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      摘要：天恒山隧道為我國第一座嚴寒地區(qū)淺埋大跨土質隧道，其施工難度大、危險性高。在施工過程中遵循“土變我變、確保安全、優(yōu)質完成”的原則,不斷對隧道施工方案進行比選優(yōu)化,本文對施工過程中采用的微臺階法、三臺階七步開挖法和crd法施工方案的選擇和優(yōu)化進行介紹。 

關鍵詞：土質隧道施工方案優(yōu)化 

我國修建軟弱地層隧道時，多采用小斷面分部開挖法。一般ⅲ級圍巖和地下水不發(fā)育、無高地應力變形的深埋ⅳ級圍巖采用臺階法；淺埋ⅳ級圍巖或有大 變形特征的ⅳ級圍巖中采用三臺階臨時仰拱法或cd法；地下水發(fā)育和地表受建筑物影響的淺埋ⅳ級圍巖采用crd法。v級圍巖主要采用cd法、crd法和眼鏡 法。cd法、crd法、眼鏡法等工法采用上下分層和豎向分塊，有利于保證掌子面和頂、幫的穩(wěn)定性；但開挖過程中如果分部過多，分部施工將反復引起圍巖進行 應力重分布，對結構穩(wěn)定造成不利影響。而且這類工法工序復雜、施工速度較慢、造價也更高。論文以在建天恒山隧道為工程背景，對淺埋土質隧道施工方案進行了 比較和優(yōu)選，確定了天恒山隧道施工方案。 

1. 工程概況 

1.1 工程概況 

天恒山隧道位于哈爾濱市道外區(qū)民主鄉(xiāng)地界，是哈爾濱繞城公路東北段項目的重難點工程。哈爾濱繞城公路東北段的建設，使環(huán)路貫通，“一環(huán)五射”發(fā) 揮整體功能。對省會哈爾濱及其周邊地區(qū)的社會、經濟發(fā)展創(chuàng)造了良好的交通運輸環(huán)境。隧道為雙洞分離式設計,單向雙車道，單洞上行線長1660m，下行線長 1690m。建筑限界為凈寬11.5m，凈高5m，考慮本地區(qū)的特點，隧道凈空斷面為三心圓曲墻斷面（隧道凈面積a=76.782㎡）。隧道設計人行橫通 道4處，車行橫通道1處，上行線和下行線各設置一處緊急停車帶。隧道設計行車速度80km/h，路面采用單面橫坡，坡度2%，上行線和下行線縱坡為雙向人 字坡，坡度均為1.775%和-0.900%。 

1.2隧道工程地質 

隧道工作區(qū)位于松嫩中斷陷帶東南隆起區(qū)內，地層分區(qū)為松嫩平原分區(qū)，地層分布主要有白堊系（k）及第四系（q），本區(qū)缺失第三系地層。根據天恒 山隧道設計鉆孔揭露及室內土工試驗結果，隧道處巖土主要為亞粘性土，局部見砂層，地基承載力綜合評價表顯示，5-1、5-2、7-1和8-2地層為軟可塑 狀態(tài)的軟弱夾層，對隧道施工極為不利。 

1.3 氣候、水文地質特性 

本區(qū)位于北寒帶氣候區(qū),冬季長達五個月之久，春秋季節(jié)較短,年平均氣溫為5.7℃，極端最高氣溫39.1℃,極端最低氣溫－41.4℃；年平均 降雨量為523.3mm，降雨期集中在6-8月份；年平均蒸發(fā)量1507.7mm；最大凍深2.05m，地面穩(wěn)定凍結日期為11月下旬，穩(wěn)定解凍日期為翌 年4月中旬。 

隧道所處范圍地下水主要為局部上層滯水，賦存于軟可塑及軟塑壓粘土層中，鉆孔后出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，經測量計算24小時滲水量為12.2l/m2，受大氣降水補給，受季節(jié)影響，水量變化大。 

1.4 襯砌結構 

隧道采用復合式襯砌結構，初期支護以超前小導管或錨桿、鋼拱架、鋼筋網及噴射混凝土組成聯(lián)合支護體系，二次襯砌為模筑混凝土結構，初期支護與二次襯砌之間設防排水，保溫層設置于二次襯砌之外。 

2.天恒山隧道施工方案比選 

當前土質隧道的施工方法很不成熟，土質隧道建設中可供借鑒的資料、經驗有限。在施工過程中遵循“土變我變、確保安全、優(yōu)質完成”的原則，項目部 多次組織相關人員參觀學習并邀請專家對隧道施工方案進行多次論證。根據工程地質特征采用了微臺階法、三臺階七步開挖法和crd法等施工方案。 

