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摘 要：江肇高速公路大王頂隧道為6車道左、右線分離式隧道。左線隧道長2200m，右線隧道長2159m，屬長隧道。原設(shè)計(jì)Ⅴ級（Ⅳ級）圍巖采用雙（單）側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖，對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，改用三臺階法開挖，以達(dá)到少擾動圍巖、早封閉、快速施工、降低工程造價(jià)和施工成本的目的，可供類似公路隧道施工參考。
關(guān)鍵詞：公路隧道；超大斷面；三臺階法；應(yīng)用
大王頂隧道屬珠江三角洲經(jīng)濟(jì)區(qū)外環(huán)公路江門至肇慶高速公路（簡稱江肇高速公路）的控制性工程。大王頂隧道位于佛山市高明區(qū)，采用雙向六車道左、右線分離式高速公路標(biāo)準(zhǔn)，大王頂左線隧道進(jìn)口樁號K41 700，出口樁號K43 900，隧道長2200m；大王頂右線隧道進(jìn)口樁號K41 725，出口樁號K43 884，隧道長2159m。該隧道最大埋深約198.77m。隧道平曲線進(jìn)口R=3800m、出口直線，進(jìn)口R=4150m、出口直線，縱面設(shè)計(jì)左線縱坡（%）/坡長（m）1.03%/2210m、-2.39%/670m，右線1.03%/2270m、-2.88%/760m。
1 緒論
1.1 本課題研究的背景
要解決的重點(diǎn)、難點(diǎn)和關(guān)鍵問題在本項(xiàng)目大王頂隧道（屬扁平、超大斷面隧道）中有如下三個問題。
第一，大王頂隧道左線出口端按原設(shè)計(jì)采用超前支護(hù)30 mФ108長管棚及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行開挖進(jìn)洞，于2008年12月30日隧道出口端左洞內(nèi)側(cè)壁上臺階開挖進(jìn)洞，至2009年1月7日，共開挖及支護(hù)9榀鋼拱架，共進(jìn)尺4.8m，平均每天進(jìn)尺0.53m。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序煩瑣，施工進(jìn)度很緩慢。如采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖無法完成省委省政府要求2010年底建成通車及難于確保按總工期完成，急需解決雙（單）側(cè)壁導(dǎo)坑法改變?yōu)槿_階法開挖施工。
第二，大王頂隧道圍巖為強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾泥巖，局部弱風(fēng)化，受地質(zhì)構(gòu)造影響較嚴(yán)重，巖體破碎，存在破碎帶，節(jié)理裂隙較發(fā)育，充填泥質(zhì)物形成軟弱夾層，開挖后出現(xiàn)掉塊，局部小塌，圍巖滴水或小股流，圍巖強(qiáng)度低自穩(wěn)能力較差；爆破后，洞渣呈碎屑狀，只有少量零星小塊。解決三臺階法適用于大王頂隧道開挖的實(shí)施方案，并在大王頂隧道各級圍巖開挖形成一套快速施工、提高工效的隧道施工新工藝成套生產(chǎn)技術(shù)。
第三，三臺階法與雙（單）側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行對比驗(yàn)證，得出結(jié)論：三臺階法在大王頂隧道（屬扁平、超大斷面隧道）施工中少擾動圍巖、早封閉、方便快速施工、降低工程造價(jià)和施工成本的經(jīng)濟(jì)效益, 更能確保工程質(zhì)量及安全的目的。
