巨跨超扁平地下洞库建设方法及实践

刘永胜， 洪开荣， 卓 越， 杨朝帅， 宋超业， 刘龙卫

(1. 中铁隧道局集团有限公司， 广东 广州 511458； 2. 中铁隧道勘察设计研究院有限公司，广东 广州 511458； 3. 中铁第六勘察设计院集团有限公司， 天津 300133)

0 引言

随着完善交通体系建设、促进区域协调发展、推进军民融合发展等国家重大战略的提出，超大跨度公路隧道、地下车站，石油、天然气战略储备洞库，大型地下国防工程等相继实施。以满足国家重大需求为导向，地下空间开发逐步从浅层进入深部，规模从常规向超常规发展，大跨、巨跨地下空间也逐渐融入经济、社会发展和国防建设的需求中。如最大开挖跨度为32.7 m、高跨比为0.6的京张高铁八达岭地下车站，海南某开挖跨度为44.4 m、高跨比为0.327的超大跨洞库等。人类的工程活动对地下工程的跨度和规模提出了越来越高的要求，巨跨超扁平大型地下洞库的建造挑战越来越大，技术创新也越来越迫切。

张民庆等[1]、吕刚等[2-3]、刘建友等[4]研究了八达岭长城站超大跨度隧道设计施工技术及隧道变形控制标准；罗基伟等[5]研究了超大跨度隧道预应力锚杆-锚索协同支护机制；刘辉等[6]研究了基于围岩自承载理论的超大跨硐室设计方法；孙玉龙等[7]研究了基于过程荷载的超大跨扁平地下洞室围岩压力计算方法；于清浩等[8]研究了浅埋超大跨四线高铁隧道开挖力学特性；吴涛等[9]研究了双向8车道高速公路隧道施工力学行为；樊启祥等[10]研究了白鹤滩水电站地下厂房洞室群施工技术。然而，上述研究的对象均为跨度在40 m以下的洞库或隧道，对于跨度在50 m以上的洞库，因缺乏实际依托工程，研究手段多以理论和数值模拟分析为主，而关于勘察设计、施工和运营维护等方面的工程技术问题则少有涉及。

巨跨地下洞库具有跨度巨大、体型高大、扁平的特点，其支护结构的刚度与质量分布不均匀、承受荷载复杂，且洞室稳定性判识、设计理论、地质评估体系、开挖支护关键技术、运营维护与监测等均无可供参考的经验和理论，致使其建设面临极大的技术挑战。本文对巨跨超扁平地下洞库从建设理论、勘察、设计、施工及运营等方面进行系统探讨，以期在巨跨超扁平洞库关键地质参数选取及工程选址、设计方法的探索、施工方法的确定、监控量测方案的制定等方面做出有益探索。

1 现状与难题

1.1 建设现状

国外大跨度地下洞室的建设起步较早，20世纪80年代日本第二东明公路初期建设的3车道隧道断面面积为113～117 m2，后来为了适应140 km/h的速度要求而规划的3车道公路隧道，其断面面积达到了170～200 m2，局部高达230 m2，开挖宽度达23 m。1994年开通的英法海峡隧道分叉处断面的开挖宽度达21.2 m、开挖高度达15.4 m。挪威格乔维克城滑冰场跨度为61 m、高为25 m、长为91 m，是国内外已知最大的人工洞库工程。在过去的30多年中，国外在大跨扁平隧道建设中积累了一定的经验。

我国大跨度洞库工程的建设起步较晚，早期主要集中在水电领域。近年来，大跨度地下洞库和隧道工程建设发展较快，无论是数量、运用领域、建设规模，还是修建技术与建设速度，都已达到世界先进水平，应用范围也已向交通、国防、民防、地下商业等领域拓展。典型超大跨洞室(隧道)如表1所示。

表1 典型超大跨洞室(隧道)

由表1可以看出，国内人工地下洞库(隧道)最大跨度为48 m，跨度在50 m以上巨跨洞库的建设缺乏经验。巨能攀[11]收集了国内外600个洞库工程的开挖尺寸资料，得知在已建洞库工程中，跨度在20 m以上的占41.96%，跨度在25 m以上的占15.96%，跨度在10～25 m的占84.04%，跨度超过25 m的洞库以及较差围岩中跨度在20～25 m的洞库工程占比较低。综合分析交通隧道、水利隧道以及地下洞库工程的跨度数据，结合勘察、设计和施工经验，定义常规、大跨、超大跨以及巨跨地下洞库划分标准如表2所示。

