表1.1列出了国内外典型的挤压性围岩隧道。由此可见，高地应力软岩地质环境引起的挤压大变形破坏是一种严重的工程地质灾害。目前，对围岩挤压性大变形问题的研究，主要依靠归纳、总结及工程类比等方法，其中的主要问题集中在软岩的定义和分类、大变形的定义、机制和分级等几个方面。何满潮等将围岩大变形的判据分为定性方法和定量方法，并给出了日本学者对日本国内挤压性围岩特点及大变形判别研究方面的统计性结果。......
2023-09-21
挤压性围岩隧道施工技术|双支洞挑顶|变形破坏特性控制
【摘要】：兰渝铁路新城子隧道地层属于高地应力软弱围岩地段，施工中隧道围岩及初支变形复杂，且难以控制，其隧道大跨挑顶段加宽6 m，断面形式是迄今为止世界上最大的开挖断面，为解决新城子隧道大跨挑顶过程中面临的导洞、正洞受力复杂、围岩变形的问题，提出了一种全新的双支洞挑顶施工方法，解决了大跨度高地应力软岩隧道挑顶的施工难题。保证下支洞挑顶后施工正洞的通道，正洞上部的初支拱脚落在门架上。
软弱围岩大跨隧道相比于石质隧道，隧道挑顶段的受力更为复杂，采用传统小导洞挑顶，即斜井施工至与正洞交界后，以圆曲线形式转体进入正洞，同时上坡开挖至正洞拱顶高程，并继续沿相同方向掘进一定距离;形成作业空间后，转向相反方向施工，扩挖临时支护达到正洞标准断面。而正洞落底过程中，势必增加导洞的高度，导洞底部悬空。在自身受力的同时，正洞初期支护承受的外力也将传递到导洞墙底，受力复杂，围岩变形加大，对导洞结构及正洞已完成的初期支护受力不利，存在严重安全风险。
兰渝铁路新城子隧道地层属于高地应力软弱围岩地段，施工中隧道围岩及初支变形复杂，且难以控制，其隧道大跨挑顶段加宽6 m，断面形式是迄今为止世界上最大的开挖断面，为解决新城子隧道大跨挑顶过程中面临的导洞、正洞受力复杂、围岩变形的问题，提出了一种全新的双支洞挑顶施工方法，解决了大跨度高地应力软岩隧道挑顶的施工难题。
1)技术特点
利用平行导洞施工上下支洞，上下支洞分别与正洞隧道正交，上支洞和下支洞前后错开，上支洞爬坡进入正洞进行挑顶，下支洞平坡进入正洞，回填下支洞，施工正洞上部，正洞初支穿过下支洞上部后，清除下支洞的回填碴，利用下支洞开挖正洞下部，形成正洞断面。开挖正洞上部初支前对正洞拱部打设管棚注浆加固(图6.1)。
图6.1 上下支洞挑顶平面图
隧道施工以新奥法为依托，采取加密超前管棚、锚索加固、初支背后注浆加固、增设临时仰拱等支护方法，控制地表下沉，通过全过程的施工监控量测，监视土体及结构的稳定性，随时调整支护参数，使主体结构能安全顺利地建成。
图6.2 导洞施工工艺流程
2)施工工艺流程
具体工艺流程如下:施工准备→平行导洞施工→上下支洞施工→上下支洞与正洞交叉口加固施工→上下支洞挑顶的施工→下支洞回填、正洞上部开挖及初支→清除下支洞回填渣→正洞下部开挖及初支→形成正洞断面。其操作要点如下。
(1)平行导洞施工
导洞断面大小由施工工艺、围岩条件、采用设备等因素确定，可为拱形直墙或曲墙。视情况可采用全断面或上下台阶法施工(导洞施工工艺流程如图6.2所示)，施工中的具体要求有如下几点:
①严格控制导洞线路的精度，确保导洞与结构的关系。
②喷混凝土封闭后开挖前打设超前导管，间隔一个超前注浆管，于开挖前超前导管注水泥浆。
③严格控制开挖进度，每次开挖不超过2榀，按两台阶法施工，台阶的长度控制在5～10 m。
④开挖过程若出现不良地质情况应及时对开挖面进行网喷封闭，进行加固处理后再施工。