1.2 重點(diǎn)、難點(diǎn)工程及其措施
結(jié)合大王頂隧道地質(zhì)地貌及實(shí)際情況，本隧道技術(shù)重點(diǎn)、難點(diǎn)工程是大斷面隧道開挖及初期支護(hù)的施工。
措施：
（1）各級圍巖段采用三臺階法開挖。
（2）各級圍巖開挖每循環(huán)進(jìn)尺嚴(yán)格按三臺階法要求來控制。
（3）爆破采用楔形掏槽微差控制爆破技術(shù)，起爆方式采用塑料導(dǎo)爆管毫秒微差有序起爆，并根據(jù)爆破效果及時(shí)調(diào)整各種爆破參數(shù)。
（4）發(fā)揮隧道機(jī)械化施工的特色，輔之以施工中的技術(shù)創(chuàng)新及適應(yīng)于現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的新工藝、新技術(shù)相結(jié)合。
（5）施工階段應(yīng)加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，堅(jiān)持全程進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。
（6）加強(qiáng)監(jiān)控量測工作。通過對量測數(shù)據(jù)分析處理，及時(shí)調(diào)整和加強(qiáng)初期支護(hù)。
1.3 本課題主要研究內(nèi)容
為更好的保證大王頂隧道開挖安全、保證質(zhì)量及快速完成，尤其是在技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的前提下，怎樣提高隧道開挖速度，本課題結(jié)合大王頂隧道實(shí)際情況，開展了三臺階法在大王頂隧道中的應(yīng)用研究工作。采用三臺階法開挖，施工中能維護(hù)和利用圍巖的自承能力、自穩(wěn)能力，符合新奧法原理。其優(yōu)點(diǎn)是施工工序簡單、緊扣、高效、投入少（節(jié)省開挖臺車），避免了大量拆除臨時(shí)支護(hù)工作，節(jié)省了施工成本，以達(dá)到少擾動圍巖、早封閉、快速施工、降低工程造價(jià)和施工成本的目的，能確保工程質(zhì)量和安全。
主要的研究內(nèi)容如下：
（1）各級圍巖三臺階法設(shè)計(jì)研究。
（2）各級圍巖三臺階法施工研究。
（3）三臺階法與雙（單）側(cè)壁導(dǎo)坑法對比試驗(yàn)研究。
（4）三臺階法經(jīng)濟(jì)效益分析。
2 氣候、水文、地質(zhì)的情況
2.1 氣候狀況
本課題大王頂隧道所在區(qū)域?qū)倌蟻啛釒Ъ竟?jié)氣候，干濕季節(jié)明顯，春夏溫和多雨水，秋冬涼爽無嚴(yán)寒，植被四季常青。該區(qū)年平均氣溫18.8℃~22.4℃，月平均氣溫最高30.9℃，月平均氣溫最低12.9℃，極端最高氣溫42℃。年均降雨量1754.9～2215.7mm，主要集中在4~9月份，尤以6月份降水最多，常年平均雨日157天。
2.2 水文情況
大王頂隧道工程區(qū)屬西江流域，西江從路線東北部流過。最近隧道約4～10公里，西江支流主要有高明河、楊梅河。
1、地表水
隧址區(qū)地表水主要為溝谷中的流水，流量較小，受季節(jié)影響明顯。大氣降水、溝谷兩側(cè)的基巖裂隙水及谷底的泉水為其主要補(bǔ)給來源。
2、地下水
隧址區(qū)地下水分為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水兩種類型。
①松散巖類孔隙水：賦存于基巖全風(fēng)化層和部分坡積層孔隙中的潛水，水量較貧乏。
②基巖裂隙水:賦存于強(qiáng)～弱風(fēng)化砂巖的節(jié)理裂隙中，水量大小分布很不均勻，節(jié)理、裂隙發(fā)育，水量較大，反之則小。
