复杂地质条件下隧道工程洞身开挖方法及重点技术分析

摘要 文章对隧道工程洞身开挖方法及其关键技术进行了分析和研究，首先介绍了隧道工程开挖方法的选择原则，随后详细阐述了在不同地质条件下隧道洞身开挖的具体方法和实施步骤，最后分析了隧道开挖过程中的关键技术问题，并提出了相应的解决方案，以期为隧道工程洞身开挖方法的选择提供一定的技术指导和参考。

关键词 隧道工程；洞身开挖；施工方法

中图分类号 U455 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）17-0107-03

0 引言

隧道工程作为现代交通建设的重要组成部分，面临着复杂多变的地质条件和严苛的施工环境。在隧道工程中，洞身开挖是一个至关重要的环节，其技术难度和安全性要求极高。该文旨在探讨复杂地质条件下隧道工程洞身开挖方法的选择与实施，并对关键技术进行深入研究。通过总结隧道工程洞身开挖的成功经验和技术，为相关工程提供一定的理论支持和实践指导。

1 工程概况

米田村隧道位于凉山州雷波县米田村，靠近城区；隧道进口地表建筑物较多、密度大，采用非爆破开挖。隧道采用分离式双线设计，左线起止里程桩号为ZK62+492

～ZK63+524，长度为1 032 m；右线起止里程桩号为K62+473～K63+507，长度为1 034 m。隧道左右线出口均位于曲线段，左右洞净距在18.2～15 m之间，出口为Ⅴ级围岩小净距隧道，隧道进口端洞门为削竹式，出口端为端墙式。米田村隧道洞口均位于第四系的巨厚堆积体中，进口为碎石土，中密状，稳定性较差～一般；出口为碎、块石，中密状，稳定性一般。隧道洞身堆积体呈散体结构，基岩岩性的完整性在破碎～较完整之间变化。

2 洞身地质及开挖方法

米田村隧道开挖支护按非爆破原理组织施工，隧道硬质岩段落软质岩采用弱爆破开挖，在处理不宜爆破的软弱围岩时，采用小型挖掘机进行直接开挖，或者使用人工风镐进行开挖。

洞身为Ⅳ级围岩中风化灰岩、碎石土，中密状，稳定性较差，采用上下台阶法施工或环形预留核心土法开挖；出口小净距隧道Ⅴ级围岩先行洞采用环形预留核心土法开挖，后行洞和紧急停车带则采用单侧壁导坑阶法开挖；隧道进口约300 m均位于第四系冲洪积层中，属于Ⅴ级围岩，洞口浅埋偏压，并且地表建筑物多、密度大，采用交叉中隔壁法开挖，同时严格控制围岩变形。

3 重点施工方法及施工要点

3.1 上下台阶法

该方法适用于主洞Ⅳ级围岩中风化灰岩段的衬砌开挖施工，开挖前应先施作超前支护。上台阶每循环开挖进尺的Ⅳ级围岩不得大于2榀钢架间距，V级围岩不得大于1榀钢架间距；下台阶每循环进尺不得大于2榀钢架间距。隧道开挖后，初期支护应及时施作并封闭成环。下台阶应在上台阶支护完成后，喷射混凝土强度达到设计强度的70%后开挖。台阶下部断面一次开挖长度应与上部断面相同，且不得大于1.5 m。Ⅳ级及以上围岩仰拱的每循环开挖长度不得大于3 m，不得分幅施工。

仰拱与掌子面的距离：Ⅲ级围岩≤90 m，Ⅳ级围岩≤50 m，V级围岩≤40 m。二衬距离掌子面：Ⅲ级围岩地段不宜大于120 m，IV围岩地段≤90 m，洞身V级围岩地段≤70 m。

二次衬砌距掌子面的距离应根据监控量测及时进行调整，但不得大于规定值。Ⅳ级以上围岩仰拱的每循环开挖长度不得大于3 m，不得分幅施工[1]。

上下台阶法的施工控制要点如下：

（1）洞口及明洞工程完工后，即可进行暗洞上台阶的开挖和初期支护。由于洞口段为Ⅴ级围岩，所以开挖方法采用“弧形导坑预留核心土法”进行开挖掘进，沿上部开挖轮廓线，采用人工辅以小炮开挖拱顶环形土，然后打径向锚杆—铺挂钢筋网—立钢拱架—喷射混凝土至设计厚度。

