大断面隧道台阶法预留核心土环形开挖快速施工研究
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摘要：基于永宁高速公路某大跨公路隧道的特殊地质条件与工期紧张的特殊情况，为了确保隧道安全与满足工期需要，在对各种工法优选基础上，应用预留核心土环形开挖，结合上、下台阶法的工艺，应用有效的监测手段，采用信息化施工，在确保工程安全的前提下，大大加快了该隧道施工进度，确保了工期目标。对今后类似隧道的建设具有重要的参考意义。
1引言
近年来，我国交通建设快速发展，为了更好的实现我国交通运输高速化、网络化，目前建设重点逐步由平原区转向山地丘陵区。在山区修建高等级公路，由于复杂多变的地质环境条件，如何因地制宜，在确保安全、质量的前提下加快隧道施工进度，在轨道交通建设中越来越受到重视[1-2]。
永宁（永安至宁化）高速公路是国家高速公路网泉州至南宁横线的组成部分。石林隧道为分离式隧道，长约2860m，隧道地质从上至下依次为坡积粉质粘土、残积粘性土、砂土状强风化千枚状粉砂岩、碎块状强风化千枚状泥岩等软弱地层。且本文研究地段隧道覆盖层厚度较小，地层斜倾较严重，水文地质条件复杂。隧道部分地段为Ⅴ级围岩，均处于碎块状强风化千枚状泥岩之中，局部有破碎带，原设计方案采用中隔壁法施工，考虑到该工程工期特别紧张，且中隔壁法具有施工工序繁琐，进度慢、建设成本高等情况，若Ⅴ级围岩施工全部按设计采用中隔壁法施工无法满足工期的要求，基于工程类比结合隧道实际情况，研究并应用一种能确保隧道工程安全与质量，并能加快施工进度满足工期需要的科学合理的施工方案成为工程建设的重点。工程在建设过程中，基于对中隔壁法、上下台阶法、环形开挖预留核心土结合上下台阶等三种施工工艺的分析比选，并进行了现场试验研究后，优选采用了环形开挖预留核心土结合上下台阶法。
2 施工工艺优选
2.1 稳定机理分析
在大跨不良地质条件下采用预留环形核心土开挖工艺，并合理设置台阶长度，对于改善隧道工作面的稳定性，方便各种施工机械的配置，施工期间各工序之间干扰较小，工作面多，可加快施工速度并控制围岩的沉降有显著效果。其本质在于预留核心土对前方的掌子面的土体起到了支撑三向受力作用，更容易预防前方土体的松动，以确保稳定。
2.2 安全性比较
（1）中隔壁法
由于中隔壁法将大断面分成6个小断面进行开挖，并且在开挖后立即进行了支护，增设了中隔壁等临时支撑，减小了对围岩的扰动。在安全性方面，它完全展现了此工法在处理V级等软弱地层的优越性。施工期间，围岩比较稳定，初支面无裂缝、坍塌等现象，施工安全。监测数据变化较为平稳，监测数据时程曲线见图1。
图1中隔壁法施工监测数据时程曲线
（2）上下台阶法
上下台阶法在开挖过程当中掌子面出现过小范围的坍塌，主要为在掌子面开挖后应力释放，临空面增大后围岩失稳造成，施工安全无保障。监测数据较中隔壁法明显增大，但数据在可控范围之内。监测数据时程曲线见图2。
图2台阶法施工监测数据时程曲线
（3）上下台阶预留核心土法
上下台阶预留核心土环形开挖施工的监测数据同台阶法施工时较类似，但核心土的设置有效的平衡了掌子面土压力，削弱了应力释放，缩小了临空面的范围，施工期间掌子面围岩稳定，未出现坍塌等异常情况，施工安全较为稳靠。
2.3 方案优选
该隧道工程地质情况复杂，断层带发育明显。若采用台阶法组织施工，虽然兼有工程造价相对低廉和施工进度快的优点，但在施工期间因掌子面出现过不同程度的坍塌情况，施工安全性无法得到保障，因此缺陷可能造成工程造价与工期的不可确定性。因此该方案不可行。
方案比选中中隔壁法安全性能虽然最好，但该方案的工程造价同比其它两种工法大大增加，而且该工法存在施工工序繁琐，工序之间干扰较多，施工进度缓慢等特点，无法满足工期需求，因此该方案不可取。
在对台阶法进行改良后的预留核心土法很好的综合了台阶法的优点，该工艺不仅造价相对低廉，且施工进度较中隔壁法成倍提高，能满足隧道工程工期的需要。而且在施工安全方面较稳靠，整个施工期间未出现过异常情况。综上所述，预留核心土法是优选方案
在施工过程中，我们对三种工法进行实时监控，监测布点如下：
图3. 沉降监测点布置示意图
通过沉降监测分析，可得得到：
（1）开挖后上断面开挖支护后，围岩水平方向的最大位移出现在拱脚上方，最大值约5.5mm，垂直方向的位移在拱顶在底边比较明显，拱顶沉降最大值约13mm，底部向上隆起约5mm。
（2）下断面开挖支护后，上断面围岩在水平方向的位移基本无多大变化，下断面在距洞壁3m范围内的围岩部门，其水平方向的位移明显增加，达4mm；拱顶沉降较少。下断面的开挖对拱顶位移影响不大的原因与上断面开挖后，拱部应力已经释放，变形趋于稳定有很大关系。
整个施工过程监测数据同上下台阶法相似，主要体现为上断面开挖后，及时施作初支，拱部应力释放量相对较少，有效控制了围岩的变形。
2.4 安全分析与评价
施工当中，中隔壁法初支面上没有发现裂缝等异常情况，掌子面围岩稳定，施工安全；而上下台阶法在开挖过程当中掌子面出现过小范围的坍塌，主要为在掌子面开挖后应力释放，临空面增大后围岩失稳造成，但监测数据尚为可控，只是在施工安全方面无法保障；上下台阶预留核心土环形开挖施工的监测数据是合理的，且核心土的设置有效的平衡了掌子面土压力，削弱了应力释放，减小临空面的范围，在整个施工过程中未出现异常。
3结论
通过对各种工法的比较、隧道监测数据分析与信息化反馈，实现了信息化动态施工，满足了工程的特定需要。通过该专项研究可以得出如下几点认识：
（1）环形开挖预留核心土结合上下台阶法在复杂地质条件下的石林隧道施工中是可行。
（2）通过预留核心土，及时施作初支，改善隧道工作面的稳定性，有效控制了围岩的变形，确保了工程安全施工。
（3）采取该工艺，安全性方面有保障，在确保工程安全、质量可靠、经济合理的前提下，该成果加快隧道了的施工进度，为全线控制工程按时完成，全线如期顺利通车提供了保障。
参考文献
[1]王梦恕，地下工程浅埋暗挖技术通论[M]，安徽教育出版社2005
[2]刘招伟，浅埋大跨隧道施工中变形的监测与控制措施[J]，岩土工程学报，2003.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。