表2 常规、大跨、超大跨以及巨跨地下洞库划分标准

1.2 存在的难题

1.2.1 地质及勘察方面

常规围岩分级分类方法对洞室尺寸效应考虑不足，尺寸效应放大了地质条件对洞库的影响，尤其是岩体结构面特征对洞库稳定性的影响显著。

1.2.2 设计方法方面

巨跨超扁平地下洞库已超出了相关规范中理论分析模型与方法的适用范围，也无可以适用的工程经验可供借鉴，无论是相关理论，还是实践，均带有一定的探索性，非常有必要依托项目生产及时开展系统的设计方法研究。

1.2.3 开挖技术方面

为保证超大断面洞库施工过程的安全，在分部方式、开挖步距、支护体系施工、爆破累积损伤控制、爆破允许振动标准、配套工艺工装等方面均具有极大的挑战性，施工工艺和成套工装均需重新研发。

1.2.4 二次衬砌施工方面

巨跨地下洞库二次衬砌工程具有体积大、面积大、自重大、钢筋密集等特点，混凝土浇筑质量、钢筋混凝土的控裂、防水层的敷设、工装配套等方面均无现成的经验可供借鉴。

1.2.5 监测技术方面

因项目的特殊性，巨跨洞库围岩在建设期的稳定性判定指标很难以常规洞库的收敛和变形指标来判识，需采用多指标判识方法。

2 巨跨超扁平地下洞库理论探讨

2.1 既有理论的分析

地下工程中有2大理论体系： 一种是“松弛荷载理论”，另一种是“现代支护理论”。按照普氏理论，无论围岩强度大小、隧道跨度大小以及何种洞室形状，只要有足够的埋深，都会在拱顶发生塌落破坏并形成压力拱，洞室随之达到自稳状态。这些结论只是在一定条件下才具有适用性，而在更多的情况下并不符合实际。对于巨跨超扁平洞库而言(以跨度为70 m、Ⅲ级围岩为例)，以普氏理论计算出来的围岩松散压力达350 kN，70 m跨度条件下，几乎无法匹配这么大刚度的支护结构。因此，普氏理论在巨跨地下洞库中无法应用。“现代支护理论”的核心内容是岩体自身有承载自稳能力，围岩失稳有一个过程，如果在适当的时候提供给围岩必要的支护，则围岩仍能保持稳定。“松弛荷载理论”注重结果和对结果的处理，而“现代支护理论”注重过程和对过程的控制，即强调对围岩自承能力进行充分的保护和利用。2大理论体系在原理和方法上有着不同的特点，前者对应荷载结构法，后者对应地层结构法。

新奥法原理在常规跨度的地下工程中运用非常广泛，其核心理念是充分发挥围岩的承载能力，因其结构的支护基础是被动适应、变形协调，故变形控制为被动抵抗围岩变形，支护时机上属于伺机支护。新奥法支护体系为喷+锚+拱+网，属于浅层、被动支护，支护力为面力。对于巨跨地下洞库而言有2大难题： 一是因其尺寸巨大，若采用新奥法原理，围岩释放一定的变形，则需要刚度巨大的支护结构才能满足围岩和结构的协调变形，然而，对于巨跨洞室，现有的初期支护手段尚不能提供如此巨大刚度的抗力，因此，极易发生支护结构破坏的情况；二是以变形为前提的被动支护结构不能有效、及时地对围岩进行预加固，容易造成围岩不可逆转的劣化，从而导致洞室围岩失稳。

2.2 隧道解重构场理论

隧道开挖必然会造成围岩赋存环境的改变，包括地应力、地下水与地温等的变化，以及围岩物理力学性能的变化，这种应力和介质特性的变化过程可称为“解构”；采用各种支护手段使围岩的劣化与赋存环境的变化可控的过程称之为“重构”。由于修建隧道而发生变化的岩土体及其赋存环境统称为隧道解重构场。

现有的隧道支护体系在洞周提供径向约束，使洞室围岩的力学特性在一定程度上有所改善,但由于支护抗力仅作用于洞壁表面，支护体系是被动抵抗围岩的变形，本质上还是“被动支护”[12]。对于巨跨超扁平地下洞库而言，支护理念宜由抗变转变为控变，一是控制围岩物理力学性能的劣化，二是主动地诱导围岩的应力调整。隧道解重构场理论的核心理念是：“通过预应力锚索等主动支护手段，即时诱导围岩应力场调整和控制围岩介质的劣化来主动控制围岩，实现支护体系对围岩的主动支护”。该理论要求主动控制围岩变形，实现立即支护，支护力为体积力。主动支护和被动支护应力状态见图1。