隧道开挖后，应立即对岩面进行喷射混凝土施工，防止岩体发生松动。喷射混凝土顺序应先墙后拱，当岩面不平整时，应先喷凹处找平。

在边墙部分的喷射混凝土施工中，应采取自下而上、从左到右或从右到左的顺序进行，确保喷射过程形成螺旋轨迹的运动模式。每一圈喷射应覆盖前一圈的一半，纵向施工则应按顺序进行。喷射过程中的旋转半径一般设定为15 cm，而每次蛇形喷射的长度则控制在3～4 m的范围内。

对于拱部施工，应从拱脚至拱腰处自下而上进行喷射，随后从拱腰至拱顶采取由里向外的喷射方式。在喷射混凝土的过程中，必须严格控制喷射速度，保证混凝土能够均匀、密实地覆盖在岩面上。根据实际施工情况适时调整喷射速度，首次喷射混凝土厚度不得小于设计厚度。

下部开挖时钢拱架的锚杆必须施工完毕，确保施工安全，并控制钢拱架的下沉量在允许的范围内。开挖进尺控制：上台阶每循环开挖进尺的Ⅳ级围岩不得大于2榀钢架间距，V级围岩不得大于1榀钢架间距；下台阶每循环进尺不得大于2榀钢架间距。采用松动爆破。开挖成形后应及时支护，并保证钢支撑垫板能够落到稳定基岩上。

3.2 环形预留核心土法

该方法适用于V级围岩小净距隧道先行洞的衬砌施工，开挖前应先施作超前支护。对于V级围岩，上台阶每循环的开挖进尺不得超过2榀钢架间距的限制。同样，下台阶每循环的进尺也应遵循这一原则，不大于2榀钢架间距。开挖完成后，隧道的初期支护应及时进行并封闭成环，以提供必要的临时支撑。核心土与下台阶的开挖工作，应在上台阶支护完成后进行，并确保喷射混凝土的强度至少达到设计强度的70%。初期支护封闭的位置与掌子面之间的距离应控制在15 m以内。对于Ⅳ级和V级围岩，仰拱与掌子面之间的距离也有明确要求，在Ⅳ级围岩中这一距离不得超过35 m，而在V级围岩中，这一距离应进一步缩短至不超过25 m，以增强隧道结构的整体稳定性和承载能力。

二次衬砌距掌子面的距离：二次衬砌距掌子面的距离≤50m；洞身V级围岩≤70 m；IV围岩≤90 m。隧道仰拱均应采用栈桥施工工艺，浇筑时必须整体浇筑，不得分幅浇筑[2]。

环形预留核心土法的施工控制要点如下：

（1）施工开挖采用短台阶留核心土法，台阶总长度小于15 m，核心土面积不宜小于上台阶断面面积的50%，并根据围岩情况灵活调整，开挖循环间距控制在1榀钢拱架间距，初期支护应紧跟开挖面。在上半断面初期支护基本稳定后才能进行下半断面的开挖。

（2）针对拱脚处软弱破碎的围岩，应采取加固措施。首先加固拱脚，通过增加锁脚锚杆的数量和直径提供额外的支撑力。锁脚锚杆的施作应严格按照设计要求进行，确保锚杆的长度、间距和注浆质量满足工程要求。

当拱脚处围岩软弱破碎程度较高时，可考虑扩大拱脚，通过增加拱脚的宽度和厚度，提高其对围岩的承载能力。同时，在拱脚处增加垫板也是一种有效的加固措施，垫板应选用高强度材料制作，并与钢拱架紧密连接，以分散和传递来自围岩的压力。在施工过程中，应加强对拱脚处围岩的监测和观察，及时发现和处理潜在的安全隐患，确保隧道施工的安全顺利。

（3）当隧道上台阶的核心土开挖完成后，若发现拱顶及两侧拱墙的收敛变形显著，为确保隧道结构的稳定和安全，可以及时施作临时仰拱。临时仰拱的施作应迅速且有效，以及时分担上部结构的荷载，减少变形，确保隧道的整体稳定性。

在地下水量较大的情况下，开挖面的处理尤为关键。应及时喷射混凝土以封闭开挖面，防止地下水涌入隧道内部。随后，打孔并插入PVC管以引导和排放地下水。在这一过程中，超前注浆技术发挥着重要作用。采用水泥和水玻璃双浆液进行注浆，可以更有效地填充围岩中的空隙，提高围岩的整体性和抗渗性。注浆结束后，为确保注浆效果，上台阶的开挖工作应在待凝期间暂停，待注浆体达到一定强度后再进行。

