V级围岩下特大断面隧道预留核心土开挖工法设计与应用

何轩[1],田熙[2]

（1.重庆渝高科技产业（集团）股份有限公司，401122； 2.重庆市渝东检验检测有限公司，405499）

摘要：为了满足越来越多的交通和工业需要，隧道的建设规模不断扩大，出现了特大断面隧道的建设需求。V级围岩下的特大断面隧道施工难度较大，常用的单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、CRD开挖法在工期、造价、沉降、防水效果等方面均有不同程度的缺点，而预留核心土开挖工法适用的开挖断面虽不及上述三种工法开挖断面大，但在工期、防水效果、初期支护拆除量、造价等各方面均更优，结合相应辅助施工措施将预留核心土开挖工法应用于V级围岩下特大断面隧道，在节约造价、加快工期、改善防水效果、增强可操作性等方面更具优势，可提高隧道建设的经济效益与社会效益。

关键词：V级围岩，特大断面隧道，预留核心土开挖

0 引言

随着现代城市化进程不断加快，越来越多的特大断面隧道被建造出来。特大断面隧道是一种面积更大的隧道，其建设对人们的交通出行和经济发展至关重要。不同地质情况、不同隧道断面大小选择的开挖工法不同，V级围岩下的特大断面隧道，地质条件差、跨度大，隧道施工开挖方法应综合沉降大小、工期长短、防水效果好坏、造价高低等综合考量。

1 隧道断面大小划分

按国际隧道协会（ITA）定义的隧道横断面积的大小划分标准，可将隧道划分为：极小断面隧道（2～3 m2）、小断面隧道（3～10 m2）、中断面隧道（10～50 m2）、大断面隧道（50～100 m2）和特大断面隧道（大于100 m2）。其中，极小断面隧道常用于特殊用途，小断面隧道常用于人行横洞，中断面隧道常用于车行横洞，大断面隧道常用于双车道隧道，特大断面隧道常用于三车道及以上隧道。

2 特大断面隧道常用施工开挖工法

根据《公路隧道设计细则（JTG/T D70-2010）》，分离隧道（或单洞）的施工开挖方法可根据岩体稳定程度、隧道跨度等条件，采用全断面法、台阶法、分部开挖法三类方法及由其变化的开挖方法。各类隧道施工开挖方法可见表1所示【1】。

表1隧道施工开挖方法分类表

编号	施工方法		适用围岩级别
			双车道隧道	三车道隧道
1	全断面法		I~III	I~II
2	台阶法	长台阶法	III~IV	II~III
		短台阶法	IV~V	III~IV
		超短台阶法	V	IV
3	分部开挖法	台阶分部开挖法	V~VI	III~IV
		单侧壁导坑法	V~VI	IV~V
		双侧壁导坑法	—	V~VI
		CRD开挖法	V~VI	IV~VI

由表1可知，V级围岩三车道特大断面隧道常用施工开挖方法有单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、CRD开挖法，各工法特点如表2所示【2】。

表2 单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、CRD开挖工法对比表

施工 方法	示意图	特点
		结构与适用地层	沉降	工期	防水	初期支护拆除量	造价
单侧壁导坑法		地层差，跨度≤14m	较大	较短	好	小	低
双侧壁导坑法		小跨度，连续使用可扩大跨度	较大	长	差	大	高
CRD开挖法		地层差，跨度≤20m，	较小	长	好	大	高

由表2可知，上述三种施工方法均有各自的缺点，或工期长、或造价高、或沉降大、或防水效果差、或初期支护拆除量大等缺点。

3 预留核心土开挖工法

预留核心土开挖工法是指在掌子面不能自稳的不良围岩中，开挖时把掌子面中央部位留下，残留的核心土以填土的形态促使掌子面稳定的工法。通常是将开挖面分成环形拱部、上部核心及下步台阶三部分，先开挖上部导坑弧形断面留核心土平台，再开挖下部两侧边墙、中部核心土的隧道开挖方法，其主要特点如表3所示。

