对软弱围岩隧道施工方法及施工工艺措施的探讨

第３６卷，第４期　２　０　１　１年８月　公　路　工　程　Ｈｉｇｈｗａｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖｏ１．３６，Ｎｏ．４　Ａｕｇ．，２０　１　１　对软弱围岩隧道施工方法及施工工艺措施的探讨　陈鉴光　，张运良　，曹（１．湖南省吉怀高速公路，湖南怀化伟　４１００７５）　４１８０００；２．中南大学土木建筑学院，湖南长沙【摘要］根据当前软弱围岩中公路隧道常用施工方法，采用数值计算并综合考虑各种因素，对软弱围岩隧道　的开挖方式进行研究，从而得出在软弱围岩中隧道施工合理的开挖方法，并提出了相应施工措施；结合实际工程，　通过监控量测，证明了其施工方法及工艺的合理性。　【关键词］软弱围岩；施工方法；施工措施；数值计算　［中图分类号］Ｕ　４５５．４　［文献标识码］Ａ　【文章编号】１６７４—０６１０（２０１１）０４—０１３９—０４　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ａｎｄ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｃｒａｆｔ　ｏｆ　Ｔｕｎｎｅｌｓ　ｉｎ　Ｗｅａｋ　Ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　Ｒｏｃｋｓ　ＣＨＥＮＧ　Ｊｉａｎｇｕａｎｇ　，ＺＨＡＮＧ　Ｙｕｎｌｉａｎｇ　，ＣＡＯ　Ｗｅｉ　（１．Ｊｉｈｕａｉ　Ｈｉｇｈｗａｙ　ｏｆ　Ｈｕｎａｎ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｈｕａｉｈｕａ，Ｈｕｎａｎ　４　１　８０００，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒ—　ｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｓｏｕｔｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ，Ｈｕｎａｎ　４　１　００７５，Ｃｈｉｎａ）　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｓｏｍｅ　ｃｈｉｅｆ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｔｕｎｎｅｌｓ　ｉｎ　ｗｅａｋ　ｒｏｃｋｓ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｕｓｅ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｉｄｅｒ　ａｌｌ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｅｘｃａｖａｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｈｅｎ　ｇｅｔ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｅｘｃａｖａｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｎ　ｔｕｎｎｅｌｓ　ｉｎ　ｗｅａｋ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋｓ　ａｎｄ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｔｏ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｍｅａｓｕｒｅ；Ｃｏｍｂｉｎｅ　ａｃｔｕａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｕｓｅ　ｔｈｅ　ｓｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎ　ｍｅａｓｕｒｅ－　ｍｅｎｔ　ｔｏ　ｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｃｒａｆｔ　ｉｓ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｗｈｅｎ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ　ｉｎ　ｔｕｎｎｅｌｓ　ｉｎ　ｗｅａｋ　ｓｕｒ－　ｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋｓ．　［Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］Ｗｅａｋ　ｒｏｃｋｓ；Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ；Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｍｅａｓｕｒｅｓ；Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　洞。　