⑤严格控制钢支撑间距，网构钢架应精确定位，注意“标高、中线、前倾后仰、左高右低、左前右后”等各个方位的位置偏差，钢支撑保护层临土侧50 mm，背土侧40 mm。安装允许误差见表6.1。
表6.1 网构钢架安装允许误差
⑥按设计施工满铺钢筋网，将纵向连接筋、钢筋网与网构钢架牢固连接。
⑦滞后掌子面5 m回填注浆一次，浆液为纯水泥浆，对初支背后拱墙进行加固。
⑧导洞施工过程中，加强量测频率，及时反馈量测结果，以便根据量测结果及时修正支护参数，确保安全。
(2)上下支洞施工
依据测量控制桩点以及设计图纸定出的上下支洞洞口的平面位置，导洞断面大小由施工工艺、围岩条件、采用设备等因素确定，可为拱形直墙或曲墙。视情况可采用全断面或上下台阶法施工(导洞施工工艺流程参见图6.3)，施工中的具体要求有如下几点:
①严格控制上下支导洞线路的精度，确保上支洞与正洞的坡高比(上支洞爬坡挑顶图见图6.4)，爬坡支洞利用40 m范围逐渐爬坡大跨上台阶高程，下支洞与正洞平坡关系(下支洞平坡挑顶图见图6.5)，开挖至与正洞相交交叉口处。
②喷混凝土封闭后，开挖前打设超前导管，间隔一个作为超前注浆管，于开挖前超前导管注水泥浆。
③严格控制开挖进度，每次开挖不超过2榀，按两台阶法施工，台阶的长度控制在5～10 m。
④开挖过程出现不良地质情况应及时对开挖面进行网喷封闭，进行加固处理后再施工。
图6.3 导洞施工工艺流程
图6.4 上支洞爬坡挑顶(单位：mm)
图6.5 下支洞平坡挑顶
⑤严格控制钢支撑间距，网构钢架应精确定位，注意“标高、中线、前倾后仰、左高右低、左前右后”等各个方位的位置偏差，钢支撑保护层临土侧50 mm，背土侧40 mm。
⑥按设计施工满铺钢筋网，将纵向连接筋、钢筋网与网构钢架连接牢固。
⑦滞后掌子面5 m回填注浆一次，浆液为纯水泥浆，对初支背后拱墙进行加固。
⑧导洞施工过程中，加强量测频率，及时反馈量测结果，以便根据量测结果及时修正支护参数，确保安全。
(3)交叉口加固施工
①在下支洞与正洞交叉口处架立4榀并排设置的门型钢架，外侧设型钢钢架支撑柱及落脚横梁，门型钢架采用型钢不小于H175，采用φ22钢筋纵向连接、焊接牢固，喷射混凝土封闭。
②喷射混凝土前，门型钢架顶梁位置用彩条布或其他材料包裹，在安装挑顶段正洞钢拱架时扯掉彩条布即可，正洞钢拱架与门型钢架横梁之间焊接牢固。保证下支洞挑顶后施工正洞的通道，正洞上部的初支拱脚落在门架上。(正洞与门架连接图见图6.6)
图6.6 正洞与门架连接图
③在与正洞交叉口相接的上下支洞9～12 m内设套拱加固，套拱钢拱架工字钢不小于20b，底板混凝土增设工字钢横撑，与已施工完的初期支护形成整体受力，确保安全。
(4)上支洞和下支洞进入正洞的施工
①上支洞进入正洞的施工。
上支洞爬坡至正洞拱顶，上支洞拱顶高度比正洞拱顶高1.0 m，平坡到大跨对侧1.0 m，封闭上支洞掌子面，掌子面打设R32自进式锚杆，L=8 m，梅花形布置1.5 m×1.5 m(环×纵)，注浆加固，挂设φ8钢筋网网片，网格间距为20 cm×20 cm，喷C25喷射混凝土，厚15 cm，封闭围岩。
施作1 m堵头墙，并加固堵头部位围岩。为方便大跨正洞的开挖，上支洞采用直墙式断面进行支护，其特点为保证正洞各部初支钢架平整圆顺在同一断面里程;为保证不破坏上支洞拱顶的受力结构，确保正洞上部开挖施工安全，上支洞拱顶比正洞拱顶高1.0 m，正洞上部开挖时只破除上支洞边墙初支。