表3 预留核心土开挖工法特点

施工方法	示意图	特点
		结构与适用地层	沉降	工期	防水	初期支护拆除量	造价
预留核心土开挖工法		地层差，跨度≤12m	较大	较短	好	小	低

对比表2、表3可知，预留核心土开挖工法适用跨度虽不及单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、CRD开挖工法开挖断面大，常用于大断面隧道，但预留核心土开挖工法在工期、防水效果、初期支护拆除量、造价等各方面均更优。

因此，对V级围岩下特大断面隧道，若结合相应辅助施工措施对开挖工作面及其前方岩体进行预支护或预加固而采用留核心土开挖工法，将提高此类隧道建设的经济效益与社会效益。

4工程应用

（1）工程概况

重庆市中心城区某重点快速通道道路等级为城市主干道，双向六车道，项目以特长隧道为主，单幅隧道全长约5km（双幅合计约10km），标准路幅宽度段隧道内限界宽度为13.25m，内轮廓断面面积为102.2 m2，开挖面积达150 m2，属特大断面隧道。

（2）V级围岩区段地质情况

根据隧道埋深及工程地质情况，沿线部分V级围岩区段双幅隧道共约1.2km采用预留核心土开挖工法，相关段落围岩多以泥岩、砂岩为主，风化程度为强～中风化，岩体破碎，呈碎块～碎石状松散结构；岩土体富水性弱，开挖时可能存在较小量的滴水、渗水等现象；岩体自稳能力差，开挖时不及时支护或支护（处理）不当易产生较大规模的坍塌，侧壁稳定性差；BQ值范围为180~250。

（3）V级围岩区段隧道“衬砌

+支护”设计

根据位置不同，V级围岩区段隧道“衬砌+支护”按如下设计：

①.标准段V级浅埋型1衬砌段：支护方式采用Ⅰ20b型钢拱架，φ42拱部超前小导管；

②.标准段V级浅埋型2衬砌段：Ⅰ22b型钢拱架，暗挖进洞口采用φ108超前大管棚，中夹岩层采用φ25对穿砂浆锚杆；

③.标准段V级加强型衬砌段：Ⅰ22b型钢拱架，双层φ42拱部超前小导管；

（4）施工验证

本工程隧道土建部分已全线贯通，相关施工记录如下：

①.拱顶沉降：V级围岩采用预留核心土开挖工法区域拱顶沉降量为10～73mm，小于“衬砌+支护”设计预留变形量120mm。

②.施工速度：本工程V级围岩采用预留核心土开挖工法施工平均进尺为1.55m/d，而标准段VI级围岩采用单侧壁导坑法施工平均进尺为0.78m/d，标准段VI级围岩加强A、B区段采用双侧壁导坑法施工平均进尺为0.43m/d。可见，本项目预留核心土开挖工法施工速度约为单侧壁导坑法的2倍，约为双侧壁导坑法的3.6倍。

③.造价对比：本项目V级围岩采用预留核心土开挖工法区段的隧道比采用单侧壁导坑法区段的隧道造价低约30%，比采用双侧壁导坑法区段的隧道造价低约55%。

④.防水板保护：采用单侧壁、双侧壁导坑法施工时，防水层施工前，侧壁与初期支护连接处有大量的割除、找平等工作，若处理不好则会破坏防水层，影响防水效果。因此，采用预留核心土法比单侧壁、双侧壁导坑法施工防水效果好。

⑤.施工效率：本项目采用预留核心土开挖工法施工区段，能尽快形成大空间，大型开挖及支护设备可以正常操作，减少小型机具及人工作业的频次，因而施工效率更高；而采用单侧壁导坑和双侧壁导坑法区段，难以快速形成大空间，人机效率不高。

由此可见，本项目V级围岩特大断面隧道采用预留核心土开挖工法区段，提高了施工效率和开挖工作质量，降低了工程造价，提高了本项目隧道施工的经济效益与社会效益。

综上，预留核心土开挖工法同样适用并能成功应用于V级围岩特大断面隧道施工，并具有工期快、造价低、防水效果好的优点，可操作性强；若在地质情况更差的松软围岩情况下，单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、CRD开挖法安全系数相对预留核心土法要更高。

【参考文献】

【1】公路隧道设计细则，JTG/T D70-2010；

【2】丁士昭，逄宗展._全国一级建造师职业资格考试用书—市政公用工程管理与实务，中国建筑工业出版社。