天恒山隧道施工方案比選及優(yōu)化

1、天恒山隧道施工方案比選及優(yōu)化摘要:天恒山隧道為我國(guó)第一座嚴(yán)寒地區(qū)淺埋大跨土質(zhì)隧道，其施 工難度大、危險(xiǎn)性高。在施工過(guò)程中遵循“土變我變、確保安全、優(yōu) 質(zhì)完成”的原則,不斷對(duì)隧道施工方案進(jìn)行比選優(yōu)化，本文對(duì)施工過(guò)程 中采用的微臺(tái)階法、三臺(tái)階七步開挖法和CRD法施工方案的選擇和 優(yōu)化進(jìn)行介紹。關(guān)鍵詞:土質(zhì)隧道 施工方案 優(yōu)化我國(guó)修建軟弱地層隧道時(shí)，多采用小斷面分部開挖法。一般III級(jí) 圍巖和地下水不發(fā)育、無(wú)高地應(yīng)力變形的深埋W級(jí)圍巖采用臺(tái)階法; 淺埋W級(jí)圍巖或有大變形特征的W級(jí)圍巖中采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法 或CD法;地下水發(fā)育和地表受建筑物影響的淺埋W級(jí)圍巖采用CRD 法。V級(jí)圍巖主要采用CD法、C

2、RD法和眼鏡法。CD法、CRD法、 眼鏡法等工法采用上下分層和豎向分塊，有利于保證掌子面和頂、幫 的穩(wěn)定性;但開挖過(guò)程中如果分部過(guò)多，分部施工將反復(fù)引起圍巖進(jìn)行 應(yīng)力重分布，對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定造成不利影響。而且這類工法工序復(fù)雜、施 工速度較慢、造價(jià)也更高。論文以在建天恒山隧道為工程背景，對(duì)淺 埋土質(zhì)隧道施工方案進(jìn)行了比較和優(yōu)選，確定了天恒山隧道施工方 案。1工程概況1.1工程概況天恒山隧道位于哈爾濱市道外區(qū)民主鄉(xiāng)地界，是哈爾濱繞城公路 東北段項(xiàng)目的重難點(diǎn)工程。哈爾濱繞城公路東北段的建設(shè)，使環(huán)路貫 通，“一環(huán)五射”發(fā)揮整體功能。對(duì)省會(huì)哈爾濱及其周邊地區(qū)的社會(huì)、經(jīng) 濟(jì)發(fā)展創(chuàng)造了良好的交通運(yùn)輸環(huán)境。隧道為雙

3、洞分離式設(shè)計(jì)，單向雙 車道,單洞上行線長(zhǎng)1660m,下行線長(zhǎng)1690m。建筑限界為凈寬11.5m, 凈高5m,考慮本地區(qū)的特點(diǎn)，隧道凈空斷面為三心圓曲墻斷面（隧道凈 面積A=76.782m2）。隧道設(shè)計(jì)人行橫通道4處，車行橫通道1處，上行 線和下行線各設(shè)置一處緊急停車帶。隧道設(shè)計(jì)行車速度80km/h,路面 采用單面橫坡，坡度2%,上行線和下行線縱坡為雙向人字坡，坡度均為 1.775% 和-0.900%。1.2隧道工程地質(zhì)隧道工作區(qū)位于松嫩中斷陷帶東南隆起區(qū)內(nèi)，地層分區(qū)為松嫩平 原分區(qū),地層分布主要有白堊系（K）及第四系（Q）,本區(qū)缺失第三系地 層。根據(jù)天恒山隧道設(shè)計(jì)鉆孔揭露及室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果，

4、隧道處巖土 主要為亞粘性土,局部見砂層,地基承載力綜合評(píng)價(jià)表顯示,5-1、5-2、 7-1和8-2地層為軟可塑狀態(tài)的軟弱夾層，對(duì)隧道施工極為不利。1.3氣候、水文地質(zhì)特性本區(qū)位于北寒帶氣候區(qū)，冬季長(zhǎng)達(dá)五個(gè)月之久,春秋季節(jié)較短,年 平均氣溫為5.7C,極端最高氣溫39.1C,極端最低氣溫-41.4C;年平均 降雨量為523.3mm,降雨期集中在68月份;年平均蒸發(fā)量1507.7mm;最大凍深2.05m，地面穩(wěn)定凍結(jié)日期為11月下旬，穩(wěn)定解凍日期為翌年 4月中旬。隧道所處范圍地下水主要為局部上層滯水，賦存于軟可塑及軟塑 壓粘土層中，鉆孔后出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，經(jīng)測(cè)量計(jì)算24小時(shí)滲水量為 12.2L/m2，

