大断面软岩隧道双层初期支护分部施工技术

  钟  祺，王小龙，何金宝

  （中交一公局第一工程有限公司，北京  102205）

[摘要]通过对软岩隧道施工期间多种病害开展技术研究，提出了在大断面软岩隧道施工中采取“三台阶法”分部施作双层初期支护的技术措施，在保证安全和质量的基础上，显著加快了施工进度，并有效地降低了施工成本，控制了隧道沉降和收敛变形，取得了良好的经济效益和社会效益。

[关键词]隧道工程；软岩；支护；三台阶开挖；变形；施工技术

[中图分类号]   U459.2        [文章编号]1002-8498(2016)01-0092-03

1工程概况

    由中交第一公路工程局有限公司承建的G7高速公路集宁至呼和浩特第2合同段施工的金盆湾隧道，全线设计为V级围岩，左线长3 310m;右线长3 375m，为分离式双向六车道特长隧道。隧道最大埋深左洞为143m，右洞为147m。该隧道创造了国内单个隧道施工的3个之最：地质围岩变化最频繁、软弱围岩段落最长（单洞长6 600m）、类似工程地质情况下开挖断面最大(195 m2)。该隧道围岩主要以粉质黏土和砂岩为主，天然含水量为9%~13%，土粒相对密度为2. 72，天然孔隙比为0.42~0.5，稠度指标液限为32%~35 %，塑限为18%~21%，塑性指数为13%~15 %，且围岩层节理发育，滑动面极多，且层面光滑，遇水具有一定的膨胀性，自稳能力较差，施工风险极高，地质病害较多，施工阶段该隧道在施作完初期支护后沉降速率较大，最大沉降速率达16.3 cm/d，累计沉降量达73.3 cm，远超原设计预留变形量（原设计浅埋段15cm，深埋段12cm），造成初期支护侵限，导致侵限段落必须采取换拱处理，其施工安全风险大，并且增大了施工成本。

2大断面软岩双层初期支护施工技术国内研究现状及理论分析

    随着我国交通行业的发展，更多的软弱地层或者高地应力引起的大变形软岩隧道不断涌现。同济大学夏才初、唐颖等人申请了“大断面岩石隧道双层初期支护系统设计方法”专利，福州市公路局的林著惠应用特性线理论得出采用双层初期支护并适当减小二次支护的厚度可以使得岩体稳定性更好。中铁隧道集团股份有限公司的以厦门机场路JC3标工程为依托在全风化花岗岩连拱隧道中应用双层初期支护有效控制了地表房屋沉降。汇总国内外对于软岩隧道大变形的控制经验可以发现，对双层初期支护在大变形隧道中的系统研究较少，设计理论还在探索阶段，很多理论不成熟，尤其是大变形隧道的开挖方法、各层支护厚度、第2层拱架施工工艺及施作时机等系统关键技术研究匮乏。

3  大断面软岩双层初期支护施工的原理和特点

    对大断面软弱围岩埋深段，提出了“三台阶法”分部施作双层初期支护工艺，根据大断面隧道软弱围岩的特点，此类隧道的沉降及收敛变形主要发生在拱顶及拱腰部位，所以上台阶的2层初期支护分开施作。第1层上导洞初期支护施作完成，经沉降和收敛变形后，围岩应力得到释放，待中导洞2层初期支护施作完成后，根据沉降观测确定拱部第2层初期支护的施作时机（根据施工经验确定上导洞第1层初期支护沉降10cm），第2层初期支护上导洞距掌子面控制在10~15m;最后同时施作2层初期支护的下导洞且内层拱架落在外层拱架上并焊接牢固，仰拱采用外层钢支撑闭合成环。双层拱架在连接部位错开避免应力集中。通过2层初期支护共同受力，抵抗围岩作用力，确保施工质量与安全，提高运营安全系数。

    采取该方法一方面有效地避开了2层初期支护的薄弱点出现在同一部位，预防了大断面变形隧道中由于单层拱架薄弱部位经常出问题的现象。另一方面也有效地控制了初期支护沉降、侵限，避免了换拱，加快了施工进度，降低施工成本。

