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【关键词】大断面;隧道施工;稳定性;模型
【中图分类号】U452.2 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）09-0083-03
0 引言
随着我国经济的發展及现代化各项事业的不断进步，公路隧道的施工技术取得了一系列成果，为我国交通运输领域的建设和发展做了重要贡献。20世纪80年代初，我国便开始着手公路隧道施工技术的研究，包括国外先进隧道施工设备的引进等。经过近40年的不断探索，当前我国公路隧道的施工技术在国际上享有盛誉，一大批具有我国自主知识产权的公路隧道施工技术在国内外得到广泛的应用。以“中铁”“中建”等标杆公司为例，搭乘国家“一带一路”建设的高速列车，每年在国外开工建设的隧道工程越来越多，足迹遍布亚洲、非洲、拉丁美洲等地区的国家，并不断拓宽合作渠道与国际化发展、融合之路。
然而近年来，国内时有关于隧道施工质量问题的报道，例如近期央视曝光的甘肃考勒隧道，引起了业内广泛的关注，甘肃省省长亲临现场指导工作，并提出了50年内无大修的质量保证。可见，政府层面对于公路隧道施工质量问题的重视程度。在各类公路隧道的施工技术中，山区环境下的施工一般具有较大难度，这其中包括极其常见的断层、断面等地质构造，为隧道的施工带来了很大的挑战。基于此，本文着重对大断面地质条件下的公路隧道施工技术展开深入研究。
1 大断面条件隧道施工核心技术
1.1 隧道开挖技术
常见的公路隧道施工方法包括全断面法、分部开挖法及台阶法等，全断面的开发方式在隧道围岩结构较理想的情况下具有明显作用，但是需要在施工现场配备大功率的设备，而在隧道距离较长的情况下则经济性不够。施工环节少、施工交集部分影响程度小是全断面开挖的主要特点，对施工的组织、管理等较为有利，留给施工技术人员使用大型机械的空间较大且能做到一次成型，减少了对周边围岩的扰动，缩短了工期的同时也能够保证施工作业的安全性。分部开挖法在具体的工程施工中有3种可行方案，即环形开挖、单侧导坑及双侧导坑法，分部开挖方式对于施工技术人员的施工水平要求较高，施工技术人员需对隧道工程的整体状况有所掌握，对工期各节点的衔接工作的要求更为严谨，在施工现场的具体环境和工况下，应能对施工过程中所遇到的突发事件做到及时处置，对施工演练及事故预案的可行性要求较为严格。台阶法一般包括3种类型，分别是长、短台阶法和超短距离台阶法。对于长台阶法而言，一次开挖情况下的断面小于全断面方式，对于开挖面的稳定性具有一定意义，而短台阶法可在很大程度上缩短支护架构闭合时间，以改变初期支护的受力条件，对于整体上控制隧道结构形变非常有利，因此在围岩稳定性较差的隧道施工中较为常见，但是其缺点是上、下台阶在施工过程中的互扰程度较大，并且无法实现全部平行施工[1-3]。台阶法工艺流程如图1所示。
1.2 衬砌支护结构
围岩本身在隧道施工过程中具有一定的支护作用，属于隧道结构的主要受力载体，其他内部及外部架构与围岩共同组成隧道的支护体系。隧道开挖过程中一般采用初始的三维结构应力策略，尽可能地减少对隧道围岩的扰动，因此对开挖面加固防护层显得尤为必要，可有效防止围岩松动、塌方。与此同时，应允许围岩发生适度的形变，这对充分利用围岩强度具有一定作用。但值得注意的是，这类形变应进行严格控制，否则会因形变过度而造成围岩破坏，进而减弱其载荷能力并发生大范围沉降。衬砌支护结构在施工过程中一般分为两个步骤，当洞体开挖后应立即进行初期支护以防止围岩早期形变的发生，当围岩稳定之后方可进行二次衬砌，在外层衬砌足够充分后且确认围岩形变量趋于恒定后，可将内衬视作额外的安全裕度。此外，初期支护应注意柔度的把控，使得与围岩接触更为紧密，此时应通过喷射混凝土的方式进行，并结合锚杆、钢筋网进行综合支护，以承载剪应力为主[4-5]。
2 隧道形变评估模型
2.1 计算模型搭建
假设试验段隧道高度为h，结构跨度为l，侧方载荷系数为λ，纵向受力为q，水平方向压力p=λq，在受力q的作用下，其截面拉应力σ1=q/2t2，在水平方向压力p的作用下，截面正向应力σ2=-λq，因此得到支座处极限应力值为σt=σ2+σ1=q/2t2-λq，由结构参数可知，支座纵向反作用力为YA=YB=0.1ql，对拱点进行测距，得到如下稳定性公式：
