

(晋城市陵川县交通运输局，山西 陵川 048000)

软弱地层大断面隧道施工方案优化与施工技术

李 红 兵

(晋城市陵川县交通运输局，山西 陵川 048000)

研究了软弱地层大断面隧道的基本力学特征，结合工程实例，探讨了软弱地层大断面隧道施工方案的优化措施，并对CRD开挖方法与三台阶七步开挖方法作了对比分析，指出三台阶七步开挖法在进度等方面具有明显的优势，应用前景广阔。

软弱地层，大断面隧道，开挖方法

1 概述

近年来随着社会经济的不断发展，人们对交通的需求量越来越大，在我国，铁路、公路的建设规模越来越大，为交通运输事业的发展做出了重要的贡献，促进了可持续发展战略的有效实施。铁路的建设环境一般都比较复杂，分布的区域比较广，近年来大量涌现出大断面的隧道，有些铁路客运专线的面积甚至达到了150 m2～180 m2,隧道建设已经开始进入“大断面化”时代。要想将大断面隧道建设的合理、安全，并达到快速施工的目的，就必须对传统施工方法和设计技术进行重新认识，与此同时，积极引用新的理念和新方法、新工艺对大断面隧道中的相关设计与施工问题进行解决。随着工程建设理论的不断完善，施工技术也得到了不断的发展，根据节约土地的相关需要，越来越多的隧道在软弱地层中进行修建，尤其是大断面隧道的建设，在施工流程、施工技术、施工工艺以及施工管理、施工控制等方面提出了更高的要求，但是目前的情况是，可以供参考的施工与设计非常少，相关的管理者的经验也很少，所以，软弱地层大断面隧道施工技术研究具有至关重要的意义。

2 软弱地层大断面隧道的基本力学特征

因为软弱地层的土层条件较差，大跨度隧道的开挖跨度比较大，隧道开挖过程中的受力相对复杂，因为大跨度隧道主要呈现一种拱形的结构，隧道开挖之后，周边的应力得到了解除，一些岩体发生变形以后向隧道内移动，岩体的初始应力也发生了变化，在一定范围内岩体开始重新分布。因为受到隧道开挖的影响，围岩的三向受力状态开始发生变化，几乎接近于二向的受力状态，加上受到围岩移动与变形的影响，各种软弱结构因为受到不同程度的影响发生破坏松弛。尤其是因为受到裂缝、节理等影响得到进一步的发展，开挖之后的岩体与开挖之前比更低一些，围岩更容易发生塑性屈服，进而出现更大的变形。尤其是在浅埋隧道中拱形效应得不到有效的发挥，这时候会产生非常大的松弛应力，这对变形控制和围岩稳定是非常不利的。软弱大断面隧道的基本力学特征应该从以下几个方面说起：

1)因为大断面隧道的跨度增加，主要呈现“扁平”的拱形结构，因为这种结构近似于椭圆形，受到的承载力比较小，所以隧道开挖时会引起一系列的围岩应力，这些围岩应力在分布过程中是非常不利的，拱脚处的围岩应力相对较大，难以对隧道变形进行控制，对地基的承载能力提出相对较大的要求。

2)拱顶部位会相应的产生比较大的松弛围岩压力，这就导致了围岩稳定性的不断降低。因为隧道开挖的宽度和高度越来越大，对隧道底部的埋深提出一定的要求，如果在埋深较小、地层条件差、围岩成拱的作用得不到有效发挥时，围岩开始不断的松散下落，这样就会产生相对较大的松弛围岩压力。所以，软弱地层大断面隧道拱顶部位会产生较大的松弛围岩压力。

3 软弱地层大断面隧道施工方案优化

3.1 工程概况

某工程的隧道埋深为20 m，最大埋深为50 m，工程的地质条件较差，埋深较浅。该隧道上被全新的残积粉质粘土覆盖，基岩主要为炭质页岩、砂岩、灰岩等，该区域中的岩层性质相对复杂，为泥质灰岩或偶夹灰岩。隧道穿越的岩层主要为软质岩，大部分为强风化层，岩体的稳定性和强度都比较差。该工程的地下水具有弱酸型酸性，开挖过程中遇到的地下水相对较少，地表水的来源主要为大气降水。隧道设计中的围岩条件较差，开挖高度为13.5 m，跨度为16 m，开挖的断面比较大。隧道设计中一般会采用小导管超前支护，具体的设计断面如图1所示。

3.2 施工方案

该隧道采用CRD法开挖，依据已有的实例以及施工现场的具体情况，按照相关比选原则对施工方案进行选择，在选择过程中对工期要求以及开挖成本进行充分的考虑，并提出三台阶七步开挖法施工方案。

