0 引言

　　目前行业内对于隧道施工安全、质量提升要求越来越高，隧道施工中的安全步距和快速闭合成环是保证施工安全的重点，而我国在修建软弱地层隧道时，通常采用CD法、CRD法、环形开挖预留核心土法、三台阶法等，这些工法可以很好地控制地表沉降和变形收敛，但是隧道的安全步距与工序衔接之间存在巨大矛盾，同时无法快速形成初期支护闭合环。正常机械化组织施工的情况下难以满足安全距离的强制性规定，而在满足工序安全距离的情况下，导致工序间干扰严重，大型机械化施工设备的工作效率大大受阻，施工进度缓慢。因此，急需一种在软弱地质条件下安全快速的施工工艺来解决该问题，而软弱围岩大断面开挖支护施工技术则很好地解决了这一难题。结合东天山隧道进口端特殊地质围岩，对施工方案进行比选，优化创新软弱围岩大断面施工技术，对该种开挖支护的施工工艺流程及支护参数进行了详细描述，通过监控量测数据分析，准确判断了在适应地质情况下采用大断面开挖支护的可行性，安全快速地保证工程实施。

　　1 方案比选分析

　　隧址区进口洞顶覆盖层厚度≤30m段落长度为350m，地质围岩为晚期更新统洪积粉质黏土，土体密实，揭露后短时间范围内掌子面土体整体稳定，土体含水量较大，孔隙水渗透快速;路线延伸方向出露岩性主要为凝灰质砂岩、花岗岩、闪长岩及第四系全新统地层，IV,V级围岩占进口段比例高达45%，地下水按储藏条件及水动力特性，可分为松散层孔隙水、基岩裂隙水2个类型。东天山隧道进口端整体地质条件复杂且较差、大型设备无法展开快速化施工是制约施工进度的关键。

　　1.1 理论分析

　　隧道结构的稳定是由围岩自稳与支护结构共同构成的，围岩是外部荷载的承载体，充分发挥其自身承载能力，对于保证隧道安全是极为重要的。对此，软弱围岩隧道施工中，不应仅仅依靠刚性支护实现变形控制，而应做好施工方法、支护措施的优化，确保隧道整体变形处于可控范围内。开挖、支护方案的选择应建立在稳定可靠的理论模拟分析、围岩地质条件、设备配套、现场试验比对结果等环节上，通过系列性的比选，选择最适合的开挖支护方法尤为重要，如表1，图1所示。

　　  

　　表1 开挖方案分析比选 

　　 

　　 

　　

　　表1 开挖方案分析比选

　　

　　图1 方案比选示意  

　　 

　　隧道进洞初期采用三台阶预留核心土法施工，进度缓慢，无法进行全机械化作业，通过掌子面素描分析为洪积黏土含卵石，卵石含量呈增多状态，对其进行含水量测定为15%左右，土体短期稳定性较好、密实、未发现层状分布。通过地质情况分析初步确定软弱围岩大断面开挖工艺可行性的4个重要指标:安全的初期支护参数、稳定的超前预支护参数、提高喷射混凝土早期强度、减少掌子面开挖模块。在以上4个方面进行技术改善可完全满足大断面开挖条件，同时对机械化安全快速施工提供理论实施依据。

　　1.2 参数选择

　　隧道进口端Ⅴ级土质围岩岩性表现特征为:土层密实度较高，开挖后围岩风化速度和遇水崩解速度快，长期自稳定性较差;如果采用大断面开挖必须提高初期支护参数、强化超前预支护、提高初期支护喷混凝土的早期强度，有效控制拱架沉降。根据一般Ⅴ级土质围岩破裂角计算，超前预支护应>6m，或采用57～89钢管进行中管棚支护，可辅助提高开挖后围岩的自稳能力;早期混凝土强度提升速度直接影响初期支护体系抵抗围岩变形受力，通过试验研究24h初喷混凝土提升至18MPa以上后可形成初支体系的整体结构受力;同时加强锁脚支护有效控制拱架沉降，仰拱及时开挖，尽早形成上下闭合成环。初期支护及超前预制护参数比选如表2所示。