挑顶段上导洞支护采用H175型钢拱架，开挖每循环进尺1.0～1.2 m，施作φ42，L=3 m@40 cm超前小导管和φ42，L=4 m的锁脚锚管，上支洞与正洞线路方向垂直;并在上支洞初支边墙即正洞拱部范围内打设φ89超前管棚，并注浆，进行施工正洞开挖支护。
②下支洞进入正洞的施工。
下支洞平坡贯穿正洞与线路方向垂直，下支洞支护采用H175型钢拱架，开挖每循环进尺1.0～1.2 m，施作φ42，L=3 m@40 cm超前小导管和φ42，L=4 m的锁脚锚管，开挖断面采用曲墙式断面;开挖支护至大跨对侧一米处，封闭上支洞掌子面，掌子面打设R32自进式锚杆，L=8 m，梅花形布置1.5 m×1.5 m(环×纵)，注浆加固，挂设φ8钢筋网网片，网格间距20 cm×20 cm，喷C25喷射混凝土，厚15 cm，封闭围岩。并施作1 m堵头墙，加固堵头部位的围岩。
③下支洞回填。
采用洞渣和沙袋回填下支洞，将正洞范围内的下支洞段回填密实，为正洞上部开挖穿过下支洞上部做准备。
图6.7 9部双侧壁法
(5)隧道正洞开挖及初支
①在上支洞初支的基础上进行正洞开挖，紧靠上支洞初支边墙并排架设两榀正洞H200型钢和双侧壁H175型钢，打设R38自进式锁脚锚杆，L=8 m每榀4根，φ42，L=3 m@40 cm超前小导管，拱墙打设φ42，L=4 m，梅花形布置1.2 m×1.2 m(环×纵)径向注浆小导管，喷射C25混凝土封闭。
②然后拆除上支洞初支边墙，开挖大跨正洞，且大跨正洞采用9部双侧壁法施工(图6.7)，上台阶分3部开挖，各部之间交错前进，1部超前3部10 m，3部超前5部10 m，开挖到位后及时喷射混凝土封闭，快速安装钢拱架，并打设超前小导管。
正洞向下支洞方向掘进35 m，并在正洞拱墙布设长锚索对初支进行加固，锚索长18 m/根，间距1.5 m×1.5 m(环×纵)，及时注浆、张拉、锚固。
③正洞上部施工35 m完成后，穿过下支洞上部10 m，继续进行正洞反方向正常施工，清除下支洞回填渣，在下支洞初支支护基础上，采用9部双侧壁法分部开挖正洞下部，与正洞上部的拱架连接，形成正洞断面。
④上支洞挑顶工作完成后，上支洞拱顶比大跨拱顶高1.0 m，对大跨拱顶采用C35混凝土进行回填，等大跨段施工正常后及时封闭支洞，上支洞爬坡段和下支洞平坡段采用C20混凝土回填密实，导洞其余地段采用洞渣回填。
(6)隧道施工工艺的改进
①增设套拱和临时仰拱，及时封闭，步步成环。与正洞交叉口相邻段上下的支洞采用套拱加固，相对于二衬混凝土加固等工艺而言，简化了施工工艺，缩短了加固周期，加快了施工进展，同时节约了费用;且导洞进入大跨正洞后，上下支洞的仰拱改为临时仰拱，上下支洞进入正洞后不利于掌子面的稳定，易造成拱顶及地表沉降。遵循浅埋暗挖及时封闭步步成环的原则，改设上下支洞临时仰拱，使上下支洞的断面及时封闭。同时，利用临时仰拱形成上部施工通道，避免上下施工干扰，缩短施工循环时间。
②增加工作面、效益显著。采用上下支洞挑顶，增加作业面，为大型机械设备提供了作业空间，提高了工效，缩短了挑顶施工时间，减少了施工成本，经济效益显著。
③增设边墙锚索及锁脚锚杆。开挖后掌子面自稳性差，围岩可注性差。为有效控制掌子面的土体稳定和地层沉降，环向和纵向加设自进式锚杆、锚索，增设R38自进式锁脚锚杆，L=8 m。
图6.8为双支洞挑顶施工现场操作照片。
图6.8 双支洞挑顶施工现场操作照片
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