１　工程背景　梁家院子和南山寨隧道是吉首至怀化高速公路　典型的软弱围岩隧道（见图１）。其中梁家院子隧道　主要存在侏罗系上统地层粉砂质泥岩夹砂岩及砾岩　及二叠系下统地层灰岩夹白云岩及炭质灰岩，两套　侏罗系中统（Ｊ２）泥岩、泥质粉砂岩呈紫红色～　暗紫红色，其强风化层厚度大，岩体破碎，多呈土夹　碎石状。在与下伏二迭系上统（Ｐ２）灰岩接触面以　上存在一层厚度５—１５　ｍ的软弱层，一般呈硬塑土　状、局部呈可塑土状，并夹杂膨胀性高岭土。　以上工程地质条件极复杂，施工难度较大，为了　施工安全，必须寻求合理的施工方法及施工措施。　地层整体上呈角度不整合接触。由于受古岩溶及断　层的影响，岩面起伏较大，在２５４—２８９　ｍ标高为两　套地层交错存在，岩面附近溶沟发育，溶沟内充填软　塑状粘性土，无统一的交界面。隧道设计标高在２６０　～２计算模型的建立　目前国内软弱围岩隧道施工中主要采用的方法　有：台阶法、ＣＤ法、环形导坑留核心土法和双侧壁　导洞法；计算各种工况的围岩应力场、位移场、支护　２７４之间，位于两套地层结合部位，围岩含水率　南山寨隧道隧址区分布有盈口区域性断层　高，软弱程度大。　（Ｆ８９），为北东向构造，在隧址区，该断层使侏罗系　中统与石炭系中上统地层相顶。石炭系中上统（ｃ２　结构受力，从力学的角度研究适合于软弱围岩公路　隧道的合理施工方法。　＋ｃ３）灰岩发育以饱和状粘性土、孤石全充填的溶　现以Ｖ级围岩、埋深３０　ｍ的两车道公路隧道为　【收稿日期】２０１１—０３—０５　【作者简介】陈鉴光（１９６９一）。男，高级工程师，主要从事高速公路建设与管理工作。　ｌ４０　公路工程　３６卷　例，采用二维弹塑性有限元法对上台阶、ＣＤ、环形导　坑留核心土法和双侧壁导洞法进行仿真模拟计算。　采用ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ计算程序分析。围岩采用平面四　边形模拟，计算范围为：左、右计算边界各取２．５倍　的洞室开挖跨度，约３０　ｍ；下边界离洞室底部高度　为３５　ｍ；上边界至洞顶覆盖层表面。左右边界水平　向约束，下边界为竖向约束，上边界为自由边界。初　期支护的喷混凝土和钢支撑通过等效换算以梁单元　进行模拟，锚杆采用植入式桁架单元模拟，计算模型　见图１。围岩计算的屈服准则采用摩尔一库仑准　则。围岩、初期支护及锚杆的物理力学参数见表１。　表１数值计算各物理力学参数　图１计算模型　Ｆｉｇｕｒｅ　１　Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　Ｔａｂｌｅ　１　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋｓ　ｉｎ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　３计算工况　本次计算的工况选取四种比较常见的开挖方　式，上下台阶法、环形导坑留核心土法、ＣＤ法及双侧　壁导坑法，各施工方法主要步骤见表２。　表２开挖方法表　Ｔａｂｌｅ　２　Ｔａｂｌｅ　ｏｆ　ｅｘｃａｖａｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ　３．１各种工况计算结果分析　不同的施工方法，围岩和初期支护在施工过程　中及成洞后的状况也不相同，这里着重对围岩位移　变形、应力场以及初期支护成洞后的特征点应力进　轴力、弯矩和最大应力影响的比较。　表３　不同施工施工方法下隧道位移变形统计　Ｔａｂｌｅ　３　Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｓ　ｉｎ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｎ　ｔｕｎｎｅｌ　行分析比较。　３．２隧道周边位移对比分析　从表３可以看出，双侧壁小导坑施工法位移最　小，在软弱围岩中控制围岩变形有较好优势。　３．３衬砌最大轴力与最大弯矩对比分析　从表４可以看出，弧形开挖留核心土法施工的　不同的施工方法对成洞后初期支护的内力有较　大的影响，表４为上下台阶法、ＣＤ法、弧形开挖留核　心土法及双侧壁导坑法开挖对隧道初期支护特征点　隧道初期支护的应力无论是拱顶还是弯矩最大处都　较其他方法较小。ＧＤ法和双侧壁导坑法施工中弯　矩及轴力最大处在拱部结点处，此位置很容易产生　第４期　陈鉴光，等：对软弱围岩隧道施工方法及施工工艺措施的探讨　１４１　混凝土开裂现象。　３．４　围岩塑性区对比分析　３可以看出：各施工方案所产生的塑性区基本一致，　主要集中在拱腰及拱脚位置，双侧壁导坑法较其他　３种方法开挖对围岩的扰动小，产生的塑性区较小。　各种工况计算的围岩塑性区如图２所示：从图　ｆ　ｃ１台阶法　（ｄ）环形开挖留核心土法　图２　围岩塑性区分布图　Ｆｉｇｕｒｅ　２　Ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅ　ｏｆ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｍｏｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ　３．５施工方法选择　围岩隧道的工艺措施选择围绕“控制变形”来进行，　分析表３，表４及图３可以看出，对软弱围岩隧　控制好变形，隧道才能顺利掘进。