　　2 软弱围岩大断面开挖支护施工技术

　　软弱围岩隧道大断面开挖支护的施工关键是确保开挖后围岩稳固、控制拱架沉降、快速闭合成环，使初支体系最早和围岩结合成为一体，早期抵抗软弱围岩应力释放产生的变形;结合上述四项重要指标的技术参数调整，大断面开挖支护施工工艺在隧道中的运用，明确该工艺的施工流程、技术参数以及设备配置。

　　2.1 开挖顺序

　　软弱围岩大断面开挖将整个隧道断面在仰拱处分为上下两个断面，上断面预留核心土，上断面开挖榀数每循环控制在2榀以内(含2榀)，其开挖断面分部如图2所示。

　　  

　　表2 初期支护及超前预制护参数比选 

　　 

　　 

　　

　　表2 初期支护及超前预制护参数比选

　　

　　图2 隧道开挖顺序  

　　 

　　2.2 设备组合

　　开挖设备采用铣挖机配合挖掘机，即“双机联合作业法”对隧道进行开挖。首先，铣挖机沿开挖轮廓线进行隧道周边轮廓铣挖，快速、准确、控制超欠挖，然后对(1),(2)部进行掌子面开挖，随后对预留核心土上部(3)进行开挖，开挖、出渣结束后，及时初喷3～5cm厚喷射混凝土，以减少围岩暴露时间，并立即进行初期支护。

　　2.3 钢架支护

　　型钢支护共分为5个单元，各节钢架以高强螺栓连接，连接板密贴。为保证各节钢架在全环闭合之前置于稳固的地基上，安装前清除钢拱架底脚下的虚碴及杂物，并垫设30cm×30cm,h=10cm的混凝土预制垫块。两侧拱腰和拱脚处分别打入4根L=3.5m的42×4注浆锁脚锚管，倾斜角向下30°～45°打入基岩，产生斜向受力，后压注水泥浆液形成钢混凝土一体组合，将钢架牢固锁定，有效控制沉降及拱脚收敛。

　　2.4 喷射混凝土支护

　　钢拱架及钢筋网、连接钢筋安装作业完成后立即实施喷射早高强混凝土，使钢架与喷射混凝土共同受力，增强其联合支护的效应。

　　2.5 仰拱初支闭合

　　开挖距掌子面<20m范围内，及时开挖仰拱，架设钢拱架，最早形成全环闭合。

　　3 应用与验证

　　3.1 应用价值

　　隧道进口端在洪积黏土地质情况下创新应用大断面开挖支护方法，从本质上贯彻了新奥法施工理念，结合特长公路隧道大型机械化设备的投入，从根本上提升了实体工程安全和质量。其特点如下。

　　1)施工断面大则操作空间大，利于初期支护施工作业和机械臂湿喷机组喷射混凝土施工，保证了喷射混凝土表面平整度和降低回弹量的要求。

　　2)机械化施工效率提高，施工难度减小、进度加快，基本保持在70m/月。

　　3)有效减少围岩面的扰动次数和减少围岩面暴露时间，利于围岩整体稳定。

　　4)工序减少，初期支护能够及时封闭成环，紧跟掌子面，避免土体应力集中扩散造成围岩变形。

　　5)大环向成拱，减少工字钢单元模块连接，增加钢拱架整体刚性，减少连接钢板和连接螺栓的数量，降低施工成本。

　　3.2 监测验证

　　由于洞内岩土体开挖，围岩应力释放，其作用力大部分作用在围岩支护上面，此时围岩支护则形成一个拱形受力结构体系，拱肋将上覆岩土体应力通过荷载传递至拱脚，拱上方产生的荷载被分担至拱脚水平力和竖向力，因此在拱脚部位容易产生应力集中现象。为保证隧道开挖进程的可靠性，要对拱脚部位做好监测工作。通过布设测试元器件对大断面隧道围岩及支护结构进行受力情况监测，如表3所示。

　　  

　　表3 监测项目及监测里程分布 

　　 

　　 

　　

