隧道洞口段预加固技术与施工工法研究

摘要：本文首先对浅埋段隧道围岩变形特点及时空进行分析，总结对比了隧道洞口到主要预加固措施，并提出主要施工开挖方法，并且对各种施工方法的优劣及适用条件进行了比较。对浅埋段隧道施工具有科学的指导意义。

关键词：隧道，洞口段，预加固技术

Pre - reinforcement Technology and Construction Method of Tunnel Portal Section

（Ningbo Traffic Construction Engineering Supervision & Construction Co. LTD，

Ningbo 315177，China）

Abstract：：In this paper， the deformation characteristics and temporal and spatial analysis of surrounding rock of shallow tunnel are analyzed. Then the main pre-reinforcement measures are compared and put forward the main construction excavation methods， which of advantages and disadvantages are compared. It is of scientific significance to the construction of shallow tunnel.

Key words： Tunnel， Tunnel Section， Pre - reinforcement Technology

0.前言

围岩是指由于受到隧道开挖影响而引起应力状态改变的岩土体[1]。在隧道开挖过程中，由于主要影响因素不同，其对围岩的扰动程度也不同，但隧道开挖所引起的力学过程和围岩变形的变化规律都随开挖面所处位置的变化而变化，产生明显的时空效应。

影响围岩压力的因素有很多，一般分为两种，一种是地质因素，包括围岩的初始应力状态、岩体的结构面以及岩石的力学性质等；一种是工程因素，包括施工方法、施做支护的时间、支护刚度、隧道形状等[2]。

1.浅埋隧道围岩变形特点及时空效应分析

1.1隧道围岩纵向变形曲线

隧道在开挖后，掌子面前方和后方一定范围的围岩由于应力重分布会产生一定的变形，对于浅埋隧道，由于围岩自承能力较弱，在上覆荷载的作用下，容易产生地表沉降，从而影响到地面的建筑物，若不加以控制，则会出现围岩松弛甚至塌方。

根据隧道纵向变形特点可以将围岩变形分为三个阶段：（1）掌子面前方超前变形段；（2）掌子面后方变形段；（3）变形稳定段[3]。

1.2隧道圍岩变形的时空效应分析

隧道开挖变形的时空效应包括空间效应和时间效应。空间效应指的是隧道开挖过程中，由于受到开挖面的约束，使开挖面附近的围岩不能立即释放其全部瞬时弹性位移。时间效应指的是隧道开挖后围岩随时间增加变形持续变化的特性[4]。

根据与开挖面的距离可以分为微小变形区域、急剧增大区域、缓慢变形区域和稳定变形区域。如图2所示。

根据上图可知：开挖面前方的微小变形区域（1～1.5D），约占总变形量20%—30%，主要由掌子面开挖引起前方围岩应力释放以及围岩失水固结而产生变形，但由于没有产生临空面，变形还比较微小；开挖面后方的急剧增大区域（1～3D），约占总变形量的50%—60%，该区域围岩由于掌子面开挖产生临空面，使得土体的边界条件发生改变；缓慢变形区域（开挖面后方3～5D），约占总变形量的10%—15%，该区域变形量增加缓慢，变形曲线开始收敛；稳定变形区域（开挖面后方大于5D），围岩变形基本完成，围岩趋于稳定状态。

2 洞口段主要预加固措施

根据国内外工程经验，洞口施工多数是在预加固支护系统下进行的，。常用的预加固措施包括锚杆技术、抗滑桩技术、挡土墙技术、小导管技术、大管棚技术等。

锚杆技术：适用于围岩为块石体、顺层、陡坎、平缓山坡及浅埋隧道洞口顶竖向加固。可以加固横向宽度大于1-2倍洞跨，纵向长度不大于2倍洞跨，工艺简单，与洞内施工相互干扰小。

抗滑桩技术：适用于浅层滑坡带、顺层带、偏压带或岩层间有塑性滑层时，用于加固对施工、运营有影响的滑动带、顺层带、偏压段，抗滑能力强，工艺简单。

挡土墙技术：适用于滑坡带及围岩破碎带，工艺简单，对浅层滑坡体及落石较多时围岩处理非常有效。

大管棚技术：适用于浅埋段、地表建筑物密集段、含水破碎带，对地表下沉控制严格地段，II类及II类以下围岩段。该技术支护能力强，周期长，受施工场地限制。

小导管技术：适用于较干燥的、凝结力差的岩层、断层带、II类软弱围岩无水带，用以加固埋深≤0.5倍洞跨，拱长；埋深0.5-1倍洞跨，2/3拱长；埋深≥1倍洞跨，0.5倍拱长。支护效果好，在有孤石时难度大。

2洞口段基本开挖方法

采用合理的预加固方案和施工方法是保证隧道施工安全的重要措施。隧道洞口段施工方法的选择应综合考虑现场施工条件、围岩类别、埋深、隧道断面大小等因素综合选择。目前，隧道洞口段常用的施工方法主要由台阶法和分部开挖法两类[5]。

