浅谈软弱地质条件下隧洞开挖新技术

舒金明

摘要：在软弱地质条件下隧洞开挖施工中，目前国内外采用新奥法施工时,施工方法主要有2种:CRD法和双层壁法。但隧洞开挖单靠这两种传统方法是很难解决施工过程中所遇到的实际问题。本文通过对软弱地质条件下隧洞开挖的传统施工技术方法进行分析，提出了一种新的施工方法---自下而上开挖法。它不仅可以解决施工期中出现的问题，而且施工期短、施工安全、有利于提高初期支护的施工质量，并且可以明显的降低工程造价。

关键词：软弱地质 ；隧洞开挖 ；新技术；自下而上法

一、前言

当遇到软弱地质时，隧洞开挖工程施工通常是施工方感到最为棘手的事。软弱地质隧洞对质量、安全、投资、工期等各方面都产生很大的影响，故也被同行列为重难点控制工程。实践证明CRD法和双层壁法都不能有效地解决下沉和侧向收敛问题。但自下而上新施工方法却能从根本上解决了下沉问题，可以说自下而上法是软弱地质隧洞施工的首选方法。

二、软弱地质的特点及工程特性

软弱地质普遍具有内摩擦角小，粘聚力弱及流滑、湿陷、膨胀、蠕变等不稳定的特点。而软弱地质的工程特性主要有以下4个方面：

1.工程没有统一的模式。软岩常处于地质不稳定的复杂地带，预设计难以一次摸清地质，因而施工标准、方法、设计参数必须及时随围岩调整变化。

2.工程进度与质量、安全与进度的矛盾更为显著。软岩自稳时间短，一般采取分部施工，化大为小的方法，因而工序复杂，封闭环形成的时间长，应力转换频。

3.工程施工困难，危险性大。软岩由于具有稳定性差，易崩塌溜滑等特点。洞口段拉槽施工极易引起大范围牵连性滑动，因而难以接近仰坡，进洞困难。洞内施工，由于承载不足，易导致支护结构下沉收敛，同时掌子面围岩自稳力差，易涌出和坍塌。

4.工程往往伴随着严重的环境问题。软岩扰动后，自稳能力下降，松动圈不断扩大，围岩压力逐渐增加，再次稳定的时间很长，支护及衬砌结构承受围岩压力，极易引起支护结构变形、收敛、下沉和衬砌结构开裂等事故和病害，同时往往伴随地表下沉，失水等环境问题。

三、软弱地质条件下隧洞开挖的主要方法及存在的问题

1.软弱地质条件下隧洞开挖的传统方法及存在的问题

目前，在软弱地质条件下的隧洞开挖采用新奥法施工时主要有2种方法，C R D法和双层壁法。这些方法都有一个共同点就是自上至下的施工。在诸多实践中我们发现这些传统方法没能很好的解决下沉和侧向收敛的问题，而这些问题对于软弱地质条件下来说是难以接受甚至是致命的。通过对下沉情况的分析，可以知道过量下沉的根本原因是自上而下的施工方法，只要采用这样的施工方法，地质软弱时，过量下沉则是不可避免的。双层壁法结构拱脚处没有很好的固定约束，在两侧水平土持久压力的作用下，拱脚易产生位移，跨中则产生大的弯矩，拱架在跨中被弯拉开裂。同时，两侧拱架都产生大的侧向收缩，初期支护侧拱架造成侵限。因此，在施工中不得不在中部增加水平支撑，增加水平支撑不仅增加了工料消耗，还减小了施工操作空间，降低工效。