3 巨跨地下洞库地质关键性参数及地质评判分析

3.1 关键性地质参数的遴选

运用正交试验方法，对岩石强度、地下水、结构面间距、结构面倾角、计算摩擦角、地应力、洞库跨度、高跨比、地震烈度等9个地质参数和几何参数进行洞库稳定性分析，得到了各参数的影响规律。正交试验设计情况如表3所示。

表3 正交试验设计情况

通过采用灰色系统关联分析方法对影响巨跨超扁平地下洞库围岩分级与围岩稳定性的影响因子进行多因素敏感性分析。首先,通过离散元(DEM)、极限平衡法等方法建立数学模型，以反算的方式研究结构面空间产状、强度特征、初始地应力环境条件等岩体综合工程地质特征的变化引起洞库变形的范围，从而确定地质参数的权重因子;其次,通过数理统计的方法确定关键地质参数与洞室稳定性的定量关系；最终,遴选出跨度、高跨比、节构面间距、结构面倾角、摩擦角、地应力是影响围岩稳定性的显著因素(见图2)。

图2 各参数权重值

3.2 选址原则

1)权重规律： 结构面产状>地应力>跨度>高跨比>摩擦角。2)侧压力系数为1.5～3.0，且结构面倾角小于15°或大于45°、结构面走向与洞库轴线夹角大于60°时，成洞稳定性好。

4 巨跨地下洞库设计方法探讨

4.1 设计方法的选择

巨跨地下洞库围岩稳定性分析与设计方法一般包括定性分析和定量分析2类。为实现巨跨地下洞库设计方法的科学化、精细化，通过引入具有严格物理力学意义的定量指标，实现巨跨地下洞库定量化设计方法。通过数值分析，结合围岩整体、块体稳定分析法，为关键参数指标的定量化设计提供理论指导，同时紧密结合现场实测数据，做好反馈分析的动态设计。目前针对巨跨地下洞库结构，国内外类似工程经验极少，设计方法选择上主要采用“以数值计算为主，类似大跨经验为参考，施工监测动态反馈调整”相结合的综合设计方法。

通过构建施工阶段围岩稳定性评估指标体系，以参数化形式确定在满足指标体系条件下，大跨洞室能够做到安全快速修建，为巨跨超扁平洞室安全修建提供理论保障。首先，确定施工阶段巨跨地下洞库围岩稳定性评价项目，包括整体稳定性及局部稳定性2个评价项目，每个项目又分为变形指标(变形值及变形速率)、强度指标(剪切强度、塑性区等)、关键块体的滑移形式和安全系数、支护结构承载力指标等若干子项目；然后，通过资料调研及理论分析，选取合适的岩石及结构面弹塑性本构、破坏准则，结合工程实测数据，对各子项目的指标控制值进行参数化评价；最后，根据整体及局部稳定性评价结果，对施工阶段洞室结构安全状态进行评价。巨跨地下洞库围岩稳定性评价流程见图3。

图3 巨跨地下洞库围岩稳定性评价流程

4.2 设计难点

巨跨超扁平地下洞库的设计难点有： 1)巨跨超扁平地下洞库采用预留中岩柱的分部开挖工法，中岩柱拆除后不确定风险高。2)穿越断层破碎带段存在较大块体掉落风险，开挖后支护难度高、成洞风险大。3)洞内交叉段工序转换复杂，对支护系统跟进及爆破振速要求高。4)洞口高边坡施工，开挖及支护难度大，超小覆盖层进洞风险高，质量要求极高。5)巨跨超扁平地下洞库洞口段的设计难度极大。6)裂隙岩体中巨跨地下洞库系统支护参数设计确定难度大。

4.3 设计原则

1)应采用主动、及时的喷+锚+网柔性支护体系。2)采用横向分块+竖向分层+预留中岩柱的开挖方法，明确开挖顺序，保障工序顺畅。3)细化系统支护参数的定量化设计，确保系统锚索+系统锚杆的支护方案安全合理，匹配现场施工工序。4)结合洞口仰坡设计，科学制定洞口段开挖支护设计方案，洞内、洞外支护相结合，保障洞口浅埋段安全成洞。5)二次衬砌采用贴壁式设计，不承担水土压力，只承担围岩残余应变和不均匀沉降引发的内力。

