岩溶地区高速公路小净距隧道开挖作业方式选择

冯 威 艾小文 袁灿君 余孝卫 杨 建

（浙江交工集团股份有限公司，浙江 杭州 311103）

0 引言

小净距隧道是指隧道间的中间岩墙厚度小于分离式独立双洞的最小净距，对于不同围岩级别，其中间岩墙厚度范围在1.0~4.0 倍隧道开挖宽度，常用于洞口地形或有特殊要求的中、短隧道以及长或特长隧道洞口局部地段。对于岩溶地区的小净距隧道，岩溶地貌发育对小净距隧道的施工提出了不同的要求，本文以实际工程为背景，通过分析岩溶地区小净距隧道的特点，对不同条件下的开挖方式选择进行分析。

1 工程概况

工程位于广西地区，场区属典型岩溶地貌，主要岩溶形态为溶洞、溶沟、溶槽等。地表溶蚀、沟槽发育，沟槽多被第四系残坡积层黏性土充填，岩体裂隙发育，表层局部存在镶嵌结构的块体，局部岩体松动，易形成危岩，松动块体直径一般1～2m 不等。拟建隧道区内岩溶个体形态种类较多，地表、地下形态发育较齐全，如溶沟、溶槽、溶孔、石芽、溶洞、溶蚀裂隙、溶蚀洼地等。其中，溶洞多隐藏于茂密的灌树林中，或隐藏于山体岩体内部，该类溶洞系更新世早期地壳运动间歇期形成的水平、垂直溶洞，洞径大小不一，并伴有部分充填物、岩溶水等。场区内岩溶地貌发育种类多、密度大，从区域内地形地貌、气象水文、地质构造等方面综合分析研判，项目所处范围内的岩溶分布具有一定的规律可循。通过统计分析特征表明，区域内的岩溶形态主要以垂直发育为主，水平岩溶变迁呈现出明显分层特征，且密度相对较小。

拟建隧道全长1570m（右线），全线围岩等级为Ⅲ-Ⅴ级，围岩抗压强度在25～55MPa之间。隧道采用分离式小净距设计，洞门为端墙式，隧道净空为14.5m×5m，全线平面位于直线段，纵坡0.65%。隧道洞门构造如图1所示。

图1 拟建隧道洞门构造

2 岩溶地区小净距隧道施工要点

对于岩溶地区小净距隧道而言，其围岩类别主要以石灰岩为主，根据其破碎情况、地下水、初应力、软弱结构面进行修正。通常，对于岩质隧道，主要采用钻爆法进行施工，配合机械出渣，在其施工过程中，应重点控制爆破震动对中岩墙的危害，施工时应注意以下几点：

（1）先行洞和后行洞的开挖方法。

（2）上下行洞体爆破设计及其振动控制。

（3）两洞间开挖面的安全步距和距离。

（4）两洞间初支、二次衬砌之间的安全步距和距离。

（5）两洞间中间岩墙的防护方法。

3 隧道开挖方式及其适用条件

根据隧道场区、围岩不同的水文地质条件及施工环境，应采用与之相适应的隧道开挖方式、支护方式，以确保隧道开挖过程中围岩的稳定和施工安全。隧道开挖的主要方式按照一次开挖断面的大小主要分为全断面开挖、台阶开挖、环形开挖、中隔壁交叉开挖、双侧壁导坑开挖等方式，在施工过程中，具体的开挖方式还需综合考虑隧道围岩级别、水文、软弱结构面、初应力等因素，严格遵循不同的开挖方式的具体适用条件[1-2]。

3.1 全断面开挖

全断面开挖的方式是以设计断面为开挖面积，一次性开挖到位，主要适用于围岩较好的中小跨径隧道，对于围岩较差的中、大跨径隧道，在采取有效的加固措施后，通过充分的计算论证，在确保施工安全的情况下也可以采取全断面开挖的方式。全断面开挖常采用钻爆法施工，按照设计轮廓线一次爆破成型，施工前需要严格对爆破方案进行设计和论证。

3.2 台阶开挖

台阶开挖通常将隧道断面分成两个或更多个部分逐层进行开挖。这可以降低一次开挖的难度和工作量。在分层开挖的过程中，需按照设计要求及时进行支护设置，以保证隧道的安全性和稳定性。完成开挖和支护后，需进行衬砌（修建隧道内壁）和回填（填补隧道底部）工作。在整个施工过程中，需进行各种监控测量工作，以便及时了解隧道的状态和变形情况，为施工提供指导。台阶法可以降低一次开挖的难度和工作量，减少隧道塌方的风险，由于台阶法可以分层开挖，因此可以同时进行多个工作面，提高施工效率。台阶法适用于各种地质条件的隧道施工，如软弱围岩、硬岩等，但施工难度大，施工过程中需要精确的施工控制和协调，如果处理不当，可能会造成隧道变形和渗漏等问题。

3.3 环形开挖预留核心法

隧道环形开挖预留核心法是一种先开挖上台阶使其成环形，并进行支护，再分部开挖中部核心土、两侧边墙的施工方法。首先开挖隧道上台阶，形成环形；在上台阶开挖完成后，及时进行支护设置，以增加隧道的稳定性和安全性。在完成上台阶支护后，按照设计要求进行中部核心土和两侧边墙的分部开挖。完成开挖和支护后，进行衬砌和回填工作。该法可以降低隧道施工的风险，减少对围岩的扰动，提高施工安全性。通过先开挖上台阶使其成环形，然后向两侧扩挖，可以充分利用上台阶作为工作平台，提高施工效率。环形开挖预留核心法适用于各种地质条件的隧道施工，特别是对于软弱围岩或需要特殊防护的情况。

