大断面隧道施工技术的应用策略

大断面隧道施工技术的应用策略

刘需

中交三公局第二工程有限公司

摘要：针对大断面隧道实际情况，对其开挖和支护施工技术应用进行深入分析，旨在为类似隧道工程建设提供技术参考，保证隧道施工质量与安全。

关键词：大断面隧道；隧道开挖；隧道支护

如今，大断面隧道占比越来越大，而且还经常面临到软弱围岩的情况，这无疑对施工技术提出了更高要求，需要以工程实际情况为依据，制定并采取合理可行的施工技术。

1方案比选

隧道进洞处顶部覆盖厚度在30m以内的段落总长在350m左右，围岩属于粉质黏土，土体相对密实，在揭露一段时间后，掌子面土体保持稳定，但土体的实际含水量相对较大，使孔隙水的渗透速度很快；在路线的延伸方向上，出露的岩性以凝灰质砂岩和花岗岩为主，整个进口段中，IV级和V级围岩约占45%，对于区域地下水，若按照储藏条件与动力特性进行分类，可以分成两种类型，即基岩裂隙水与松散层孔隙水。从以上基本情况可以看出，该隧道进口段地质条件相对较差，且开挖断面较大，导致大型设备很难开展施工，进而对施工进度造成很大的影响^[1]。

隧道结构保持稳定实际上围岩和支护两部分共同发挥作用决定的，其中，围岩的作用在于承载外部荷载，使其充分发挥出应有的承载能力，对提高隧道的安全性是十分重要的。基于此，在大断面隧道施工中，除了要采用刚性支护措施进行变形控制，还要对施工方法及支护措施进行适当的优化，以此使隧道发生的变形处在允许范围之内。在选择具体的施工方案时，首先要做好理论分析，然后根据理论分析结果，根据围岩地质和现有设备，通过现场试验及其结果的对比分析，确定最佳的方案。

该大断面隧道主要制定了以下三套施工方案，对各方案的优劣势分析和对比如下：

方案一：三台阶七步开挖，该方案的优点包括：如果围岩地质产生变化，则能及时且灵活对施工工序进行转变；初支操作难度较低；结构安全、稳定。该方案的缺点包括：台阶的长度相对较大，容易使安全步距超出允许范围；对围岩可能造成较大的扰动；实际的施工进度较为缓慢；机械化水平较低。

方案二：两台阶开挖，该方案的优点包括：施工速度明显快于三台阶开挖法；可提供足够大小的工作面，这对机械化施工十分有利。该方案的缺点包括：对初支的闭合成环速度较慢；容易使安全步距超出允许范围；在软弱围岩条件下进行施工，危险性相对较大。

方案三：大断面开挖，该方案的优点包括：作业空间相对较大，机械化施工方便；实际的施工进度很快，并能有效保证施工安全；对安全步距的控制较为容易；能及时对初支进行闭合成环。该方案的缺点为对沉降的控制有很大难度。

在隧道进洞施工中，先采用方案一进行施工，实际进度十分缓慢，根本无法开展全机械化施工，并通过对掌子面的实际分析发现，卵石含量明显增多，含水量实测结果为15%，在较短时间内，土体可以保持稳定，密实性良好，无层状分布。通过对地质情况的了解，对于大断面隧道施工，其工艺可行性主要有以下四个关键指标：其一，初支参数；其二，超前预支护技术参数；其三，喷射混凝土强度和；其四，开挖模块。根据以上指标进行技术改善，能良好满足大断面隧道开挖施工要求，并为机械化施工奠定良好基础，提供可靠的理论依据。

对于进口段的V级围岩段，其岩性特征包括：土层的密实度相对较高，在开挖施工完成后，无论是围岩的风化速度，还是遇水后发生崩解的速度，都加快，这对长期稳定性的保持是极为不利的；若采用方案三进行施工，需在保证初支参数合格的基础上，加强超前预支护，提高初喷混凝土强度，以此实现对拱架沉降的有效控制。根据相关计算结果，对于超前预支护，其长度应达到6m以上，也可采用钢管设置管棚来有效支护，以此提高开挖完成后围岩自身稳定能力；对于早期喷射的混凝土，若能提高其强度，则能提高整个初支体系抵抗围岩发生变形的能力。经相关试验可知，若能将初喷混凝土的强度提高到18MPa以上，则可以形成稳定可靠的初支体系，使结构整体受力，保证结构的稳定性；在此基础上，可通过加强锁脚支护来控制拱架的沉降，并及时对仰拱进行开挖，尽可能早的实现闭合成环^[2]。

