软弱地质条件下大断面隧道工程施工方法

学号：06231277

班级：土木0608班

2009.12.21

软弱地质条件下大断面隧道工程施工方法

姓名：朱信苏   学号：06231277

摘要：在软弱地质条件下大断面隧道施工中，采用新奥法施工时，目前国内外采用的施工方法大体上可分为2种：即CRD法和双侧壁法。初期支护过量下沉是当前隧道施工中的一个突出问题，由于过量下沉引起初期支护沉陷需要换拱的情况普遍存在，下沉超过限度造成塌孔继而造成重大事故的情况也时有发生。目前使用的施工开挖方法，很难很好地解决下沉和侧向收敛问题。接连不断的隧道跨塌事故已充分证明了这一点。本文分析了软弱地质围岩隧道的一般施工技术方法，提出不同软岩特点不同地形条件针对性的施工方法并提出一种新的施工方法—— 下部导洞法，不仅可以从根本上解决初期支护下沉和收敛问题，而且施工安全、施工速度快、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：软弱地层；CRD法；双侧壁导坑法；下部导洞法； 

Abstract：Under the guiding of New Austrian Tunneling Method。there are two basic construction methods：CRD construction method and both side drift method. For large cross-section tunnels in weak strata．The excessive settlement of the primary support is a serious problem in the construction of large cross-section tunnels，which causes the projection  of the primary support structure into the tunnel clearance and thus the  replacement of the primary support structure．Because of the excessive settlement，serious collapse accidents occur one after another．For the moment，all the traditional  construction methods can not effectively solve the problem．A new tunnel excavation method ,bottom heading  method，is recommended，which can not only completely solve the problem of primary support settlement and convergence，but also can guarantee the construction safety，improve the construction speed and construction quality and reduce the constnletion cost． 

Key words：soft ground；CRD construction method；both side drift method；bottom heading method；

前言

隧道和地下工程施工，遇到软弱围岩，通常是施工组织者和技术人员感到持久压力和伤脑筋的一件事。软弱围岩隧道通常被列为重难点控制工程，对工期、安全、质量、投资均产生重大影响。如何根据工程实际拿出最佳方案，是攻克软岩隧道施工的关键和前提。尤其在大断面施工中，采用新奥法施工时， CRD法和双侧壁法的特点都是自上而下施工，实践证明这些方法都不能很好地解决下沉和侧向收敛问题。一种新的施工方法— — 下部导洞法可以从根本上解决上述问题。下部导洞法是自下而上施工，即首先在隧道开挖断面的下部采用临时支护的方法开挖一个或几个导洞，并同时做好隧道初期支护的仰拱部分，为上部拱架打下牢固的基础，在上部施工时，拱架安放在牢固的基础上，这就从根本上解决了下沉问题。下部导洞法不仅解决了下沉问题，而且施工安全、速度快、有利于提高工程质量、可以明显地降低工程造价，可以说下部导洞法是软弱地质条件下隧道施工的首选工法。

一、软岩的特点

地质特点：软岩，主要是指第四系全新、中更新、更新统的坡残积土部分。范围包括江河湖岸和池塘冲积、淤积层，人工杂填土、水田、溶洞充填物、新老黄土、风积砂等。普遍具有内磨擦角小，粘聚力弱及流滑、蠕变、膨胀、湿陷等不稳定的特点。一般南方地区软土含水量偏大，扰动易液化呈液态流动，北方地区软土含水量较小，失水后易呈固态流动，扰动易崩坍。北方地区软土浸水饱和，极易流失并很快失去承载力。

工程特性：

1.  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。

2.  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，由于承载力不足，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，施工困难，危险性大。

3. 软岩自稳时间短，一般采取化大为小，分部施工的方法，因而工序繁多，应力转换频，封闭环形成的时间长，安全与进度、进度与质量的矛盾突出。

4.软岩常处于地质变化复杂的地带，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变化调整，没有固定的模

