复杂环境下软硬交互地层小净距隧道开挖技术

张兴愿

摘 要：以北京东路1#号隧道施工为依托，确立了浅埋软硬交互地层小净距隧道施工开挖技术，提出了岩质围岩和土质围岩采用两种有密切联系但又有区别的开挖方法，小净距隧道中夹岩柱加固措施，在保证施工的连续性的基础上实现了施工的差异性，有效地控制了地表及洞内沉降，保证了施工安全。

关键词：小净距隧道 预留核心土弧形导坑法 微台阶辅以部分中隔壁和临时仰拱法

中图分类号：U459.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）01（c）-0061-06

1 工程概况

北京东路1#隧道位于贵阳市市区，隧道单洞全长1455 m，净高8.01 m，单洞净宽14.79 m，断面积171 m2，隧道进口段净距设计为1.89 m，出口净距为4.89 m，根据小净距的定义，此隧道属于典型的小净距隧道；隧道埋深在5.4 m～19 m之间；洞身通过地段围岩级别全部为Ⅴ级围岩，地质主要为强风化页岩、泥岩和泥质灰岩，遇水易软化，地下水发育，局部存有极少量中风化或弱风化岩体团块。北京东路1#隧道走向从西到东，起于贵阳万东花园后，依次穿越贵阳市文联仓库、贵开路拆迁安置房一栋6层和一栋8层楼、在建金狮小区狮子组团2#和3#楼、贵乌变电站、在建的金狮中学、贵阳市精神病院、百花山路、金狮游泳馆，金狮小区17#、18#、20#、21#楼、止于百花山民房区，其与地面建筑的相互关系见图1。该隧道遭遇上软下硬（上部强风化，下部中风化或弱风化）以及局部地段软硬交替（强风化岩体局部夹杂中风化岩体团块）等地质现象，加上隧道开挖跨度大，埋深浅、地表建筑物密集，为国内罕见的穿越建筑密集城区的小净距隧道，其施工安全风险大，爆破技术要求高，对中夹岩柱的保护必须及时，因此，在如此复杂城市环境下软硬交互地层浅埋小净距隧道使用何种开挖工法，是工程成败的关键。

2 先行洞及开挖工法的确定

在工程施工中，采用计算机模拟与现场监测数据相结合的方式来确定非对称建筑荷载下、不同质地围岩的先行洞及开挖工法。先行洞的选取。以岩质围岩模拟计算拱顶沉降和中夹岩柱的主应力及水平位移来确定先行洞，土质围岩与岩质围岩计算结果基本相同，不再赘述。岩质围岩左洞先行和右洞先行拱顶沉降对比见图2和图3。从图2和图3看，2种工法以右洞先行沉降较小。因此，单就拱顶沉降而言，选用右洞作为先行洞对施工安全是有利的。岩质围岩左洞先行和右洞先行中夹岩柱的主应力和水平位移中岩柱应力监测结果见图4和图5。岩质围岩CRD法和微台阶预留核心土弧形导坑法不同先行洞中夹岩柱水平位移监测结果见图6和图7，结果表明，不论是在岩质围岩还是土质围岩情况下，不管采用何种工法进行施工，选用右洞先行时，拱顶的竖向位移、中夹岩柱的应力及水平位移都较选用左洞先行时要小，这是由于非对称建筑荷载下围岩体应变能密度分布不均匀，存在相对较大区（建筑物荷载和地层荷载较大）和相对较小区（建筑物荷载和地层荷载较小），隧道开挖过程中，通过应力重分布（实现内力平衡的过程），应变能（弹性和塑形应变能或弹性和塑性势能）将从应变能密度较大区向较小区转移。故复杂城市环境下软硬交互地层浅埋小净距隧道宜选择右洞（埋深大、荷载大一侧）作为先行洞。施工中按右洞先行于左洞35～50 m控制，右洞洞口段初支成环，仰拱及填充施做后，再开挖左洞。

3 岩质围岩段洞身开挖及工序

根据地质勘探资料，在建北京东路1#隧道里程桩号K0+400～K0+600段为岩质围岩。隧道在里程K0+460时从8层安置楼和8层金狮组团2#、3#楼下方穿过，左洞距离8层安置楼的条形地基只有7 m，右洞距离8层金狮组团2#、3#楼的桩基只有6.4 m，為典型的非对称荷载作用下的小净距隧道施工。