YA-2XAql2=0.2λq
隧道结构稳定性计算模型如图2所示。
2.2 稳定性及安全性评估
大断面条件下的隧道施工技术种类很多，各种施工工艺在实际应用前必须事先进行具体的数值模拟量计算和分析，使隧道工程的施工具有相应的稳定性和安全性。大断面的隧道施工常通过化大为小的措施逐层、分块开挖，分阶段搭建隧道施工整体架构，当开挖轮廓具备后，应严格按照所形成的全封闭或半封闭结构进行施工，之后开挖隧道的主体结构和仰拱部分，分阶段开挖时，各施工节点应与具体的开挖顺序相对应，即围岩处于一种暂态的承载方式。施工过程中洞体结构载荷级别均在不断发生变化且支护结构内应力也在时刻发生改变，因此为保证施工的稳定性和安全性，应对隧道整体架构进行充分的论证和评估[6-8]。
对于围岩稳定性较差、距离较长及开挖工序较为烦琐的隧道施工而言，必须对围岩结构的力学参数进行反复、精确的计算，并且隧道拱顶部位应采用具有双层防护的初期支护措施，针对超大断面情况下的支护架构所承受的过大应力，应通过实际的数值和模拟方式进行论证，对受力点进行准确分析，当初期支护以及临时支护顺利进行后，开挖过程也随之在逐步深入，与围岩相互作用产生综合性受力形变。因此，在研究隧道施工过程中的稳定性和安全性时，应以施工力学关系为出发点进行严谨分析，同时结合隧道结构施工模型，当完成初次衬砌并拆除现场的临时支护后便可进行二次衬砌[9-10]。 在隧道入口处选择分层开挖方式，开挖顺序通常是自上而下，以不影响原址为目的。施工人员在施工过程中应尽量避免采用喷砂技术，开口处必须平整压实，所用机械包括装载机和推土机;施工过程中，若有硬质岩层，施工负责人必须挖爆，然后用自卸车将挖土运到指定地点。洞室开挖必须满足洞室施工要求为前提，必须有足够的水源、电力、建筑材料和机器供应。施工需要根据设计要求对边坡进行保护和开挖，确保雨水不对边坡造成过大的影响，而且施工人员需要保护边坡;采用吊网喷锚技术可以推迟周围岩石风化的时间。建造隧道前，施工人员必须根据当地地质条件和入口的美观要求，做好排水和其他工作。完成上述工作后，施工人员可进入隧道施工。开放隧道的拱形和内衬墙需要同时建造。在隧道施工过程中，排水和截流施工要有效地结合，尽可能缩短工期。隧道内和隧道外的排水设施必须结合起来，可有效地防止地表水对山坡造成侵蚀。不管是门坡还是边坡，在洞室施工之前都需要完成施工。坡度有偏差，但需控制在5%以内。应采用受控喷砂工艺准备洞口，但是不推荐采用集中充电式喷砂方法，因为这样会对上坡和边坡的稳定性造成不利的影响。开敞式隧道施工边墙基础的选择是开凿隧道施工的重要内容，因此施工人员必须慎重选择。一般情况下，侧墙基础必须满足稳定性要求。例如，工程中遇到地下水，施工人员必须绕过边墙基础，避免地下水对地基稳定性造成影响。对于底板和底板较深的，施工负责人要分析施工难度，在此基础上，通过先挖出凹坑，再构筑凹槽，从而对基坑的状况进行有效确认。挖掘边墙至设计立面后，确认开挖支撑力符合设计要求。支撑力不足时，可考虑采用沉井基础或钻孔灌注桩基进行基础加固。
3 试验验证及结果分析
本文以桂林市永福县潮水隧道的施工为例，对所提出的基于大断面条件下的公路隧道施工稳定性模型进行验证，主要对隧道拱顶位置的沉降进行分析。实验过程中采用不同开挖进尺的方式，监测开挖进尺范围对围岩形变的影响程度，进而判断围岩架构的整体稳定性。通过试验发现，初始阶段的开挖进尺范围对围岩形变的影响程度不明显，无施工规律可循，但随着开挖范围的深入，拱顶沉降程度变化明显并趋于稳定，并且不同的开挖范围所引起的岩体位移有所不同，实际開挖进尺范围对拱顶沉降的影响程度见表1所示。通过表1可知，在隧道围岩的施工过程中，应采用增加台阶数量并缩短开挖进尺范围的方式对顶部围岩进行加固，以控制拱顶的沉降量。
4 结论
本文针对大断面地质特有的结构，对该条件下的隧道施工技术进行了详细讨论，着重分析了提高隧道围岩施工稳定性和安全性的具体措施，并提出了隧道围岩形变计算与评估模型。通过工程实例进行验证，证明了本文提出的保证隧道施工稳定性和安全性模型的正确性与可行性。本文对于大断面地质条件下的公路隧道施工技术的理论研究具有通用性，工程应用前景广阔。
参 考 文 献
[1]李燕生.复杂地质条件下彭水隧道施工技术研究[D].天津：天津大学，2006.