5、受大氣降水補(bǔ)給，受季節(jié)影響，水量變化大。1.4襯砌結(jié)構(gòu)隧道采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)以超前小導(dǎo)管或錨桿、鋼拱 架、鋼筋網(wǎng)及噴射混凝土組成聯(lián)合支護(hù)體系,二次襯砌為模筑混凝土 結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)與二次襯砌之間設(shè)防排水，保溫層設(shè)置于二次襯砌之 外。2天恒山隧道施工方案比選當(dāng)前土質(zhì)隧道的施工方法很不成熟,土質(zhì)隧道建設(shè)中可供借鑒的 資料、經(jīng)驗(yàn)有限。在施工過(guò)程中遵循“土變我變、確保安全、優(yōu)質(zhì)完 成”的原則，項(xiàng)目部多次組織相關(guān)人員參觀學(xué)習(xí)并邀請(qǐng)專家對(duì)隧道施 工方案進(jìn)行多次論證。根據(jù)工程地質(zhì)特征采用了微臺(tái)階法、三臺(tái)階七 步開挖法和CRD法等施工方案。2.1微臺(tái)階法微臺(tái)階法是在超前支護(hù)完成后，首先進(jìn)行上部弧形導(dǎo)坑

6、開挖并施 作拱部初期支護(hù)，再左右錯(cuò)位開挖下臺(tái)階并及時(shí)施作邊墻初期支護(hù);適 時(shí)挖除上下臺(tái)階核心土，然后緊跟仰拱開挖和初期支護(hù)封閉成環(huán)。上 下臺(tái)階每循環(huán)進(jìn)尺為一棉拱架間距，仰拱每次開挖支護(hù)2棉拱架長(zhǎng)度; 上臺(tái)階長(zhǎng)度3m5m,掌子面距仰拱初支距離控制在12m以內(nèi)，掌子面 與仰拱鋼筋混凝土及仰拱回填的距離控制在15m以內(nèi)。采用微臺(tái)階 法施工，同一斷面上臺(tái)階開挖到仰拱初支封閉，施作時(shí)間可以控制在10 天之內(nèi)，到仰拱砼澆筑，施作時(shí)間可以控制在12天之內(nèi)。微臺(tái)階法施工 見圖1所示,其優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件如下。由于初期支護(hù)封閉的時(shí)間短，有利于控制圍巖變形，缺點(diǎn)是上 下斷面相距較近(下臺(tái)階與仰拱初支距離在6m7m)

7、，機(jī)械設(shè)備集中, 作業(yè)時(shí)相互干擾較大(開挖時(shí)仰拱鋼筋混凝土施工無(wú)法進(jìn)行)，生產(chǎn)效 率較低，施工速度較慢。(2 )隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面的標(biāo)準(zhǔn)段，在土體含水量較大、地基承載力較低, 開挖后圍巖變形較大、自穩(wěn)能力差，易塌方，需要初期支護(hù)盡快封閉成 環(huán)，仰拱及填充緊跟段采用微臺(tái)階法施工。2.2三臺(tái)階七步開挖法三臺(tái)階七步開挖法為在隧道開挖過(guò)程中，在三個(gè)臺(tái)階上分七個(gè)工 作面，以前后七個(gè)不同位置相互錯(cuò)開開挖，然后分部及時(shí)支護(hù)，形成支 護(hù)整體。三臺(tái)階七步開挖施工工序示意圖見圖2所示。每臺(tái)階長(zhǎng)度控 制在3m5m，仰拱初支封閉到掌子面間距離控制在1.5倍洞徑之內(nèi), 仰拱砼到掌子面間的距離嚴(yán)格控制在2倍洞徑之內(nèi)。三臺(tái)階七步

8、開挖 法優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件。能迅速及時(shí)地建造拱部初期支護(hù)，開挖面穩(wěn)定性較好,核心土 和下部開挖是在拱部初期支護(hù)保護(hù)下進(jìn)行的,施工安全性好，多作業(yè)面 平行作業(yè),工效高，循環(huán)時(shí)間短，作業(yè)空間較微臺(tái)階法大，很大程度上加 快了施工進(jìn)度，單口月成洞45m50m。但由于多次開挖對(duì)土體擾動(dòng)次 數(shù)增加，拱頂沉降量較微臺(tái)階法施工大，累計(jì)最大可超過(guò)5cm,當(dāng)前方出 現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)，不利于及時(shí)封閉成環(huán)。隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面的標(biāo)準(zhǔn)段，土體為硬可塑狀態(tài),具有比較好粘結(jié) 性，含水量較小，地基承載力較大，成拱能力強(qiáng)區(qū)段采用三臺(tái)階七步開 挖法。2.3 CRD法施工同濟(jì)大學(xué)路基與土工技術(shù)研究所對(duì)天恒山隧道土樣分析和室內(nèi) 模型試驗(yàn)表明:軟塑夾層