2.1 台阶法

台阶法是通过把设计断面分成上、下两部分分别进行开挖支护的一种常用的施工方法。台阶法适用于洞口围岩在Ⅲ、Ⅳ级围岩，有两台阶开挖和两台阶环形开挖留核心土法两种形式。特点是：随着台阶长度的逐渐缩短，拱顶下沉、地表沉降、周边水平收敛等明显减小，根据围岩破碎程度和施工条件，可调整台阶长度。台阶法开挖如图3所示。endprint

2.2 分部开挖法

分部开挖法是通过把隧道断面分块并有序地进行依次开挖，其中某一部分会超前开挖，故有时称为导坑超前开挖法。分布开挖法特点：通过减跨作用、施加支护可以限制围岩过多变形；通过小导坑超前开挖，探明地质情况，及时调整开挖方法。主要适用于浅埋段、软弱破碎地层或大断面的隧道施工。

（1）环形开挖留核心土法

环形开挖留核心土法适用于浅埋、易发生涌水、掌子面塌方及破碎土质围岩地段。特点是：可以在短距离围岩发生突变时采用，能够稳定掌子面，确保施工安全，但施工工序增多。

（2）单侧壁导坑法（CD法）

CD工法通過将断面跨度一分为二，先开挖一侧导洞，然后进行初期支护施作并在断面中部位置架立临时支撑，当先开挖一侧超前一定距离之后，再开挖另一侧，期间进行初期支护并保留中间的临时支撑隔墙。

（3）交叉中隔壁法（CRD法）

CRD工法是将大断面隧道分部进行开挖，首先开挖一侧的上台阶并及时施作初期支护和临时支撑，再开挖该侧下台阶并同样施作初期支护和临时支撑，最后采用相同的工序对另一侧进行开挖支护，做到步步封闭成环。

（4）双侧壁导坑法

双侧壁导坑法是首先开挖隧道两侧超前导坑，并且早早地对两超前导坑进行初期支护和临时支撑施作，再对剩余断面部分采用二台阶开挖。主要在不允许过大沉降的洞口段、Ⅳ、Ⅴ级浅埋、偏压、软弱围岩以及塌方段采用。

（a）环形开挖留核心土法施工 （b）CD工法施工

（c）CRD工法施工 （d）双侧壁导坑法施工

3 洞口段施工方法比选

选择洞口段施工方法应以工程地质条件为主要依据，并结合建筑物沉降要求、埋深、断面尺寸、衬砌结构类型、工期要求、现场施工技术力量等进行考虑。此外，当勘察工程地质不准确、地质条件发生突变时，应考虑变更设计、施工工法的必要性。

隧道施工方案选择应满足安全性、科学性、可操作性。

隧道洞口段施工选择合理的施工工法和支护措施是非常必要的，这不仅可以确保施工安全、围岩稳定，而且加快施工进洞、缩短工期，提高经济效益。同时可以减少对围岩的扰动次数，降低施工和运营的成本，保护周边环境。

由表可知，浅埋偏压、软弱围岩的隧道洞口段施工采用施工方法有：

（1）隧道洞口围岩较好时，采用短台阶法施工，围岩变差后可采用微台阶法施工。一般不建议采用全断面开挖，因为在大断面的公路隧道洞口中采用全断面开挖，对围岩的扰动较大，支护不及时，从而导致围岩松弛过大，增大了坍塌的可能性。且由于难以及时施作支护，隧道变形过大，并增大隧道工程造价。

（2）在土质隧道且洞口围岩属于Ⅴ级时，一般采用微台阶法施工；当工期允许的情况下，可以采用环形开挖留核心土法，遇水围岩变差时可以变更成中隔壁法或双侧壁导坑法施工。

（3）在浅埋、偏压、破碎的Ⅴ级围岩地段的隧道洞口，优先考虑采用环形开挖留核心土法；当地表有建筑物或者沉降要求不能过大时，可采用中隔壁法或双侧壁导坑法。

4 结语

本文分析了浅埋段隧道围岩变形特点和时空分析，总结了洞口段主要施工开挖方法，并且对各种施工方法的优劣及适用条件进行了比较。对浅埋段隧道施工具有科学的指导意义。

参考文献：

[1]龚万明，余世根，陈灿，等.大断面公路隧道围岩压力影响因素分析[J].施工技术，2013，02

[2]PEILA D. A theoretical study of reinforcement influence on the stability of a tunnel face[J]. Geotechnical and Geological Engineering， 1994，12（2）：145-168.

[3]Kotake， N Yamamoto， Y.&Oka K. Design for umbrella method based on numerical and field measurements[J].Tunnelling and Ground Conditions， 2001，15（3）： 501-508

[4]刘学增、俞文生等.《隧道稳定性评价与塌方预警》，同济大学出版社，2010：8-9

[5]李建斐.公路隧道喇叭型直接进洞技术研究[D].西安：长安大学，2010

[6]刘斌.软弱围岩隧道洞口段预加固技术研究[D].西安：长安大学，2014

作者简介：原野（1964-），男（汉族），黑龙江庆安人，高级工程师，学士学位，主要研究方向为道路桥梁隧道。endprint