[2]白明洲，许兆义，时静，等.复杂地质条件下浅埋暗挖地铁车站施工期地面沉降量FLAC分析[J].岩石力学与工程学报，2006，25（增2）：4254-4260.
[3]张成平，张顶立，王梦恕.浅埋暗挖隧道施工引起的地表塌陷分析及其控制[J].岩石力学与工程学报，2007，26（增2）：3601-3608.
[4]侯艳娟，张顶立，李鹏飞.北京地铁施工安全事故分析及防治对策[J].北京交通大学学报，2009，33（3）：52-59.
[5]张成平，张顶立，王梦恕，等.城市隧道施工诱发的地面塌陷灾变机制及其控制[J].岩土力学，2010，31（增1）：303-309.
[6]CHOU W I，BOBET A.Predictions of ground deformations in shallowtunnels in clay[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2002，17（1）：3-19.
[7]OSMAN A S，BOLTON M D，MAIR R J.Predicting 2D ground movements around tunnels in undrained clay[J].Geotechnique，2006，56（9）：597-604.
[8]王霆，罗富荣，刘维宁，等.地铁车站洞桩法施工对地层和刚性接头管线的影响[J].岩土力学，2011，32（8）：2533-2538.
[9]张顶立.城市地下工程建设安全风险及其控制[M].北京：化学工业出版社，2012：2-4.
[10]肖乾举.复杂地质条件下铁路隧道施工技术研究[J].科技创业月刊，2013（5）：183-185.
【中图分类号】U452.2 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）09-0083-03
0 引言
随着我国经济的發展及现代化各项事业的不断进步，公路隧道的施工技术取得了一系列成果，为我国交通运输领域的建设和发展做了重要贡献。20世纪80年代初，我国便开始着手公路隧道施工技术的研究，包括国外先进隧道施工设备的引进等。经过近40年的不断探索，当前我国公路隧道的施工技术在国际上享有盛誉，一大批具有我国自主知识产权的公路隧道施工技术在国内外得到广泛的应用。以“中铁”“中建”等标杆公司为例，搭乘国家“一带一路”建设的高速列车，每年在国外开工建设的隧道工程越来越多，足迹遍布亚洲、非洲、拉丁美洲等地区的国家，并不断拓宽合作渠道与国际化发展、融合之路。
然而近年来，国内时有关于隧道施工质量问题的报道，例如近期央视曝光的甘肃考勒隧道，引起了业内广泛的关注，甘肃省省长亲临现场指导工作，并提出了50年内无大修的质量保证。可见，政府层面对于公路隧道施工质量问题的重视程度。在各类公路隧道的施工技术中，山区环境下的施工一般具有较大难度，这其中包括极其常见的断层、断面等地质构造，为隧道的施工带来了很大的挑战。基于此，本文着重对大断面地质条件下的公路隧道施工技术展开深入研究。
1 大断面条件隧道施工核心技术
1.1 隧道开挖技术
常见的公路隧道施工方法包括全断面法、分部开挖法及台阶法等，全断面的开发方式在隧道围岩结构较理想的情况下具有明显作用，但是需要在施工现场配备大功率的设备，而在隧道距离较长的情况下则经济性不够。施工环节少、施工交集部分影响程度小是全断面开挖的主要特点，对施工的组织、管理等较为有利，留给施工技术人员使用大型机械的空间较大且能做到一次成型，减少了对周边围岩的扰动，缩短了工期的同时也能够保证施工作业的安全性。分部开挖法在具体的工程施工中有3种可行方案，即环形开挖、单侧导坑及双侧导坑法，分部开挖方式对于施工技术人员的施工水平要求较高，施工技术人员需对隧道工程的整体状况有所掌握，对工期各节点的衔接工作的要求更为严谨，在施工现场的具体环境和工况下，应能对施工过程中所遇到的突发事件做到及时处置，对施工演练及事故预案的可行性要求较为严格。台阶法一般包括3种类型，分别是长、短台阶法和超短距离台阶法。对于长台阶法而言，一次开挖情况下的断面小于全断面方式，对于开挖面的稳定性具有一定意义，而短台阶法可在很大程度上缩短支护架构闭合时间，以改变初期支护的受力条件，对于整体上控制隧道结构形变非常有利，因此在围岩稳定性较差的隧道施工中较为常见，但是其缺点是上、下台阶在施工过程中的互扰程度较大，并且无法实现全部平行施工[1-3]。台阶法工艺流程如图1所示。