（4）Ⅴ级围岩施工安全距离：洞口及浅埋段≤50 m，一般段≤70 m，Ⅳ级围岩段≤90 m。

（5）爆破完成后应采用挖掘机对爆破后产生的危石、浮石进行清除，达到排险目的，确保施工安全。

（6）在下一循环开挖放样时，测量组应对上一循环的开挖断面进行测量，并记录超欠挖数据，用于对施工班组的开挖考核，达到控制超欠挖的目的。超欠挖数据采用全站仪进行断面测量或在掌子面画出开挖轮廓线后测量，点间距控制在50 cm以内。

3.3 单侧壁导坑法（CD）施工

该方法适用于主洞停车带段、小净距隧道后行洞的衬砌施工，围岩条件差时可视情选用。

（1）开挖前应先施作超前支护。各分部宜采用机械开挖，周边轮廓应圆顺，避免应力集中。开挖循环进尺不得大于初期支护的钢架设计间距。隧道开挖后初期支护应及时施作并封闭成环。应在先开挖侧喷射混凝土，并在强度达到设计要求后再进行另一侧开挖。初期支护的封闭位置与掌子面的距离≤35 m，仰拱与掌子面的距离≤40 m。

（2）二次衬砌距掌子面的距离≤50 m。二次衬砌距掌子面的距离应根据监控量测及时调整，但不得大于图中的规定值。

（3）围岩较差时应增设临时仰拱。设置临时仰拱时，宜设为弧形，各部施工应步步成环。临时支护的拆除应在初期支护封闭成环，并通过监控量测确认其稳定性，一次拆除长度不超过15 m，拆除过程中应加强监控量测。

（4）锁脚锚杆弯钩应焊接在工字钢临空面的侧翼缘上，采用双面焊接，焊缝宽度≥15 mm，焊缝厚度≥9 mm。隧道仰拱均应采用栈桥施工工艺，浇筑时必须整体浇筑，不得分幅浇筑。

3.4 交叉中隔壁法（CRD）施工

交叉中隔壁法施工应遵循“管超前、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则。首先应完成导向墙的施工，比如洞口长管棚的施工或完成超前小导管支护的施工，然后按照此工法工艺流程进行施工。上台阶开挖进尺不应大于1榀钢架间距，边墙每循环开挖支护进尺不得大于2榀钢架间距；仰拱开挖前必须完成钢架锁脚锚杆。

交叉中隔壁法应用在软弱围岩大跨度隧道中，应先开挖隧道一侧的一或二部分，施作部分中隔壁和横隔板，再开挖隧道另一侧的一或二部分。完成横隔板施工的施工方法，主要应用于Ⅴ级围岩浅埋地段的施工。交叉中隔壁法施工工序平面示意图见图1所示：

图1 交叉中隔壁法施工工序平面示意图（cm）

根据隧道不同围岩的开挖施工特点，先行洞开挖到Ⅴ级与Ⅳ级分界处时，应用喷射混凝土封闭掌子面，将水平支撑同样加到掌子面，收敛点也埋设在掌子面；通过收敛量测，先行洞稳定后，再开挖后行洞，在后行洞开挖过程中应密切观察先行洞的变化，当后行洞与先行洞平起后（即同样到达Ⅴ级与Ⅳ级分界处），同样按先行洞的方式处理掌子面；对施工过程中的量测数据进行分析，判断变形满足规范要求后，再进行工序转换施工。

4 结论

经过对隧道工程洞身开挖方法及重点技术的综合分析和深入研究，该文得出了以下结论：在复杂地质条件下，隧道洞身开挖方法的选择需综合考虑地质特点、工程需求和安全因素，灵活采用如环形预留核心土法、上下台阶法、单侧壁导坑法（CD）施工法等开挖技术，以适应不同的地层和工程条件。隧道工程洞身开挖方法及重点技术的分析与应用是一个系统工程，需要综合考虑多个因素，注重理论与实践相结合，通过不断优化和完善开挖方法和重点技术，可以有效提高隧道工程的施工质量、安全性和效率。

参考文献

[1]韩丛.不良地质条件下隧道洞身开挖施工关键技术[J].工程建设与设计，2024（2）：108-110.

[2]程熙.隧道工程洞身开挖工艺技术分析[J].低碳世界，2019（11）：213-214.