2.软弱地质条件下隧洞开挖新技术——自下而上开挖法

经过对传统法施工存在的问题进行初步的分析研究，笔者提出了一种新的施工方法——自上而下开挖法。

2.1自下而上开挖法的概论

自下而上开挖法就是采用临时支护的方法首先在隧道下部开挖一个或几个导洞，同时在导洞内做好初期支护的仰拱部分，为上部拱架打下一个稳固的基础，以减少拱架下沉量。

2.2自下而上开挖法的特点分析

(1)自下而上开挖法比传统方法更安全

经分析可知，自下而上开挖法更安全，主要体现以下四个方面。①自下而上的施工，更有利于保证钢拱架的拼装质量，提高了钢拱架安装质量和承载能力。②对初期支护上半部分的钢拱架进行力学分析可以知道，把上半部分钢拱架一次性施工安装与CRD法的分I、Ⅲ 部2次安装进行比较，结果可知全拱与半拱轴力是相等的，而且全拱内力以轴力为主，弯矩很小，改善了受力条件。③在下部导洞形成后，更有利于排除了上部土壤中的水分，减小了上部初期支护拱架的荷载，同时也改善了土壤的性质。④围岩保护好，自稳能力提高，减轻了钢拱架的荷载。

(2)自下而上开挖法比传统方法更能提高工程质量

采用自下而上开挖法施工有利于提高施工质量主要体现在以下四方面：①由于初期支护仰拱部分下沉量很小，而上部拱架可以在几小时内安装完成，做到全断而快速封闭成环，最大限度减少拱顶下沉，最有效地保护了围岩结构，提高了围岩自问能力，减少了初期支护的荷载，提高了施工安全性。全断而封闭成环所需时间短，这是自下而上施工的一个极为突出的优点。②有效减小初期支护下沉量。由于对初期支护的仰拱部分首先施工，仰拱不会下沉。原因是地基与基础只有在其二面增加荷载时才会产生下沉，而仰拱在施工过程中，在仰拱上作用的荷载不仅没有增加，反而在减少。因为压在仰拱上的土在不断的被挖空。因此仰拱不会下沉，仰拱可以成为上部拱架稳固的基础。上部拱架下沉量也会很小，因为上部拱架为拱结构，拱结构内力以轴向力为主，弯矩较小。拱结构在轴向力作用下弹性压缩量很小。③有利于提高初期支护的质量。由于初期支护是自下而上的施工，既有利于钢拱架的拼接安装，保证接缝拼接紧密结实，同时也保证了钢拱架安装位置准确。钢拱架安装位置准确，就保证了隧道初期支护内壁几何尺寸误差小。从而最大限度减少超欠挖工程量，降低工程造价。钢拱架接缝严密，有效的提高了初期支护的承载能力。④有利于排出围岩空隙水，从而改善了围岩土壤的物理力学性状，减少了初期支护的荷载。

(3)自下而上开挖法比传统方法更能提高工程进度

自上而下开挖法主要从以下四个方面提高了工程进度。①挖土时间短，上部芯土可用大挖掘机开挖，直接装入大型运输车内运走，可缩短时间。提高工作效率。②省去了临时仰拱和中隔壁安装拱架、焊钢筋网片、焊连接钢筋、喷混凝土及的施作锚杆时间。③由于首先在下部开挖了一个导洞，这就有利于排除两侧和上部土壤中的水分，土壤水分排除了，就改善了施工条件，有利加快施工速度，缩短施工时间。④拱架安装快，由于是自下而上施工，拱架安装便于操作，可缩短施工时间提高施工速度。因此，同样地质条件下，自下而上法会比CRD法施工速度快。自下而上开挖法降低工程造价。

(4)自下而上开挖法所需工程费更少

自上而下开挖法节约了许多工程费用，主要体现以下几个方面。①省去了部分注浆、锚杆等费用，每延米省大概1万元。②省临时中隔壁和仰拱，根据A3标投标价计算，每延米可节约3万元左右。③省超用喷射混凝土、超挖土方、二衬混凝土，每延米少花费1万元。综上所述，每延米可节约费用合计5万元。与CRD法相比，自下而上开挖法大大降低了工程费。

四、结语

在软弱地质条件下大断面隧道施工时，CRD法和双侧壁法都很难解决初期支护下沉和收敛问题。自下而上法不但可以很好的解决这一问题，而且具有施工安全、质量好、速度快，还可以明显的降低工程造价等优点。因此，在软弱地质条件下隧洞开挖时，自下而上法应是首选方法。希望能为目前国内交通建设中的软弱地质条件下隧洞开挖提供新思路。

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