1.2 衬砌支护结构
围岩本身在隧道施工过程中具有一定的支护作用，属于隧道结构的主要受力载体，其他内部及外部架构与围岩共同组成隧道的支护体系。隧道开挖过程中一般采用初始的三维结构应力策略，尽可能地减少对隧道围岩的扰动，因此对开挖面加固防护层显得尤为必要，可有效防止围岩松动、塌方。与此同时，应允许围岩发生适度的形变，这对充分利用围岩强度具有一定作用。但值得注意的是，这类形变应进行严格控制，否则会因形变过度而造成围岩破坏，进而减弱其载荷能力并发生大范围沉降。衬砌支护结构在施工过程中一般分为两个步骤，当洞体开挖后应立即进行初期支护以防止围岩早期形变的发生，当围岩稳定之后方可进行二次衬砌，在外层衬砌足够充分后且确认围岩形变量趋于恒定后，可将内衬视作额外的安全裕度。此外，初期支护应注意柔度的把控，使得与围岩接触更为紧密，此时应通过喷射混凝土的方式进行，并结合锚杆、钢筋网进行综合支护，以承载剪应力为主[4-5]。
2 隧道形变评估模型
2.1 计算模型搭建
假设试验段隧道高度为h，结构跨度为l，侧方载荷系数为λ，纵向受力为q，水平方向压力p=λq，在受力q的作用下，其截面拉应力σ1=q/2t2，在水平方向压力p的作用下，截面正向应力σ2=-λq，因此得到支座处极限应力值为σt=σ2+σ1=q/2t2-λq，由结构参数可知，支座纵向反作用力为YA=YB=0.1ql，对拱点进行测距，得到如下稳定性公式：
YA-2XAql2=0.2λq
隧道结构稳定性计算模型如图2所示。
2.2 稳定性及安全性评估
大断面条件下的隧道施工技术种类很多，各种施工工艺在实际应用前必须事先进行具体的数值模拟量计算和分析，使隧道工程的施工具有相应的稳定性和安全性。大断面的隧道施工常通过化大为小的措施逐层、分块开挖，分阶段搭建隧道施工整体架构，当开挖轮廓具备后，应严格按照所形成的全封闭或半封闭结构进行施工，之后开挖隧道的主体结构和仰拱部分，分阶段开挖时，各施工节点应与具体的开挖顺序相对应，即围岩处于一种暂态的承载方式。施工过程中洞体结构载荷级别均在不断发生变化且支护结构内应力也在时刻发生改变，因此为保证施工的稳定性和安全性，应对隧道整体架构进行充分的论证和评估[6-8]。
对于围岩稳定性较差、距离较长及开挖工序较为烦琐的隧道施工而言，必须对围岩结构的力学参数进行反复、精确的计算，并且隧道拱顶部位应采用具有双层防护的初期支护措施，针对超大断面情况下的支护架构所承受的过大应力，应通过实际的数值和模拟方式进行论证，对受力点进行准确分析，当初期支护以及临时支护顺利进行后，开挖过程也随之在逐步深入，与围岩相互作用产生综合性受力形变。因此，在研究隧道施工过程中的稳定性和安全性时，应以施工力学关系为出发点进行严谨分析，同时结合隧道结构施工模型，当完成初次衬砌并拆除现场的临时支护后便可进行二次衬砌[9-10]。 在隧道入口处选择分层开挖方式，开挖顺序通常是自上而下，以不影响原址为目的。施工人员在施工过程中应尽量避免采用喷砂技术，开口处必须平整压实，所用机械包括装载机和推土机;施工过程中，若有硬质岩层，施工负责人必须挖爆，然后用自卸车将挖土运到指定地点。洞室开挖必须满足洞室施工要求为前提，必须有足够的水源、电力、建筑材料和机器供应。施工需要根据设计要求对边坡进行保护和开挖，确保雨水不对边坡造成过大的影响，而且施工人员需要保护边坡;采用吊网喷锚技术可以推迟周围岩石风化的时间。建造隧道前，施工人员必须根据当地地质条件和入口的美观要求，做好排水和其他工作。