式。

5.软岩隧道施丁风险大，常给管理者和施工人员带来极大的精神压力，施工过程对管理者、技术人员和施工队伍都是一次严峻的考验。

二、现有施工方法下沉量大的原因分析

由于下沉量大给隧道施工带来很大困难，分析造成下沉量大的原因，寻求解决问题的办法，这就显得很有意义。下面对造成下沉量大的原因进行分析：

1. 地质原因

由于地质软弱，造成下沉量大，这是一个不争的事实。由于把注意力集中在地质原因上，所以就采取加固围岩的方法解决问题。

2.施工方法方面的原因

1） 施工中造成过量下沉的各种因素分析。

分析施工方法方面造成下沉的原因，寻求在软弱地质条件下减小下沉的施工方法，这是本文要讨论的主题。目前，在软弱地质条件下大断面隧道采用新奥法施工时，其开挖及支护方法主要有2种，即CRD法和双侧壁法。

对于CRD法：

其施工工序如下图：

CRD法把整个隧道断面分成4部开挖，见图1(a)，每部又分成上下2个台阶，这样整个断面就分成8步进行开挖，见图1(b)。

当第l步开挖后，钢拱架底部是放在土上或一块小的板上，由于钢拱架底部没有一个稳固的基础，在上部荷载的作用下，拱架在不断的下沉，只有在全断面的8个工作面全部完成后，即钢拱架全断面封闭成环后，下沉才基本停止。在没有封闭成环的时间里，每个工段的钢拱架每天都在不断的下沉。而更重要的是当第1步施工完成后，在进行第2步施工时，是把第1步施工的钢拱架底部的基础挖空，然后安装第2步的钢拱架。这就使第1步的钢拱架处于悬空状态，也就使第1步的钢拱架产生了新一轮的更严重的下沉。以此类推，在全断面施工的8个工作面中，其后7个工作面在施工时都为前一个工作面造成严重的下沉。全断面分8步施工，每步的工段长度约5～7 m，从第1步开挖到第8步的封闭成环，总工段长度约4O～50m，在软弱地质条件下，每月进尺为10～20 m，以这样的进度计算，从第1步开挖到全断面封闭成环需要3个月甚至更长时间。在这漫长的时间内，累积起来的下沉量有多大是可想而知的，实际情况是最大下沉量80～90 cm。通过对下沉情况的分析，可以看出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，一旦地质软弱时，过量下沉则是不可避免的。试想在地面建好一栋楼房，又在下面挖洞，试图增加一层或两层地下室，还要保证上部结构不下沉不裂缝，这则是不可想象的事。

2) 过量下沉产生的不利影响

即使在软弱地质条件下，土壤内也同样存在摩擦力和凝聚力，在隧道开挖成洞后，在摩擦力和凝聚力的作用下，在土壤内部形成一个可以承担一定荷载的拱结构，土壤内部的拱结构和隧道的初期支护共同受力，保持稳定。土体的弹性变形量是很小的，如果初期支护过量下沉，超过了土体容许的弹性变形量，就破坏了土壤的凝聚力，也即是破坏了隧道的围岩结构，使隧道上部的围岩变成一盘散沙，全部变成荷载由初期支护单独承担，初期支护是远远承担不了的，这必将造成塌孔。因此可以这样说，过量下沉是塌孔的前兆。过量下沉严重时，造成塌孔，甚至造成重大事故；过量下沉较小时，造成初期支护侵限，需要换拱。

3) 拱架结构受力分析

隧道结构多数为圆形或由多个半径不同的圆弧段组成，这是一种科学合理的结构形式，其结构特点可以看作是数段半径不同的圆弧拱组成。在外部荷载作用下，其内力以轴向力为主，弯矩较小，然而在CRD法施工中，I部钢拱架由中隔壁支撑。在软弱地质条件下，中隔壁易发生水平位移，尤其是在进行Ⅲ部开挖时，中隔壁背后土体被挖除，中隔壁必然发生位移，这就改变了钢拱架拱结构的受力特点，使I部钢拱架中部产生大的弯矩，以致在拱架连接处被拉开裂缝，同时也产生大的下沉变形。可以说在I部施工时一直都是险象环生，抢险不断。

4) 施工质量问题

由于CRD法是自上而下的施工，且分8步进行，钢拱架各段工字钢很难准确对接，有时连接板裂开很大的口子，塞进钢筋头用电焊焊住，这就严重减小了钢拱架连接面的受力面积，大大降低了钢拱架的承载能力 j，见图2。钢拱架连接不平顺及连接面错位，都会降低钢拱架的承载能力。