2施工技术

对于大断面隧道，其开挖支护关键在于保证开挖万成后围岩的稳定性、紧固性，并对拱架的沉降进行严格控制，尽快封闭成环，确保初支体系能与围岩形成一个完整的整体，有效抵抗围岩变形。根据以上四个关键指标，在施工前应先明确相应的施工流程和技术参数。

2.1开挖顺序

在大断面开挖施工前，应将整个断面分成上下两部分，其中，上面的部分进行核心土预留，将其开挖的榀数控制在2榀/每循环之内，包括2榀。

2.2设备的配置与组合

开挖设备以铣挖机与挖掘机为主，采用两种机械设备相互配合完成开挖。具体的操作方法为：先用铣挖机沿着隧道断面的开挖轮廓线对隧道周边轮廓进行铣挖，在保证开挖效率和准确性的基础上，严格控制超挖与欠挖，然后开始对掌子面实施开挖，再开挖之前预留好的核心土处。在开挖和出渣均完成以后，立即进行混凝土喷射，喷射的厚度按照3-5cm的范围严格控制，通过混凝土喷射，能缩短围岩直接暴露的时间，最后按照设计要求做好初支。

2.3钢架支护

对于型钢支护体系，共包含五个单元，每节钢架之间都采用高强螺栓相连，并与连接板密贴。为了使每一节钢架都能在全环闭合之前处在稳定的地基表面，在安装之前应先将拱架底部存在的杂物清理干净，同时垫设高度为10cm，横截面积为900cm²的预制垫块。在两侧拱腰与拱脚的位置应分别设置四根长度为3.5m的注浆毛管，按照30°-45°的角度将其打入到基岩当中，以此起到斜向受力的作用，之后通过压入浆液使钢混凝土形成一个完整的整体，实现对钢架的锁定，对沉降与拱脚产生的收敛予以严格控制^[3]。

2.4混凝土喷射

将钢拱架、钢筋网与连接钢筋都安装好以后，及时进行混凝土的喷射，确保钢架和喷射完成后的混凝土能够共同受力，充分发挥出联合支护效用。

2.5仰拱初支闭合

开挖到与掌子面相距不足20m的范围内时，应及时对仰拱进行开挖，并架设好钢拱架，以此以最快的速度实现全环闭合。

3技术应用效果

对于以上开挖和支护方法，完全贯彻了新奥法基本理念，加之机械化设备大量投入，能从本质上保证工程质量与安全，得到以下效果：

（1）可提供很大的操作空间，这对初支施工与湿喷施工都十分有利，能保证喷射后表面平整度，并能有效减少回弹，充分发挥混凝土喷射支护效果。

（2）可大幅提高施工效率，降低施工难度，每月的进度都低于70m。

（3）减少对围岩造成的扰动，并缩短围岩表面暴露时间，使围岩保持稳定。

（4）减少工序，初支可及时封闭承欢，与掌子面紧跟，防止土体应力集中导致围岩变形。

（5）由于能实现大环向成拱，所以能减少对连接模块的使用，保证钢结构自身结构整体性与刚度，而且这样还能减少用于连接模块配置的成本，从而提高隧道工程的经济效益。

4结语

目前，该大断面隧道开挖施工已经顺利完成，不仅施工过程顺利，没有安全问题发生，而且施工完成后经检查确认各项技术指标满足要求，说明以上施工技术合理可行，值得类似隧道工程参考借鉴。

参考文献：

[1]刘晶晶,史聪灵,石杰红,李东阳.横通道转大断面隧道施工对临近桥桩的影响[J].地下空间与工程学报,2020,16(S2):827-834.

[2]黄河,付庭茂,郑烨晨,谢海旺.高速铁路大断面隧道三台阶快速施工工法研究[J].科学技术创新,2020,11(30):152-153.

[3]叶靖宇,刘浩龙,刘雄.浅埋偏压软岩段大断面连拱隧道施工技术研究[J].中外公路,2020,40(05):226-230.