3.4 CD法和CRD法

中隔墙法（CD 法）主要适用于地层较差和不稳定岩体，且地面沉降要求严格的地下工程施工。此方法是在台阶法的基础上，将隧道断面从中间分成4~6 个部分，使上下台阶左右各分成2~3 个部分，每一部分开挖并支护后形成独立的闭合单元。CD 法是在软弱围岩大跨度隧道中，先分部开挖隧道的一侧，并施作中隔壁，然后再分部开挖另一侧的施工方法。

交叉中隔墙法（CRD 法）是一种适用于软弱地层的隧道施工方法，特别是对于控制地表沉陷有很好的效果，一般主要用于城市地下铁道施工中。因其造价高，故在山岭隧道中较少采用，但是在特殊情况下，也可以采用，如膨胀土地层。CRD 施工是采用CRD 法预留核心土的方法，将大断面隧道分成4 个相对独立的小洞室分部施工。

CD法和CRD法都是以台阶法为基础的施工方法，但CRD法更注重对地表沉陷的控制，因此，当需要严格控制地表沉陷时，可以采用CRD法。而CD法则更适合于地层较差和不稳定岩体的隧道施工。

3.5 双侧壁导坑开挖

隧道双侧壁导坑法开挖是一种分部开挖隧道的方法，具体开挖方式是在隧道的两侧分别开挖两个较小的导坑，作为后续施工的工作平台。在导坑开挖完成后，及时进行初期支护和临时支护，以增加隧道的稳定性和安全性。如果需要，在导坑的两侧边墙进行衬砌，以增加隧道的强度和稳定性。剩余部分采用二台阶或三台阶开挖：根据地质条件、断面大小等因素，对剩余部分采用二台阶或三台阶开挖的方法进行施工。双侧壁导坑法将隧道分成多个部分进行开挖，可以降低一次开挖的难度和工作量，提高施工安全性。由于双侧壁导坑法采用分部开挖，每块都是在开挖后立即各自闭合，因此可以增加隧道的稳定性。双侧壁导坑法的开挖断面较小，对围岩的扰动也较小，可以更好地保护围岩的稳定性。该开挖方式适用于围岩较差的Ⅴ~Ⅵ级围岩条件下的行车隧道开挖，特别是在浅埋大跨度隧道施工时，能够控制地表下沉，保持掌子面的稳定，安全可靠。

3.6 中导洞开挖

隧道中导洞法开挖是一种在隧道施工中常用的方法，首先在隧道中心挖掘一个较小的导洞，这个导洞通常被称为“中导洞”。在导洞挖掘完成后，根据设计要求进行支护设置，以增加隧道的稳定性和安全性。以导洞为基础，向两侧逐步扩挖，形成完整的隧道。完成扩挖和支护后，进行衬砌和回填工作。该开挖方式施工安全性高，可以降低隧道施工的风险，减少对围岩的扰动，提高施工安全性。同时，通过先挖掘导洞，然后向两侧扩挖，可以充分利用导洞作为工作平台，提高施工效率。

4 案例工程开挖方式选择及辅助工作

4.1 岩溶隧道开挖方式的选择

以案例工程为例，该隧道总长1570m，各级围岩长度占比及围岩特征见表1所示。

表1 案例工程围岩分布情况及岩体特征

由表1 可知，对于岩溶隧道，洞口段埋深较浅，受自然侵蚀严重，岩体破碎，地表水垂直贯通到洞体，对于隧道主体，其围岩地质情况基本均匀，但不同程度地受到岩溶水影响。

隧道的开挖方式选择还受地表沉降的影响，因此，该案例工程开挖方式的选择可以有以下几种：

洞口段：中隔壁法（CD 法）、交叉中隔法（CRD）、双侧壁导坑法；

隧道主体段：全断面法、台阶法。

通过初步选择的施工方式，计算施工过程中隧道的受力、变形及稳定情况，结合技术、经济分析，形成最终的施工方案并进行施工组织设计。

4.2 辅助工作

对于岩溶隧道开挖方式的选择，还需配合隧道超前地质预报，通过选择适用的超前地质预报方法，探明掌子面前方的地质情况，进一步采取有效的施工措施，降低施工风险。对于洞口段，由于其岩溶水丰富，岩体破碎，必须采用超前钻探法预报、评价该段的地质情况；对于Ⅲ、Ⅳ级围岩的隧道主体，可配合使用地质调查法、物理勘探法、TSP法等方法进行地质超前预报[3-4]。

5 结束语

本文在总结小净距隧道及隧道不同开挖方式特点的基础上，结合实际案例工程不同围岩等级段落初步选择施工方式，在洞口段采用中隔壁法（CD 法）、交叉中隔法（CRD）、双侧壁导坑法；在隧道主体段采用全断面法和台阶法。通过计算施工过程中隧道的受力、变形及稳定情况，结合技术、经济分析，形成最终的施工方案并进行施工组织设计，同时，提出了相应的超前地质预报方法。实践证明，以上方法提高了该工程的施工安全性和施工效率，也验证了方法选择的正确性。