5 巨跨地下洞库工程建设实践

巨跨超扁平地下洞库的施工方法没有可供参考的工程经验，其施工过程的力学行为研究尤为重要。为保证超大断面洞库施工过程的安全，在分部方式、开挖步距、支护体系施工、爆破累积损伤控制、配套工艺工装等方面均具有极大的挑战性，需进行深入研究及探索，相关施工工艺工装需重新研发。

5.1 工程概况

某巨跨地下洞库工程围岩岩体较完整，属于硬质岩。围岩局部有节理切割的大块或巨块体，整体Ⅱ级，局部Ⅲ级。地下水主要为地表降水向山体内渗流，水位在隧底以下。洞库开挖跨度远大于50 m，矢跨比0.21，侧压力系数约为2.67，属于典型的巨跨超扁平地下洞库工程，满足3.2节的选址原则。

5.2 设计方案

洞库采用喷+锚+网支护结构。喷射混凝土厚度20 cm，强度C25，钢筋网φ8@15 cm×15 cm，网喷混凝土柔性太大，设计中不考虑其承载力；拱部和边墙设计系统锚杆(6 m@2.4 m×1.2 m)，拱部设计预应力锚索18 m@4.8 m×4.8 m，锚固段长9 m。钢绞线为9×25孔、fptk=1 860 MPa，锚索轴力设计值为1 500 kN。二次衬砌为离壁式结构，拱部混凝土截面厚度为120 cm，两侧边墙厚度为2.0 m，底板厚度为2 m，混凝土强度为C60。巨跨超扁平地下洞库设计施工图见图4。

巨跨地下洞库采用分块分幅开挖，在导洞开挖完成后立即采用预应力锚索和锚杆支护，对已开挖岩体进行及时主动支护。岩柱开挖前(成跨之前)，大部分部位形成了预加固，岩柱拆除瞬间，预应力加固体系发挥作用，抑制围岩变形，维护围岩稳定。

5.3 开挖方案

巨跨地下洞库开挖方法的选择必须考虑开挖工况围岩的稳定性，分块分幅开挖是必然的选择。预留岩柱支撑法是根据围岩质量等级和开挖跨度大小确定合理的开挖分割块，同时相邻分割块之间预留原岩作为洞库的支撑体系，确保不同施工阶段的围岩都处于安全稳定状态。预留岩柱支撑法常用的有预留单岩柱支撑法、预留双岩柱支撑法和预留多岩柱支撑法。

在开挖方法选择方面，需重点考虑断面分块形式和尺寸以及临时支撑的设计和拆除2个关键问题。

序号表示开挖顺序，下同。

5.3.1 断面分块形式和尺寸

分块数量越多,单个开挖部尺寸越小,支护结构施作越及时，洞库稳定性越好，安全风险越低，但分块数量多会导致工序复杂、围岩扰动次数多、机械化作业效率低、进度慢，经济性不高。平衡安全性和经济性的矛盾，是开挖方法选择的首要问题。

5.3.2 岩柱的设计与拆除

对于预留岩柱支撑，除了根据岩柱承受的围岩荷载来确定岩柱个数、岩柱尺寸和岩柱加固参数外，拆除岩柱是整个施工的关键，设计合理的岩柱拆除方案、步序、进尺等，对施工安全有决定性影响。预留岩柱开挖法示意图见图5。

图6 巨跨超扁平地下洞库双向对挖拆除岩柱支撑施工示意图

5.4 壳体型大体积二次衬砌混凝土浇筑方案

5.4.1 浇筑难点

1)巨跨洞库二次衬砌混凝土最大厚度可达2 m，单组混凝土浇筑量可达1 500 m3，属大体积混凝土施工，对混凝土抗裂性能提出极高的要求。

2)二次衬砌钢筋设置较为密集(主筋最小净距仅约120 mm)，混凝土浇筑期间送料、振捣难度极大，极易产生大面积空洞。

3)巨跨地下洞库拱部呈蛏壳形，拱部为水平状，极其不利于混凝土填充，且无振捣条件。

5.4.2 控制方法

5.4.2.1 控裂方法

1)温度控制。采取措施有效降低混凝土自身水化热峰值，控制混凝土内外温差及温降梯度速率,防止温度效应导致的开裂。

规划区域位于渠北运西片中部，区域上游有排涝面积24.57km2，下游有排涝面积49.77km2，区域内排水河道既要保证上游涝水的安全下泄，又不能增加下游的排涝压力，起到承上启下的作用。