9、對(duì)隧道開挖的變形和穩(wěn)定性影響較大，其所處 的位置不同對(duì)隧道的變形影響也不同;拱頂有軟塑夾層時(shí)，土體無(wú)成拱 能力；拱腰處有軟塑夾層時(shí)，上覆土的成拱高度受到影響；在標(biāo)準(zhǔn)斷面 存在軟弱夾層地段，采用臺(tái)階法施工，盡管初支拱腳采取了加固措施， 但仍發(fā)生了下沉,核心土發(fā)生整體破壞，沒(méi)有自穩(wěn)能力,對(duì)穩(wěn)定掌子面 不起作用,洞頂最大沉降18cm,水平最大位移3.6cm;在跨度16.83m,高 12.06m的緊急停車帶加寬段和車行橫通道口擴(kuò)大斷面段，采用臺(tái)階法 施工,有支護(hù)情況下，拱頂最大沉降約為30cm,在支護(hù)全斷面封閉后，隧 頂?shù)淖畲蟪两等匀怀^(guò)15cm;當(dāng)采用CD法施工有軟塑夾層、大跨度 段時(shí)拱腳的切入變形

10、較大，掌子面的穩(wěn)定性較臺(tái)階法施工好，隧道施工 過(guò)程中豎向變形較小，但拱眉處變形仍然較大。CRD法是將大斷面隧道分部分塊開挖,分部封閉成環(huán)，先開挖隧 道一側(cè)的上部并施作封閉的初期支護(hù)和臨時(shí)支撐，再開挖隧道另一側(cè) 的上部且施作封閉的初期支護(hù)和臨時(shí)支撐，最后進(jìn)行隧道下部的開挖 支護(hù),最終形成隧道初期支護(hù)和臨時(shí)支撐網(wǎng)狀封閉穩(wěn)定支護(hù)形式的隧 道開挖施工方法。CRD法優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件如下。CRD法將斷面分為四塊開挖支護(hù)，每步開挖的寬度較小，而且 開挖后各個(gè)局部封閉成環(huán)時(shí)間短，每個(gè)步序受力體系完整，封閉性的初 期支護(hù)承載能力大，可以很好控制早期沉降變形。但施工工序復(fù)雜，隔 墻拆除困難,速度慢，成本高。適用于

11、跨度大，地表沉降要求嚴(yán)格，圍巖條件特別差地段。因此, 為了保證施工安全，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)斷面有軟弱夾層段和隧道加寬段采用CRD 法施工。2.4施工方案的比較表2列出了三種施工方法的對(duì)比，通過(guò)上表的比較可以得出:在淺 埋、大跨的土質(zhì)隧道中，僅從控制土層位移的角度考慮,上述施工方法 擇優(yōu)的順序?yàn)镃RD法、微臺(tái)階法、三臺(tái)階七步開挖法而從進(jìn)度和經(jīng) 濟(jì)角度考慮，由于各方法的工序和臨時(shí)支護(hù)不同，其順序恰恰相反。3 土質(zhì)隧道施工注意問(wèn)題及對(duì)策3.1 土體地基承載力低，拱腳容易失穩(wěn)天恒山隧道穿越粘土地層的地基承載力為110kPa270kPa,尤其 當(dāng)初期支護(hù)的基座落在軟弱夾層上時(shí)，在上部土體垂直荷載和支護(hù)自 重的作用下

12、，初期支護(hù)的沉降量很大，外力很容易超過(guò)地基承載力的極 限，拱腳失穩(wěn)，導(dǎo)致拱頂坍塌,因此在進(jìn)行隧道開挖支護(hù)時(shí)，必須采取有 效措施，防止拱腳下沉，拱部坍塌。其預(yù)防措施如下。嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺,在開挖時(shí)盡量減小開挖對(duì)土體的擾動(dòng)，一 般沿開挖輪廓線預(yù)留30cm50cm 土體采用人工開挖,同時(shí)拱腳預(yù)留 30cm，人工開挖后進(jìn)行枕木或槽鋼等支墊。預(yù)留核心土，保證核心土的尺寸,防止掌子面的滑塌。嚴(yán)格拱架間距，加強(qiáng)拱架縱向連接鋼筋的焊接質(zhì)量。擴(kuò)大拱腳，在拱腳設(shè)置斜向外側(cè)的鎖腳錨桿(管)，以增強(qiáng)初期支 護(hù)的穩(wěn)定性。在上斷面噴射混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度70%以上且完成鎖腳錨管后再進(jìn)行下斷面的開挖。開挖時(shí)盡量單側(cè)落底或雙側(cè)