完成上述工作后，施工人员可进入隧道施工。开放隧道的拱形和内衬墙需要同时建造。在隧道施工过程中，排水和截流施工要有效地结合，尽可能缩短工期。隧道内和隧道外的排水设施必须结合起来，可有效地防止地表水对山坡造成侵蚀。不管是门坡还是边坡，在洞室施工之前都需要完成施工。坡度有偏差，但需控制在5%以内。应采用受控喷砂工艺准备洞口，但是不推荐采用集中充电式喷砂方法，因为这样会对上坡和边坡的稳定性造成不利的影响。开敞式隧道施工边墙基础的选择是开凿隧道施工的重要内容，因此施工人员必须慎重选择。一般情况下，侧墙基础必须满足稳定性要求。例如，工程中遇到地下水，施工人员必须绕过边墙基础，避免地下水对地基稳定性造成影响。对于底板和底板较深的，施工负责人要分析施工难度，在此基础上，通过先挖出凹坑，再构筑凹槽，从而对基坑的状况进行有效确认。挖掘边墙至设计立面后，确认开挖支撑力符合设计要求。支撑力不足时，可考虑采用沉井基础或钻孔灌注桩基进行基础加固。
3 试验验证及结果分析
本文以桂林市永福县潮水隧道的施工为例，对所提出的基于大断面条件下的公路隧道施工稳定性模型进行验证，主要对隧道拱顶位置的沉降进行分析。实验过程中采用不同开挖进尺的方式，监测开挖进尺范围对围岩形变的影响程度，进而判断围岩架构的整体稳定性。通过试验发现，初始阶段的开挖进尺范围对围岩形变的影响程度不明显，无施工规律可循，但随着开挖范围的深入，拱顶沉降程度变化明显并趋于稳定，并且不同的开挖范围所引起的岩体位移有所不同，实际開挖进尺范围对拱顶沉降的影响程度见表1所示。通过表1可知，在隧道围岩的施工过程中，应采用增加台阶数量并缩短开挖进尺范围的方式对顶部围岩进行加固，以控制拱顶的沉降量。
4 结论
本文针对大断面地质特有的结构，对该条件下的隧道施工技术进行了详细讨论，着重分析了提高隧道围岩施工稳定性和安全性的具体措施，并提出了隧道围岩形变计算与评估模型。通过工程实例进行验证，证明了本文提出的保证隧道施工稳定性和安全性模型的正确性与可行性。本文对于大断面地质条件下的公路隧道施工技术的理论研究具有通用性，工程应用前景广阔。
参 考 文 献
[1]李燕生.复杂地质条件下彭水隧道施工技术研究[D].天津：天津大学，2006.
[2]白明洲，许兆义，时静，等.复杂地质条件下浅埋暗挖地铁车站施工期地面沉降量FLAC分析[J].岩石力学与工程学报，2006，25（增2）：4254-4260.
[3]张成平，张顶立，王梦恕.浅埋暗挖隧道施工引起的地表塌陷分析及其控制[J].岩石力学与工程学报，2007，26（增2）：3601-3608.
[4]侯艳娟，张顶立，李鹏飞.北京地铁施工安全事故分析及防治对策[J].北京交通大学学报，2009，33（3）：52-59.
[5]张成平，张顶立，王梦恕，等.城市隧道施工诱发的地面塌陷灾变机制及其控制[J].岩土力学，2010，31（增1）：303-309.
[6]CHOU W I，BOBET A.Predictions of ground deformations in shallowtunnels in clay[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2002，17（1）：3-19.
[7]OSMAN A S，BOLTON M D，MAIR R J.Predicting 2D ground movements around tunnels in undrained clay[J].Geotechnique，2006，56（9）：597-604.
[8]王霆，罗富荣，刘维宁，等.地铁车站洞桩法施工对地层和刚性接头管线的影响[J].岩土力学，2011，32（8）：2533-2538.
[9]张顶立.城市地下工程建设安全风险及其控制[M].北京：化学工业出版社，2012：2-4.
[10]肖乾举.复杂地质条件下铁路隧道施工技术研究[J].科技创业月刊，2013（5）：183-185.