2)外部施加应力控制。提高支撑体刚度,尽量减小顶部水平段混凝土浇筑期间支架变形量；采取适当工艺加快封顶速度，在满足水化热控制基础上尽量延长混凝土初凝时间,使支架变形在底部混凝土处于可塑状态下完成,消除外部应力引起的开裂。

3)采用“先墙后拱”的方式进行二次衬砌施工。

5.4.2.2 不密实控制方法

采用自密实混凝土解决不密实难题，经大量配比和现场试验分析，得出巨跨地下洞库混凝土配合比，如表4所示。

表4 自密实混凝土配合比

表4中： 粉煤灰等级为Ⅰ级，检测指标符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的相关要求；细骨料宜采用质地坚硬、级配良好、吸水率低、孔隙率较小的Ⅱ区中河砂；粗骨料宜选用粒性良好、质地坚固、线胀系数小、级配良好的碎石，级配采用5～10 mm、10～20 mm的单粒级配掺配使用，最大公称粒径不大于20 mm；减水剂采用聚羧酸高性能减水剂；改性剂采用增黏剂，技术指标符合TB 10424—2010《铁路混凝土工程施工质量验收标准》的相关要求。

5.5 防水层施工方案

巨跨地下洞库宜修建在地下水位以上，设置防排水体系有2个目的： 一是保持洞室干燥，确保达到一级防水标准；二是疏排雨季通过裂隙渗透的地表降水。为此，巨跨洞库设置了防水层+环向盲沟+纵向排水管(沟)+复合土工膜的完整防排水体系。

5.5.1 巨跨地下洞库防水层施工重难点

1)大跨度、大面积防水层的快速铺设以及搭接处理难题。2)系统锚杆密集穿透防水层，常规防水板无法实现防水要求。3)初期支护混凝土表层钢纤维外露，易刺破防水层。

5.5.2 解决方案

通过现场工况适用性及材料性能对比,快凝沥青橡胶喷涂防水材料具备较强的不透水性、断裂伸长率、弹性恢复率、耐冲模及抗冲刺性能，且能与复合土工膜良好黏结；因此，巨跨地下洞库采用“复合土工膜+3 mm厚沥青橡胶防水涂层”方案可满足防水要求。

5.6 监测方案

5.6.1 监控量测难点和要点

1)巨跨地下洞库具有跨度巨大、结构扁平等特点，国内外没有类似的工程监测经验，施工期监控量测标准需要重新制定，运营期结构安全和围岩稳定也需进行长期监测和评估。2)巨跨地下洞库施工期和运营期监控量测项目需重新确定，如表5所示。3)采用分块分幅的形式爆破开挖，应力场多次扰动、多次平衡，监控量测规律复杂。

表5 临时监测项目和永久监测项目

5.6.2 监测规律分析

通过监测，得到了洞库拱顶沉降规律，典型的拱顶沉降曲线见图7。

图7 典型的拱顶沉降曲线

由图7可以看出： 1)沉降量的绝对值大，且随着开挖工况的改变，变形曲线出现多次增幅和收敛。2)沉降速率大，为集中爆发型，且在同一洞库断面上变化明显。

6 结论与建议

地下洞库的跨度在不断增大，也在不断挑战着地下洞库的建设水平。本文的研究和实践表明，50 m及以上巨跨地下洞库是可以安全、快速修建的，得到的主要结论与建议如下。

1)巨跨超扁平地下洞库成洞的关键是充分发挥围岩的自稳能力，主动、及时的支护是保障围岩稳定的关键。

2)巨跨超扁平地下洞库尺寸效应给勘察设计和施工带来了极大的影响。结构面产状、地应力、跨度、高跨比、摩擦角是影响围岩稳定的显著因素。洞库宜修建在地下水位以上。

3)巨跨超扁平地下洞库应采用喷+锚+网柔性支护体系。支护参数的选取需以数值计算为基础，并结合监控量测数据及时调整。

4)巨跨地下洞库的开挖须采用“横向间隔分块、纵向梯次并进”的理念，确保开挖工况的稳定性。

5)巨跨地下洞库的建设具有重大技术挑战性，跨度在50 m以上的洞库建设样本稀缺，主动支护理论、巨跨洞库设计方法以及洞库运营期的稳定性和安全性均须进一步明确和确认，建议后续做进一步研究。本文提出的巨跨超扁平地下洞库的定义及相关结论是在工程实践的基础上提炼总结而来，供各位同行商榷。