　　表3 监测项目及监测里程分布

　　3.2.1 围岩压力

　　围岩压力采用XYJ-4型振弦式双膜压力盒，该压力盒通过频率输出信号，抵抗干扰能力强，通过ZXY-2型频率读数仪进行量测。仪器埋设时应先在开挖好的围岩上挖出与压力盒大小基本相似的圆形空槽，确保压力盒能够放入，圆形空槽深度应在10cm左右，确保压力盒受力面与围岩充分接触，保证测量成果。空槽挖好后将压力盒放入并用砂浆将压力盒四周密封完善，确保压力盒不会因为振动脱落。试件埋设完成后应将测试线整理好，并充分保护不被破坏。

　　3.2.2 型钢应力

　　型钢应力监测采用CL-XZ-B型钢筋测力计，直径22mm，该元器件同样采用ZXY-2型频率读数仪进行量测。每个测点对型钢拱架内外侧均应布置仪器，元器件通过焊接两段连接杆将其固定于型钢上。安装完成后应将仪器保护好，确保两端焊接不会因为振动或其他原因导致仪器脱落。

　　3.2.3 拱顶沉降及周边收敛

　　现场位移沉降通过精密测角和测距的方式求得净空三维位移的变化值，根据变形数据分析净空位移的变化发展规律，该监测由现场监测专职人员进行。在隧道开挖结束，喷射混凝土之前，将事先准备好的测点进行预埋，喷射混凝土之后在预埋件上贴反射膜片并开始观测。

　　3.2.4 布设方法

　　对应各种监控监测元器件布置如图3所示。

　　

　　图3 监测布置  

　　 

　　3.2.5 监测频率

　　保证施工安全和试验数据能够及时、准确指导理论分析，应对监控量测提出高标准、严要求，埋设仪器应尽量保证速率;元器件埋设完成后，初次读数应在下次开挖前进行，保证初次读数不超过元器件埋设结束后的24h，前期测量应保证1次/d，到中期测量可调整至1次/2d，当数据接近稳定后，监测频率可1次/周。由于隧道围岩自稳是一个长期的过程，因此为了保证试验数据能够全面反映钢架支护结构的力学性能，应对试验段进行长期监测直到变形数据基本稳定。具体监控量测频率依据TB10121—2007《铁路隧道监控量测技术规程》规定进行，如表4所示。

　　3.2.6 监测数据对比分析(见图4～6)

　　

　　图4 拱顶沉降和净空收敛时限曲线  

　　 

　　通过上述对比数据可以看出:台阶法产生拱顶沉降和净空收敛与大断面法产生的拱顶沉降和净空收敛相差不大，都在10～20mm左右，两种施工方法的沉降和收敛均在仰拱封闭后趋于稳定，相比之下，大断面法开挖时仰拱封闭更快;两种施工方法的接触压力均在前期增长迅速，后期呈小幅度上升，最终趋于稳定，对比包络曲线发现，大断面法施工围岩-初支接触压力大于台阶法，且受力都存在偏压现象;大断面法开挖与台阶法开挖过程钢拱架内外侧产生的应力值均远小于结构自身极限承载力，但大断面法施工时钢拱架外侧应力较台阶法施工时大，多处钢拱架应力值超过50MPa，最大达到77.7MPa;内侧应力则相差不多。

　　  

　　表4 试验段元器件监测频率 

　　 

　　 

　　

　　表4 试验段元器件监测频率

　　

　　图5 初支-围岩接触压力时程关系曲线 

　　 

　　4 结语

　　软弱围岩隧道施工因其地质特征与工程特性，必然会给工程质量控制、安全控制、效益控制以及工程进度控制带来比较大的难题。软弱围岩大断面法开挖其关键性意义如下。

　　1)有效控制了仰拱与掌子面之间的长度，满足安全步距要求。

　　2)最大限度地发挥施工人员的施工技术水平与大型机械的最大性能。

　　3)保障隧道施工安全，加快了施工进度，从而实现了安全与效益的双赢局面。

　　

　　图6 围岩-初支接触压力对比关系曲线  

　　 

　　4)通过科学的监测方法和数据分析，详细阐述了隧道围岩特性和支护体系之间的关系。