4  双层初期支护分部施工工艺流程及施工要点

4.2操作要点

4.2.1  上台阶开挖

    按照测量放样的轮廓线，采用铣挖机进行开挖，减少爆破对周边围岩的扰动，开挖时预留核心土，上台阶开挖高度控制在2m，核心位置开挖高度控制在0. 9m。

4.2.2上导洞第1层初期支护

    1)第1层钢拱架按照原设计开挖轮廓线加调整后的预留变形量加工，洞外分节制作，洞内拼装。

    2)上导洞台阶长度控制在3~5m。

4.2.3  中导洞

    1)中导洞紧跟上导洞进行施作，左右侧中导洞交错施工，避免出现安全隐患，中导洞开挖高度控制在4m。

    2)第2层初期支护钢拱架的加工半径按照现场沉降数据和预留变形量制作。第1层与第2层拱架同时施作。按照原设计支护参数支立第1层钢拱架，与上导洞钢拱架进行连接，并施作钢筋网、锚杆等；然后进行第2层拱架施工，采用螺纹钢筋进行连接固定，2层拱架的连接板位置错开60~100cm，防止2层拱架连接部位出现在同一断面。

    3)中导洞初期支护与掌子面距离控制在3~5m。

4.2.4上导洞第2层初期支护

    1)两侧中导洞施工完成后，根据第1层初期支护沉降数据确定是否施作上导洞第1层初期支护，施工时采用专用台车。

    2)根据沉降观测数据和预留变形量，对上导洞第2层拱架进行加工，洞外分节制作，洞内拼装。

4.2.5下导洞

    1)在满足中导洞施作空间的情况下及时跟进下导洞，下导洞与中导洞之间距离控制在20~ 25m，下导洞开挖高度控制在3. 59m。

    2)先施作第1层初期支护钢支撑、锚杆、网片。

    3)第2层钢拱架底部落在第1层钢拱架上面，并焊接牢固。

    4)第1层初期支护与第2层初期支护混凝土同时施工，喷射钢纤维早强混凝土。

4.3监控量测

    1)拱顶下沉测点应布置在同一断面上，测点布置时应避开钢架和脱空回填处，将测点布置在两榀钢架之间，埋设如图2所示。

    2)监控量测频率：初期支护第1层为1~5d，2次/d，根据沉降数据判断是否施作第2层初期支护（一般沉降累计值达10~15cm时施作第2层初期支护）。第2层初期支护施作完成后，及时按照要求（5m -个断面）埋设沉降观测点，一直观测至开始施作二衬（沉降速率达到0.8~ 1cm/d），

1次/d，10d以后1次/2d。

    3)双层初期支护施作前后沉降数据对比如图3所示。

5效益分析

    采用双层初期支护分部施工技术可以有效控制大断面软岩隧道的围岩大变形和大的沉降，就金盆湾隧道而言，对比前期采取单层初期支护导致支护大变形后采取换拱措施而言，其经济效益增加明显。换拱每延米需投入费用60 602.9元，而双层初期支护分部施工的费用为每延米22 302元，另外换拱还严重制约了施工进度，增加了安全风险；采用双层初期支护对比单层初期施工虽然增加了费用，但可以有效控制隧道大范围沉降及大断面软岩隧道围岩和初期支护大变形的发生，提高施工安全系数。

    采取该施工方法有效地预防了隧道大断面软岩，避免换拱，避免了施工资源的浪费。

6  结语

    隧道在设计阶段对于此类软岩的断面沉降和变形认识不足，对设计的单层初期支护是否能满足承载此类围岩初期变形的受力验算出现偏差导致了前期采取的常规隧道施工方法和单层初期支护不能满足施工要求，隧道在初期支护施工后二衬施工前初期支护及围岩的整体收敛和下沉较大，导致了施工进度异常缓慢，多次因为初期支护侵限不得不进行换拱施工，其施工安全风险巨大，但随着后续双层初期支护分部施工技术的开展，有效地控制围岩和初期支护的沉降和收敛，在确保施工质量和安全的同时也加快了施工进度，节约了工期并降低

了施工成本，取得显著的社会效益。

    对大断面软弱围岩隧道提出了“三台阶法”分部施作双层初期支护工艺，有效预防了由于初期支护大幅下沉和收敛造成的初期支护断面侵限，为施工工期的节约、施工质量和安全的有效可控提供了坚实的保障，也为今后类似地质和地形条件下的隧道施工提供了宝贵的借鉴经验。