據(jù)水質(zhì)分析報(bào)告，隧址區(qū)地下水為HCO3?CL-Na和HCO3-Na型水，PH=6.6～6.9，Mg2 =2.67～14.83mg/L，CL-=12.41～15.86mg/L，SO42-=4.84～13.08mg/L，HCO3-=21.97～152.55mg/L，侵蝕CO2=0～10.56mg/L，按《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTJ 064-98）判定：隧址區(qū)屬Ⅱ類環(huán)境類型，地下水對混凝土無腐蝕性。
3、預(yù)測最大涌水量
大王頂隧道預(yù)測最大涌水量：右線隧道為4373.88m3/d；左線隧道為4153.68m3/d。
2.3 地質(zhì)情況
2.3.1 地形地貌
大王頂隧道位于佛山高明隆起區(qū)，山巒疊嶂，溝谷發(fā)育，多呈“V”字形，山坡坡度25?~45?，山坡植被茂盛，隧道區(qū)高程27~244.00m，屬侵蝕低山地貌。隧道最大埋深約198.77m。
2.3.2 地層巖性
根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪及鉆探結(jié)果，隧址區(qū)大部分地段上部分布第四系全新統(tǒng)坡積物（Q4d1）亞粘土,局部地段分布碎石；沖溝底部分布第四系全新統(tǒng)坡洪積物（Q4d1 p1）亞粘土；基巖為泥盆系砂巖(D) 、寒武系砂巖（∈）。
2.3.3 地層構(gòu)造
隧址區(qū)位于華南褶皺系所挾持的粵中地塊，為地殼相對穩(wěn)定區(qū)。據(jù)勘察結(jié)果，隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造相對簡單，主要為砂巖中的節(jié)理裂隙。
（1）節(jié)理裂隙
此次勘察發(fā)現(xiàn)，隧址區(qū)內(nèi)砂巖節(jié)理裂隙發(fā)育。
（2）褶皺
楊梅背斜：位于K41 700～K44 200段，背斜走向?yàn)楸睎|—南西向，向北西或南東方向陡傾，傾角一般在55?～70?，核部地層為寒武系，東南翼被花崗巖侵入破壞，西北翼被斷層破壞，致使該背斜殘缺不全,該背斜構(gòu)造對隧道工程無影響。
（3）斷層
區(qū)內(nèi)主構(gòu)造線方向主要呈北東－南西方向，地層走向和主要斷裂構(gòu)造成北東－南西向。近場區(qū)主要斷裂為金雞－鶴城斷裂，對隧道工程無影響。
2.3.4 不良地層
根據(jù)鉆探及地質(zhì)調(diào)繪、物探資料，隧道區(qū)未見嚴(yán)重不良地質(zhì)現(xiàn)象。
3 各級圍巖三臺階法設(shè)計(jì)研究
大王頂隧道是江肇高速公路控制性隧道工程，為落實(shí)完成省委省政府要求江肇高速公路南段2010年底建成通車任務(wù)的目標(biāo)，必須將原設(shè)計(jì)雙（單）側(cè)壁導(dǎo)坑法變更為三臺階法開挖施工。同時(shí)，三臺階法在大斷面、軟弱圍巖開挖形成一套快速施工、提高工效的隧道施工技術(shù)，以達(dá)到少擾動圍巖、早封閉、快速施工、降低工程造價(jià)和施工成本的目的，能確保工程質(zhì)量和安全。
3.1 Ⅴ級圍巖三臺階法設(shè)計(jì)
Ⅴ級圍巖采用三臺階法開挖，主洞拱部采用Φ50mm超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)及初期支護(hù)，即安裝鋼拱架（淺埋段Ⅰ22b縱向間距60cm、深埋段Ⅰ22a縱向間距80cm），掛Φ8mm鋼筋網(wǎng)（淺埋段雙層、深埋段單層），安裝Φ25mm中空注漿錨桿、噴C25混凝土，上、中、下臺階每榀鋼拱架拱腳處增設(shè)5m鎖腳錨管兩根（Ф42?4mm鎖腳錨管）。加強(qiáng)段2洞之間加固中間巖柱采用Φ25mm中空注漿錨桿。上臺階長5m，中臺階長10m，下臺階長10～15m，仰拱至下臺階距離15～20m，2次襯砌至仰拱端頭不大于50m。上臺階高292cm，中臺階高385cm，下臺階高397cm。如下圖所示。