3.1 工法选择

本段落设计为CRD法，但此段为石质围岩，施工过程中需要爆破，爆破对CRD法的中隔墙破坏非常大；同时CRD法单洞断面小，不利机械于施工和人工操作，效率低。后调整为微台阶预留核心土环形导坑法。两种工况的拱顶沉降测点布置如图8所示，拱顶沉降结果见表1和图9。两种工况的中夹岩柱应力测点布置见图10，应力结果见表2和图11，中夹岩柱水平位移测点布置如图13，水平位移结果见表3、图14和图15。喷射混凝土弯矩、轴力对比结果见图15。经计算机模拟拱顶竖向位移和现场2种工况拱顶沉降监控量测数值对比，以及2种功法下中夹岩柱左右两侧的水平位移及中夹岩柱左右两侧的应力值的比对可知：采用CRD法施工对采用微台阶预留核心土弧形导坑法在控制拱顶沉降、中夹岩柱水平位移上等有一定的优势，但综合考虑工程工期和造价方面，采用微台阶预留核心土弧形导坑法能在保证施工安全的基础上加快工程的进度，减少工程的总投资，因此北京东路1#隧道岩质围岩段施工宜采用微台阶预留核心土弧形导坑法进行施工。

3.2 微台阶预留核心土弧形导坑法工序

见表4。

3.3 土质围岩段洞身开挖及工序

根据地质勘探资料，在建北京东路1#隧道里程桩号K0+690～K0+900段为土质围岩。走向从西到东，隧道横向穿越百花山冲沟，里程K0+792.8时，从金狮3号停车场，21#楼1单元及24#楼基地持力层通过。左洞穿过金狮3号停车场和21#楼一单元，与基底高差约8.3 m，右洞距24#楼垂直距离13.1 m，水平距离5.8 m，对开挖沉降要求及其严格，施工难度极大，因此施工工法的选择也尤其重要。

3.3.1 工法选择

在土质围岩中，如果依然采用二台阶的微台阶预留核心土弧形导坑法有可能不能满足施工对围岩及隧道变形的控制，故以里程为K0+792.8的剖面地质条件与建筑物荷载进行模拟计算对比CRD法、微台阶预留核心土弧形导坑法和微台阶辅以部分中隔墙和临时仰拱法三种开挖工法的施工力学行为，确定适合土质围岩的小净距施工开挖方案为“微台阶辅以部分中隔墙法”。（1）拱顶沉降。结果见表5。不管采用何种开挖方法，左洞拱顶的最大沉降值基本上是一致，但右洞拱顶的沉降值差距较大，其中，CRD法的拱顶沉降值最小，微台阶预留核心土弧形导坑法的拱顶沉降值最大，而微台阶辅以部分中隔墙和临时仰拱法则居中。（2）地表沉降值。不同工法结果见图20。（3）支护系统内力。喷射混凝土弯矩结果见图21～图23及表6。喷射混凝土轴力结果见图24～图26。施工现场图见图27和图28。结果发现：微台阶辅以部分中隔墙和临时仰拱法施工相较于CRD法施工在抑制拱顶沉降和地表变形方面稍处于劣势，但相较微于台阶预留核心土弧形导坑法可产生相对较小的拱顶沉降，可更好的抑制地表的沉降。从施工方便、控制地层变形、工程进度和工程造价等因素综合考虑，北京东路1#隧道土质围岩断的施工宜采用微台阶法辅以部分中隔墙和临时仰拱进行施工。

3.3.2 微台阶辅以部分中隔墙和临时仰拱法施工工序

微台阶辅以部分中隔墙和临时仰拱法的施工开挖方式如图29所示。其详细的施工工序如下：1—右洞上台阶左导坑开挖支护、中隔墙、临时仰拱施工；2—右洞中台阶左侧开挖及支护；3—右洞上台阶右导坑开挖支护及临时仰拱施工；4—右洞中台阶右侧开挖及支护；5—右洞下台阶左侧开挖及支护；6—右洞下台阶右侧开挖及支护；7—右洞左侧小仰拱开挖及浇注；8—右洞右侧小仰拱开挖及浇注；9—右洞中台阶核心土开挖；10—右洞下台阶核心土开挖；11—右洞中槽仰拱开挖及浇注；12—左洞上台阶右导坑开挖支护、中隔墙、临时仰拱施工；13—左洞中台阶右侧开挖及支护；14—左洞上台阶左导坑开挖支护及临时仰拱施工；15—左洞中台阶左侧开挖及支护；16—左洞下台阶右侧开挖及支护；17—左洞下台阶左侧开挖及支护；18—左洞右侧小仰拱开挖及浇注；19—左洞左侧小仰拱开挖及浇注；20—左洞中台阶核心土开挖；21—左洞下台阶核心土开挖；22—左洞中槽仰拱开挖及浇注。