3.2.1 CRD开挖方法

就施工工序来说，CRD法开挖将工程的断面氛围上部、中部和下部等共6个部分开挖，与CRD法的施工工艺相结合，某工程的开挖工序为：1)施作1部，单循环0.5 m开挖，喷射厚混凝土4 cm，混凝土喷至28 cm。2)开挖长度累计3 m～5 m，然后开挖2部，单循环开挖0.5 m，喷射厚混凝土4 cm，将混凝土喷至28 cm。3)2部的累计开挖长度为3 m～5 m，然后开挖3部，单循环开挖0.5 cm，喷射厚混凝土4 cm，再将混凝土喷至28 cm。4)3部的累计长度为3 m～5 m，然后开挖4部，单循环开挖0.5 m，喷射4 cm的厚混凝土，再将混凝土喷至28 cm。5)4部的累计长度为3 cm～5 cm，然后开挖5部，单循环开挖0.5 m，喷射厚混凝土4 cm，再将混凝土喷至28 cm。6)5部的累计长度为3 cm～5 cm，然后开挖6部，单循环开挖0.5 m，喷射厚混凝土4 cm，再将混凝土喷至28 cm。7)当6部开挖到了一定长度以后，将临时搭建的钢架拆除(将混凝土喷至28 cm时用到)，将Ⅶ部仰拱回填。8)通过对隧道衬砌模板台车进行利用，对隧道二次衬砌结构进行一次性浇筑。

3.2.2 三台阶七步开挖方法

这种开挖法主要是指在施工过程中通过七个开挖面开挖，从不同的位置同时开挖，分部进行支护，从而形成一个支护整体，使作业时间得到缩短的一种作业方法。在初期将平行当作初期支护，在下台阶形成一种封闭的、稳定的支护体系。三台阶七步法开挖主要将断面从上到下共分为四个部分，通过错台台阶进行开挖。在一般情况下，上部会比中部超前几厘米，依此类推，中部会比下部超前几厘米，下部会比底部超前几厘米，再进行逐级开挖。为了使作业变得更加方便，一般会将上台阶开挖高度控制在4 cm～5 cm，将中台阶的开挖高度控制在3 cm～4 cm，将下台阶的高度控制在3 cm～4 cm。开挖的时候要将开挖的轮廓线之内预留出大概30 cm的厚度，采用铁镐进行开挖。

三台阶七步开挖法施工工艺图如图2所示。

4 施工方案比选

根据上面的介绍，两种方法从施工进度、质量及安全等方面进行了比选。CRD法的主要特点是对变形进行控制，可以将大断面改为小断面，在质量、进度以及安全中的缺点比较多，尤其表现在施工进度方面三台阶七步开挖法比CRD法的进度快了大概两倍。所以，在保证安全、工期以及质量的前提下将三台阶七步开挖法作为CRD法的主要比选方案。

5 结语

随着铁路、公路的建设规模越来越大，隧道的长度和开挖跨度都在不断增长之中，现在大量涌现出大断面的铁路隧道，要想将大断面铁路隧道建设的合理、安全，并达到快速施工的目的，就必须对传统施工方法和设计技术进行重新认识，与此同时，积极引用新的理念和新方法、新工艺对大断面铁路隧道中的相关设计与施工问题进行解决。本文通过两种方案的初级比选，得出的结论是两种方法在具体应用中各有优点与缺点，其中三台阶七步开挖法在进度等方面具有明显的优势，而且应用的范围非常广泛。

[1] 周 捷,漆泰岳,旷文涛,等.大断面隧道地层超前预加固及开挖支护过程稳定性的数值模拟[J].隧道建设,2009(2)：56-57.

[2] 黄明利,路 威,徐恒国,等.大断面海底隧道软弱地层施工方法研究[J].中国工程科学,2009(7)：26-28.

[3] 午向阳,蒋宗全,李鹏飞,等.大断面隧道下穿高速公路施工方案优化研究[J].铁道建筑,2010(11)：72-73.

[4] 黄明利,谭忠盛,郭 家,等.特大断面超浅埋隧道预留十字岩梁岩柱开挖技术[J].岩石力学与工程学报,2013(2)：11-13.

[5] 李有业,任国臣.单洞双线高速铁路隧道Ⅲ级围岩仰拱快速施工技术[J].隧道建设,2013(7)：33-34.

[6] 李宝平,高诗明,王 睿,等.层次权重决策分析法在浅埋隧道开挖方法选择中的应用[J].隧道建设,2013(9)：85-87.

[7] 郭铁钧.大梁隧道特大断面软岩大变形特征分析及对策[J].山西建筑，2013，39(11)：139-140.

Construction scheme optimization and construction technology of large-section tunnel with soft stratum

LI Hong-bing

(JinchengLingchuanBureauofTrafficTransportation,Lingchuan048000,China)

The paper studies basic mechanical characteristics of large-section tunnel with soft stratum, explores construction scheme optimizing measures of large-section tunnel with soft stratum by integrating with engineering examples, and compares and analyzes CRD excavation method with three steps seven footwork excavation method, and finally points out advantages of three steps seven footwork excavation method, which has wide application prospect.

soft stratum, large-section tunnel, excavation method

1009-6825(2014)28-0197-03

2014-07-31

李红兵(1969- )，男，工程师

U455

A