3.2 Ⅳ級圍巖三臺階法設(shè)計(jì)
Ⅳ級圍巖采用三臺階法開挖，主洞拱部采用Φ50mm超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)及初期支護(hù)，即安裝Ⅰ18鋼拱架（淺埋段縱向間距80cm、深埋段縱向間距100cm），掛Φ8mm鋼筋網(wǎng)，安裝Φ25mm中空注漿錨桿，噴C25混凝土，上、中、下臺階每榀鋼拱架拱腳處增設(shè)4m鎖腳錨管2根（Ф42mm?4mm鎖腳錨管）。加強(qiáng)段2洞之間加固中間巖柱采用Φ25mm中空注漿錨桿。上臺階長5m，中臺階長10m，下臺階長10～15m，仰拱至下臺階距離15～20m，2次襯砌至仰拱端頭不大于50m。上臺階高285cm，中臺階高392cm，下臺階高329cm。
如下圖所示。
3.3 Ⅲ級圍巖三臺階法設(shè)計(jì)
Ⅲ級圍巖采用三臺階法開挖，一般段主洞拱部采用初期支護(hù)，即安裝Ⅰ16鋼拱架（縱向間距100cm），安裝Φ22mm藥卷錨桿，掛Φ8mm鋼筋網(wǎng)，噴C25混凝土；加強(qiáng)段主洞拱部采用初期支護(hù)，安裝Φ25mm中空注漿錨桿，掛Φ8mm鋼筋網(wǎng)，噴C25混凝土，兩洞之間加固中間巖柱采用Φ25mm中空注漿錨桿；下臺階每榀鋼拱架拱腳處增設(shè)3.5m鎖腳錨管兩根（Ф42?4mm鎖腳錨管）。上臺階長度5m，中臺階長度10m，下臺階長度10~15m，仰拱至下臺階距離15~20m，二次襯砌至仰拱端頭不大于50m，上臺階高度為281cm，中臺階高度為388cm，下臺階高度為388cm。如下圖所示。
4 各級圍巖三臺階法施工研究
4.1 三臺階法施工工、料、機(jī)的投入
4.1.1 三臺階法施工工人配備
大王頂隧道開挖采用三臺階法施工，開挖施工配備工人如下表：
|
序號
|
施工工序名稱
|
配備人數(shù)
|
|
1
|
上臺階開挖
|
5
|
|
2
|
中臺階開挖
|
8
|
|
3
|
下臺階開挖
|
8
|
|
4
|
上臺階初支
|
4
|
|
5
|
中臺階初支
|
8
|
|
6
|
下臺階初支
|
8
|
4.1.2 三臺階法施工材料配備
大王頂隧道開挖采用三臺階法施工，開挖施工配備材料如下表：
|
序號
|
材料名稱
|
規(guī)格
|
|
1
|
鋼拱架工字鋼
|
Ⅰ22a、Ⅰ22b
Ⅰ18、Ⅰ16
|
|
2
|
中空注漿錨桿
|
Φ25mm
|
|
3
|
鎖腳錨管
|
Ф42mm?4mm
|
|
4
|
藥卷錨桿
|
Φ22mm
|
|
5
|
鋼筋網(wǎng)
|
Φ8mm
|
|
6
|
噴C25混凝土
|
C25
|
|
7
|
速凝劑
|
AC型
|
|
8
|
半加圓排水管
|
Φ100mm
|
4.1.3 三臺階法施工機(jī)械配備
大王頂隧道開挖采用三臺階法施工，開挖施工配備主要機(jī)械如下表：
|
序號
|
機(jī)械名稱
|
規(guī)格
|
|
1
|
風(fēng)壓機(jī)
|
20M3/min
|
|
2
|
挖掘機(jī)
|
卡特320C
|
|
3
|
裝載機(jī)
|
ZL50
|
|
4
|
鑿巖機(jī)
|
T28
|
|
5
|
冷彎機(jī)
|
LW-25
|
|
6
|
砼噴射機(jī)
|
GSP-D
|
4.2 Ⅴ級圍巖三臺階法施工