13、交錯(cuò)落底，錯(cuò)開距離控制在2m 3m。作好各工序的安排,使初期支護(hù)盡快封閉成環(huán)。加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè),觀測(cè)信息及時(shí)反饋。盡早施做仰拱鋼筋混凝土和仰拱回填;及早安排二次襯砌施工, 控制掌子面與襯砌距離小于60m。3.2含水量對(duì)土體的影響研究表明，粘性土的抗剪強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、受力歷史、空隙水壓 力和土密度等因素有關(guān)，含水量越大，土粒間粘結(jié)力越小，即土的結(jié)構(gòu) 強(qiáng)度低，粘聚力就小，土體的抗剪強(qiáng)度就低。例如5-1地層為軟可塑狀 態(tài)的中等壓縮性土，含水量平均值25.40 % ,天然密度平均值 19.40kN/m3,壓縮模量平均值5.97MPa,內(nèi)聚力平均值30.66kPa,5-2地 層為軟塑狀態(tài)中等壓縮性亞粘土，含

14、水量平均值26.70%,天然密度平 均值19.50kN/m3,壓縮模量平均值5.19MPa,內(nèi)聚力平均值21.00kPa, 從上述兩種土體各項(xiàng)參數(shù)的比較可以看出含水量對(duì)土體內(nèi)聚力的影 響最為明顯。同時(shí)隧道在開挖部分成型后，需要和外界的空氣接觸，致使其內(nèi)部水分散失，土顆粒間的粘接力急劇下降，及至達(dá)到零點(diǎn),造成土體剝落, 引發(fā)超挖甚至塌方。預(yù)防措施:(1)所有工序施工過(guò)程中一定要嚴(yán)格控制施工用水，杜 絕水浸泡洞身;(2)加強(qiáng)隧道排水，發(fā)現(xiàn)地下水及時(shí)設(shè)置環(huán)向、縱向盲溝 或泄水軟管，形成排水通道將地下水引出；(3)開挖后及時(shí)噴射混凝土 對(duì)開挖面進(jìn)行封閉；(4)及早施作仰拱可以盡早封閉基底，可以防止地

15、下水和施工用水浸入基底;(5)在有地下水段加強(qiáng)支護(hù);當(dāng)土性變化 時(shí)，及時(shí)進(jìn)行土工試驗(yàn)，核對(duì)土層的含水量。4結(jié)語(yǔ)通過(guò)天恒山隧道的施工，有以下幾點(diǎn)體會(huì)。針對(duì)淺埋、大跨和土質(zhì)隧道的特點(diǎn)，首先必須詳細(xì)掌握地質(zhì)資 料和地質(zhì)變化情況，觀察開挖面，核對(duì)土層含水量，綜合考慮，合理選擇 施工方法。施工全過(guò)程應(yīng)不斷進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，對(duì)于不利斷面及時(shí)采取 補(bǔ)救措施。施工應(yīng)遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤 量測(cè)”的施工原則，盡量縮短各工序間的距離，初期支護(hù)盡快封閉成環(huán), 仰拱和襯砌及時(shí)跟進(jìn)，使土質(zhì)隧道及時(shí)形成穩(wěn)定的支護(hù)體系。充分認(rèn)識(shí)水對(duì)土質(zhì)隧道施工的危害性。選擇用水量較小的施 工機(jī)械，施工用水和隧道滲水要

16、及時(shí)排除，嚴(yán)禁淤積在拱腳和墻腳。挖掘機(jī)開挖時(shí)沿開挖輪廓線預(yù)留部分土體采用人工開挖，應(yīng)以 減少對(duì)土體的擾動(dòng)，防止挖掘機(jī)對(duì)初期支護(hù)的破壞，同時(shí)開挖輪廓線要 圓順，以減少應(yīng)力集中現(xiàn)象。拱腳鎖腳錨管和拱腳的臨時(shí)支墊尤為重 要，鎖腳錨管一定要按設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格作業(yè),拱腳支墊必須保證足夠的面 積、強(qiáng)度。確保拱架加工和支立質(zhì)量，注意螺栓連接質(zhì)量和連接鋼筋 焊接質(zhì)量。機(jī)械設(shè)備的配套及性能，是決定選用施工方案的重要制約因素, 土質(zhì)隧道施工工序多，交叉作業(yè)，復(fù)雜多變，必須確保機(jī)械設(shè)備的完好 率，才能保證施工順利進(jìn)行。參考文獻(xiàn)鐵道部工程管理中心.鐵路隧道施工作業(yè)要點(diǎn)手冊(cè)M.北京: 鐵道出版社,2007.同濟(jì)大學(xué)路基與土工技術(shù)研究所.天恒山隧道施工方案模型 試驗(yàn)研究(初步報(bào)告)R.2007,6.黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院.國(guó)道主干線哈爾濱繞城公路東北段(秦家至