如下是梁家院子　隧道施工中采取的一系列工艺措施及实际应用中取　得的效果。　道不同施工方法有如下结论：当从拱顶沉降控制来　考虑，建议采用双侧壁导坑法；从施工速度考虑，环　形导坑预留核心土开挖断面少，临时支撑拆除量最　少，可减低造价；当从施工速度和经济效益来考虑　时，建议采用环形导坑预留核心土。　①超前支护：常用的超前支护方式有超前小　导管和超前管棚。超前支护起到支护前方围岩的作　用，主要是通过注浆加固周边地层；对松散地段采用　双层小导管，扩大加固圈范围。　②强锁脚：在软弱地层隧道中，加强锁脚能够　有效减少基底弱化而引起的上台阶支护下沉和下台　阶开挖初期支护的悬空引起的下沉。每级台阶采用　８根３．５　ｍ长注浆小导管锁脚。　４施工工艺措施的制定　软弱围岩强度低、自稳能力差，隧道开挖后地应　力重新分布，使隧道周边产生较大的松动圈。一旦　工程措施（包括设计措施）和施工方法不当，将极易　发生初期支护变形侵限和隧道坍方等工程事故。因　此，软弱围岩隧道施工安全的核心是“控制变形、防　止坍方”。在确定合理的开挖方法的前提下，软弱　③增加垫块及槽钢：其作用类似于扩大基础，　并使工字钢不悬空，提高了拱脚的竖向承载力，同时　槽钢与工字钢焊接形成整体受力，达到控制围岩变　１４２　形的目的。　公路工程　３６卷　实例表明，在梁家院子隧道施工过程中，施工工　④临时仰拱（横撑）：对于变形非常大地段，及　时闭合极其重要，闭合成环后，提高了结构的承载能　力，从而有效地控制变形、避免坍方。　艺选择是合理的，及时的控制了变形的进一步发展，　保证了支护结构的安全稳定，确保隧道在软弱围岩　中的顺利掘进。　⑤上下台阶均衡推进：科学管理，提高工效，　做到上下台阶均衡推进，使初期支护在１５　ｄ内封闭　６结束语　对于软弱围岩公路隧道施工，合理的开挖方法　及施工工艺是降低工程支护成本、确保隧道结构施　成环，并及时施做仰拱，从而有效地控制了支护结构　过度变形。　５施工工艺措施效果分析　工及运营安全的重要保证，本文主要有以下结论：　①在软弱围岩隧道施工中，应尽可能地保护围　通过监控量测结果可以反应各施工措施的效　岩的承载能力，防止围岩过度松弛，重视施工力学的　果；本文以梁家院子隧道Ｙｋ９９＋０２１断面拱顶下沉　分析，ＣＤ法或双侧壁导坑法施工对控制隧道变形及　时间变化曲线图（见图３）为例进行分析，该断面揭　支护结构受力有较好的效果，但从施工速度来看，弧　露围岩为高含水的软弱粘土，含水量为２５％，自稳　形导坑预留核心土开挖断面少，临时支撑拆除量最　能力差；２００９年７月５日施工至此位置，２００９年７　少，可减低造价，当从施工速度和经济效益来考虑　月１６日，该量测断面拱顶下沉急剧加速，初期支护　时，建议采用弧形导坑预留核心土。　在Ｙｋ９９＋０１７附近已出现环向开裂现象，说明围岩　②在采用环形留核心土法施工时应严格控制　压力在急剧，施工中增加处理措施：①Ｙｋ９９＋０１７　上台阶长度及初期支护闭合时间，加强锁脚锚杆质　～０２３段洼浆小导管锁脚；②立即进行下台阶施　量，特殊情况下可采用临时支撑（如临时仰拱及竖　工。使初期支护封闭成环；③若继续急剧变化，设　支撵）。　置临时支撑。从图３拱顶下沉时间变化曲线图表　③充分利用隧道监控量澳Ｉ。及时调整施工方　明，补打锁脚小导管施作完成后，拱顶下沉速率明显　法，针对不同情况采取相应的施工工艺。　减小，及时阻止了围岩变形；初支封闭成环，使支护　支撑体系的受力得到明显改善，初期支护与围岩进　【参考文献】　入良好的共同工作状态，支护结构变形趋于稳定，取　［１］　关宝树．隧道工程施工要点集［Ｍ］．北京：人民交通出版社，　得了比较理想的效果。后续施工中吸取经验教训，　２０ｏ３．　加强锁脚，尽早使初期支护成环。　［２］　唐颖．公路隧道软弱围岩施工方法的探讨［Ｊ】．现代隧道技　术，２００７，４４，（８）：６８—７１．　时间／（月一日）　［３］　黄　波．公路隧道软弱围岩开挖方法研究【Ｊ］．施工技术，　２００４，３３。（１Ｏ）：２８—３Ｏ．　ｇ　一　宣　：：蔫茎　茎喜．　喜　．一室薹ｌｌ喜耋　喜　　［４］　软弱破碎带大断面隧道的开挖与支护技术［Ｊ】．西北水力发　电。２００３，２，（６）：３６—３９．　［５】周太全，华渊．软弱围岩隧道施工全过程非线性有限元分析　、　■一ｌＯ０．００　世　嚣一１５０．Ｏ０　｝导ｈ打管　一ｌ铤ｌ脚　，Ｊ、一　　３８　．６一．９１５１　５３’　……，一．１　＿＋，　１．—ｇ．ｂ…．…．　仙…　　。．［Ｊ】．岩土力学，２００４，２５，（增２）：３３８—３４２．　［６］　许月，杨　文，张宏博．软质岩体中浅埋隧道开挖支护的数　值模拟［Ｊ］．土工基础，２００４，１８。（４）：４４—４７．　［７】王春生，周翠荚．梅河高度公路隧道稳定性数值模拟【Ｊ】．中山　图３　粱家院子隧道Ｙｋ９９＋０２１测点拱顶下沉时间　大学学报，２００５，４４。（１）：３８—４１．　变化曲线图　Ｆｉｇｕｒｅ　３　Ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｏｆ　ｃｒｏｗｎ　ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｓ　ｗｉｔｈ　ｔｉｍｅ　ｏｎ　Ｙｋ９９＋０２１　ｉｎ　Ｌｉａｎｇｊｉａｙｕａｎｚｉ　ｔｕｎｎｅｌ