Ⅴ級圍巖采用三臺階法開挖具體施作過程必須嚴(yán)格控制如下幾點(diǎn)關(guān)鍵問題：①三臺階法上、中、下臺階每循環(huán)掘進(jìn)開挖宜控制在2榀以內(nèi)；②中臺階、下臺階開挖分左右兩側(cè)進(jìn)行，馬口錯開長度約5m左右；③上、中、下臺階每榀鋼拱架拱腳處增設(shè)5m鎖腳錨管兩根（Ф42?4mm鎖腳錨管）。鎖腳錨管的作用，控制鋼拱架下沉；④采用預(yù)裂爆破，控制爆破中的震動效應(yīng)；⑤洞口30m長管棚范圍內(nèi)，拱部增加Ф50超前小導(dǎo)管52根，L-5.0m，環(huán)向間距40cm，α=10～15?，與長管棚錯開間距20cm布設(shè)；⑥30m長管棚范圍外，為有效控制拱頂下沉變形，拱部設(shè)Ф50超前小導(dǎo)管環(huán)向間距40cm，L-5.0m，α=10～15?；⑦加強(qiáng)監(jiān)控量測，特別關(guān)注地表及拱頂下沉問題。如下圖所示。
Ⅴ級圍巖采用三臺階法開挖現(xiàn)場
4.3 Ⅳ級圍巖三臺階法施工
Ⅳ級圍巖采用三臺階法開挖時(shí)，施作過程中必須嚴(yán)格控制如下幾點(diǎn)：1）上、中、下臺階每循環(huán)掘進(jìn)開挖宜控制在2榀以內(nèi)；2）中臺階、下臺階開挖分左右兩側(cè)進(jìn)行，馬口錯開長度約5m；3）上、中、下臺階每榀鋼拱架拱腳處增設(shè)4m鎖腳錨管2根（Ф42mm?4mm鎖腳錨管），鎖腳錨管用于控制鋼拱架下沉；4）采取預(yù)裂爆破，控制爆破中的震動效應(yīng)；5）加強(qiáng)監(jiān)控量測，特別關(guān)注地表及拱頂下沉。
4.4 Ⅲ級圍巖三臺階法施工
Ⅲ級圍巖采用三臺階法開挖具體施作過程必須嚴(yán)格控制如下幾點(diǎn)關(guān)鍵問題：①三臺階法上、中、下臺階每循環(huán)掘進(jìn)開挖宜控制在2榀以內(nèi)；②中臺階、下臺階開挖分左右兩側(cè)進(jìn)行，馬口錯開長度約5m左右；③下臺階每榀鋼拱架拱腳處增設(shè)3.5m鎖腳錨管兩根（Ф42?4mm鎖腳錨管）。鎖腳錨管的作用，控制鋼拱架下沉；④采用預(yù)裂爆破，控制爆破中的震動效應(yīng)；⑤加強(qiáng)監(jiān)控量測，特別關(guān)注地表及拱頂下沉問題。
5 結(jié)論
大王頂隧道采用三臺階法開挖施工，比原工期提前了10個月完成，為落實(shí)完成省委省政府要求江肇高速公路南段2010年底建成通車的任務(wù)奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)，經(jīng)過論證表明三臺階法在大王頂隧道中的應(yīng)用研究是成功的。三臺階法優(yōu)點(diǎn)少擾動圍巖、早封閉、方便快速施工、降低工程造價(jià)和施工成本的經(jīng)濟(jì)效益, 更能確保工程質(zhì)量及安全的目的。對類似的圍巖和公路隧道中具有工程實(shí)踐意義。
本項(xiàng)目研究成果克服了大王頂隧道圍巖為強(qiáng)、弱風(fēng)化砂巖夾泥巖，受地質(zhì)構(gòu)造影響較嚴(yán)重，巖體呈壓碎結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙較發(fā)育，充填泥質(zhì)物形成軟弱夾層，爆破時(shí)亦掉塊，有滲水現(xiàn)象，圍巖自穩(wěn)能力相對較差，各級圍巖采用三臺階法開挖，達(dá)到快速開挖、少擾動圍巖、早封閉、能確保安全、保證質(zhì)量的新工藝成套生產(chǎn)技術(shù)。本項(xiàng)目研究的創(chuàng)新點(diǎn)重要體現(xiàn)如下三點(diǎn)：
1、三臺階法在大王頂隧道各級圍巖開挖形成一套快速施工、提高工效的隧道施工技術(shù)。
2、大王頂隧道采用三臺階法開挖，與雙（單）側(cè)壁導(dǎo)坑法相比具有較大降低工程造價(jià)和施工成本的經(jīng)濟(jì)效益成果。
3、大王頂隧道采用三臺階法開挖能確保工程安全、保證質(zhì)量。
粵公網(wǎng)安備44010602001067號