4 开挖安全控制技术措施

本隧道岩质围岩采用微台阶法钻爆开挖，土质围岩采用微台阶法辅以部分中隔墙和临时仰拱、挖掘机+人工配合开挖。（1）中夹岩柱的加固措施。采用“小导管注浆+系统锚杆+水平贯通预应力锚杆”法对中夹岩柱进行加固。其中土质围岩和节理裂隙发育的岩质围岩段采用先“小导管注浆+系统锚杆”加固提高中夹岩柱围岩参数，然后对其采用“水平贯通预应力锚杆”加固；岩质节理裂隙不发育的围岩，由于可注浆性差，提高围岩参数较为困难，使用低预应力对拉锚杆对中壁进行加固，为了避免预应力的损失，可采用多次张拉的方法进行。锚杆长度为2洞之间中夹岩柱的厚度（1.89～4.89 m）。Φ25 mm螺纹钢筋，张拉设备采用穿心式单作用千斤顶。锚杆预张拉力为50 kN，一端固定，一端张拉。锚杆固定端和张拉端沿纵向间隔一排布置，在同一截面上间隔进行张拉，以避免产生局部压应力集中。施加预拉力时，边张拉、边拧紧锚具，施加初始预加力的相应油压值一般为设计油压的10%，以此作为丈量钢筋伸长量的起算点。预拉力锚杆的张拉一律采用双控法，油压值的误差不得超过±2%，伸长量的误差不得超过±5%（量测伸长率时注意岩体压缩，参照点不得采用垫板）。施工中千斤顶端部及非张拉端钢筋端部严禁站人，并加设防护措施。张拉后的钢筋在未灌浆前严禁碰击、踩踢。灌浆工作必须避开钢筋端部，以防预应力钢筋突然断裂弹出伤人。（2）洞身周围岩土体预加固措施。岩质围岩条件下，采用超前小导管预加固；土质围岩条件下，采用大管棚+超前小导管预加固。（3）锚筋桩加固。对围岩极其破碎，渗水突出比较严重地段，在上台阶钢架底部每侧设6φ42钢管锁脚和钢板联结，锁脚钢管中植入φ22钢筋，提高其整体刚度；在中台阶每侧设φ80钢管锚筋桩；在不便于潜孔钻施工地段，采取各榀工字钢拱脚采用钢板焊接在一起，或用20号工字钢（0.4m长）取代连接钢筋，增強各榀工字钢架之间的整体性，控制初期支护下沉及向隧道内收缩变形。（4）控制爆破。通过爆破试验，居民对1.2cm/s的爆破速度能够承受，对于大于1.2cm/s的爆破速度，许多居民表现出了担心和恐慌，有鉴于此，将房屋的控制爆破速度为1.2cm/s，贵乌电站为0.5cm/s作为爆破控制指标。采用分区高精度数码电子雷管平峰微震精细控制爆破技术，见图30和图31，保障了隧道和上部建筑物的安全并有效消除了居民对房屋下部爆破的恐慌。

5 结语

（1）复杂城市环境下软硬交互地层浅埋小净距隧道开挖时，应以荷载大、埋深大一侧作为先行洞开挖，以保证施工安全。（2）复杂城市环境下软硬交互地层浅埋小净距隧道开挖时关键是加固中间岩柱。由于该类型隧道围岩自稳性及支护结构的受力较一般隧道复杂，对于软弱围岩必须注浆预应力对拉锚杆等措施加固。以确保中间岩柱的稳定。（3）爆破作业，必须采用预裂爆破和光面爆破技术、分区域以平峰微震精细控制爆破，保证隧道和上部建筑物的安全并有效消除了居民对房屋下部爆破的恐慌，同时减小爆破震动对隧道结构的影 响。（4）复杂城市环境下软硬交互地层浅埋小净距隧道开挖前，必须对洞身周围岩土体预加固，控制开挖进尺、初支及时封闭成环、仰拱、二衬紧跟，必要时中台阶初支拱脚设锚筋桩等措施。

参考文献

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