2.1微臺階法 

微臺階法是在超前支護完成后，首先進行上部弧形導坑開挖并施作拱部初期支護，再左右錯位開挖下臺階并及時施作邊墻初期支護；適時挖除上下臺階核 心土，然后緊跟仰拱開挖和初期支護封閉成環(huán)。上下臺階每循環(huán)進尺為一榀拱架間距，仰拱每次開挖支護2榀拱架長度；上臺階長度3～5m，掌子面距仰拱初支距 離控制在12m以內，掌子面與仰拱鋼筋混凝土及仰拱回填的距離控制在15m以內。采用微臺階法施工，同一斷面上臺階開挖到仰拱初支封閉，施作時間可以控制 在10天之內，到仰拱砼澆筑，施作時間可以控制在12天之內。微臺階法施工見圖1所示，其優(yōu)缺點及適用條件如下： 

（1）由于初期支護封閉的時間短，有利于控制圍巖變形，缺點是上下斷面相距較近（下臺階與仰拱初支距離在6～7m），機械設備集中，作業(yè)時相互干擾較大（開挖時仰拱鋼筋混凝土施工無法進行），生產效率較低，施工速度較慢。 

（2）隧道標準斷面的標準段，在土體含水量較大、地基承載力較低，開挖后圍巖變形較大、自穩(wěn)能力差，易塌方，需要初期支護盡快封閉成環(huán)，仰拱及填充緊跟段采用微臺階法施工。 

2.2 三臺階七步開挖法 

三臺階七步開挖法為在隧道開挖過程中，在三個臺階上分七個工作面，以前后七個不同位置相互錯開開挖，然后分部及時支護，形成支護整體。三臺階七 步開挖施工工序示意圖見圖2所示。每臺階長度控制在3～5m，仰拱初支封閉到掌子面間距離控制在1.5倍洞徑之內，仰拱砼到掌子面間的距離嚴格控制在2倍 洞徑之內。 三臺階七步開挖法優(yōu)缺點及適用條件： 

（1）能迅速 及時地建造拱部初期支護，開挖面穩(wěn)定性較好，核心土和下部開挖是在拱部初期支護保護下進行的，施工安全性好，多作業(yè)面平行作業(yè)，工效高，循環(huán)時間短，作業(yè) 空間較微臺階法大，很大程度上加快了施工進度，單口月成洞45～50m。但由于多次開挖對土體擾動次數(shù)增加，拱頂沉降量較微臺階法施工大，累計最大可超過 5cm，當前方出現(xiàn)險情時，不利于及時封閉成環(huán)。 

（2）隧道標準斷面的標準段，土體為硬可塑狀態(tài)，具有比較好粘結性，含水量較小，地基承載力較大，成拱能力強區(qū)段采用三臺階七步開挖法。 

圖2 三臺階七步開挖施工工序示意圖 

2.3 crd法施工 

同濟大學路基與土工技術研究所對天恒山隧道土樣分析和室內模型試驗表明：軟塑夾層對隧道開挖的變形和穩(wěn)定性影響較大，其所處的位置不同對隧道的 變形影響也不同；拱頂有軟塑夾層時，土體無成拱能力；拱腰處有軟塑夾層時，上覆土的成拱高度受到影響；在標準斷面存在軟弱夾層地段，采用臺階法施工，盡管 初支拱腳采取了加固措施，但仍發(fā)生了下沉，核心土發(fā)生整體破壞，沒有自穩(wěn)能力，對穩(wěn)定掌子面不起作用，洞頂最大沉降18cm，水平最大位移3.6cm；在 跨度16.83m，高12.06m的緊急停車帶加寬段和車行橫通道口擴大斷面段，采用臺階法施工，有支護情況下，拱頂最大沉降約為30cm，在支護全斷面 封閉后，隧頂?shù)淖畲蟪两等匀怀^15cm；當采用cd法施工有軟塑夾層、大跨度段時拱腳的切入變形較大，掌子面的穩(wěn)定性較臺階法施工好，隧道施工過程中豎 向變形較小，但拱肩處變形仍然較大。 

crd法是將大斷面隧道分部分塊開挖，分部封閉成環(huán)，先開挖隧道一側的上部并施作封閉的初期支護和臨時支撐，再開挖隧道另一側的上部且施作封閉 的初期支護和臨時支撐，最后進行隧道下部的開挖支護，最終形成隧道初期支護和臨時支撐網狀封閉穩(wěn)定支護形式的隧道開挖施工方法。crd法優(yōu)缺點及適用條 件： 

（1）crd法將斷面分為四塊開挖支護，每步開挖的寬度較小，而且開挖后各個局部封閉成環(huán)時間短，每個步序受力體系完整，封閉性的初期支護承載能力大，可以很好控制早期沉降變形。但施工工序復雜，隔墻拆除困難，速度慢，成本高。