 双侧壁施工法：

双侧壁施工厦门海底隧道A2标采用双侧壁法施工后发现双侧壁施工法存在2个问题：

第一、在施工两侧侧壁时，同样是分成上下2个台阶，自上而下施工，易造成下沉。

第二、在侧壁施工完成，1、2部拱架闭合后，侧壁拱架可以看作是2个竖立起来的拱结构，两个拱结构上下端部拱脚处结合在一起，跨度较大，该结构拱脚处没有很好的固定约束，在两侧水平土压力的作用下，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。根据以上情况分析，对于大断面隧道，在软弱地质条件下，采用双侧壁法施工时，侧壁中部必须增加水平支撑，否则难以保持结构稳

三、 新开挖方法—— 下部导洞开挖法

1.  施工方法

经过对CRD法施工存在的问题进行分析研究，现提出了一种新的施工方法，即下部导洞开挖法，下部导洞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. 特点分析

下部导洞开挖法施工工序：如图所示

1） 中间导洞开挖。

在原状土里开挖一个上下都为拱形的导洞，且以工字钢及挡土木板作为支护，绝大多数人认为是没有困难的。

2）中间洞形成了，两侧的导洞也便于形成。

3）上部环形开挖可行性分析。

上部环行开挖安全性不在于环形长度，而在于开挖宽度，即每一循环进尺的距离，下部导洞法施工，芯土留的多，不挖中隔壁，应该更安全。

4）初期支护拱架安全性分析。

由于影响初期支护拱架安全的因素很多，难以定量分析，影响因素有土的物理力学性质、含水量大小、回填土的厚度、施工时间长短、下沉量大小、拱架拼装质量等，定性分析属于安全，理由是：a)全拱与半拱轴力相等。把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(即先安装一半)进行比较，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。而先安装I部半拱拱架，I部拱架易产生大的弯矩。b)由于是自下而上的施工，有利于保证钢拱架的拼装质量，钢拱架安装质量提高了，承载能力也提高了。c)围岩保护好，自稳能力提高，减小了钢拱架的荷载。d)在下部导洞形成后，最有效的排除了上部土壤中的水分，改善了土的物理力学性质，也即减小了上部初期支护拱架的荷载。厦门海底隧道A2标采用双侧壁法施工的实践已证明，当两边侧壁施工完成后，中间上半部土壤中的水分得到了有效排除，土的物理力学性质得到改善，土的稳定性很好。

3. 工程质量

采用下部导洞法施工有利于提高施工质量，主要体现在以下几方面：

1）有效减小初期支护下沉量

由于首先施工了初期支护的仰拱部分，仰拱不会下沉。原因是地基与基础只有在其上面增加荷载时才会产生下沉，而仰拱在施工过程中，作用在仰拱上的荷载不是在增加，而是在减少。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

2）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，有利于钢拱架的拼接安装，保证接缝拼接严密，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，平顺光滑。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。

3） 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，做到全断面快速封闭成环，最大限度减小拱顶下沉，最有效地保护了围岩结构，提高了围岩自稳能力，减小了初期支护的荷载，提高了施工安全性。全断面封闭成环所需时间短，这是下部导洞法施工的一个极为突出的优点。④有效的排出了围岩空隙水，围岩空隙水对初期支护是很有害的，水被排除后，改善了围岩土壤的物理力学性状，减小了初期支护的荷载。

4. 施工速度

1）拱架安装快，由于是自下而上施工，拱架安装便于操作，可提高施工速度，缩短施工时间。

2） 由于首先在下部开挖了一个导洞，这就可以最有效的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。

3）省去了临时仰拱和中隔壁安装拱架、焊连接钢筋、焊钢筋网片、施作锚杆及喷混凝土的时间。因此，同样地质条件下，下部导洞法会比CRD法施工速度快。

结论

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。下部导洞法不仅可以很好的解决这一问题，而且施工安全、施工速度快、施工质量好 ，还可以明显的降低工程造价。因此，在软弱地质条件下大断面、超大断面隧道施工时，下部导洞法应是首选工法。

但在软岩隧道施工中，具体情况各有不同，施工方法的选择应以适合围岩特点，操作性强，能够确保安全，最大限度发挥机械作业和人力效率为优化原则。

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