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ⅳ級(jí)圍巖采用臺(tái)階法；淺埋ⅳ級(jí)圍巖或有大 變形特征的ⅳ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ⅳ級(jí)圍巖采用crd法。v級(jí)圍巖主要采用cd法、crd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；但開挖過程中如果分部過多，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=76.782㎡）。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，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5.7℃，極端最高氣溫39.1℃,極端最低氣溫－41.4℃；年平均 降雨量為523.3mm，降雨期集中在6-8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，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)尺為一榀拱架間距，仰拱每次開挖支護(hù)2榀拱架長(zhǎng)度；上臺(tái)階長(zhǎng)度3～5m，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：
（1）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6～7m），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3～5m，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)階七步開挖法優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件：
（1）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，單口月成洞45～50m。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 5cm，當(dāng)前方出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)，不利于及時(shí)封閉成環(huán)。
（2）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。
圖2 三臺(tái)階七步開挖施工工序示意圖
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^15cm；當(dāng)采用cd法施工有軟塑夾層、大跨度段時(shí)拱腳的切入變形較大，掌子面的穩(wěn)定性較臺(tái)階法施工好，隧道施工過程中豎 向變形較小，但拱肩處變形仍然較大。
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：
（1）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。
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