【摘 要】 本文结合某海军洞库隧道工程的特点，根据隧道洞库跨度、高度的变化情况下，采用合理的施工工艺流程、施工步骤、控制要点等，确定合理的断面开挖方式，突出大断面软岩隧道开挖施工的技术特点，对隧道分部开挖施工技术进行了探讨，总结完善为隧道开挖施工提供借鉴。
　　【关键词】 大跨度隧道;软弱围岩;开挖断面确定
　　前言：
　　在大跨度隧道施工中，上部开挖是隧道施工中最为关键的工序，而上部开挖断面的确定，又是直接影响整个隧道施工进度、质量、安全以及经济效益与社会效益的重要因素。特别是在软弱围岩地质条件下，确定一个科学、合理的上部开挖断面，是有效遏制隧道塌方、减小围岩变形、提高施工生产率的关键所在。在本隧道的施工中，通过长时间认真细致地观察、分析、总结与科技攻关，经过多次反复的改进，较为科学、合理地总结出了确定大跨隧道上部开挖断面的技术，在Ⅰ、Ⅱ类围岩地质条件下，隧道上部掘进由原来的每月30～40米提高到每月60米左右，在Ⅲ、Ⅳ类围岩交替出现的情况下，施工进展一直顺利，月平均进尺在80m以上，受到建设单位现场指挥部的通报表扬。
　　一、工程概况
　　本工程地处山区，属部队军事战备工程，工程保密性和环境保护要求高，承建该工程的多个功能区。该隧道洞库跨度从7.2米-18.4米、高度6.1米-15米不等。
　　隧道围岩以Ⅳ级为主，总体工程地质条件较差，隧道岩体为水平风化石英岩和石英岩板互层，节理发育，围岩比较破碎，围岩稳定性差，地表水渗漏比较严重，被覆比较厚，节产状近水平，地质情况复杂，且采用落地直墙拱，部分功能区毛洞的跨度较大，对围岩的稳定性更加不利，断面采用钢拱架支护。
　　二、上部开挖断面确定与受力分析
　　1.上部开挖断面确定
　　在Ⅱ、Ⅲ类围岩地质，自稳能力较好的条件下，采用上部正台阶一步开挖法，其开挖断面高度确定首先应满足一台自卸汽车配以两台装载机同时装碴、卸碴作业的高度要求。以“欧曼”310自卸汽车配合两台50L装载机同时装碴为例，自卸汽车翻斗顶面距地面高度2.7m，装载机铲斗在侧翻卸料时的高度约为2.8m，加上装载机卸料要求铲斗与翻斗之间必须要有0.5m的空间，以及铲斗侧翻卸料时顶边至初期支护内弧线应保留1.0m左右的空间。因此，上部开挖高度应以7.0～8.0m为宜，如图1所示，这样，上部装碴机械操作自如，有利于提高机械作业效率。
　　图1 上部正台阶开挖断面与装碴作业示意图
　　在Ⅲ、Ⅳ类及以下围岩自稳能力较差的条件下，上部开挖可采用单侧导坑两步开挖，开挖断面一大一小，开挖顺序一前一后，但开挖高度仍以7.0～8.0m为宜。如图2所示，A断面超前开挖15～20m，其宽度10.5m，能满足一台装载机和一台汽车装运碴以及挖掘机清底的作业空间要求，待开挖B断面时，亦采用两台装载机同时装碴，此时A断面掌子面可打眼、装药，实行A、B断面平行作业，互不干扰。
　　图2 上部单侧导坑法开挖断面图
　　如果采用单侧导坑法开挖仍不能保证围岩的稳定时，还可采用双侧导坑法开挖，开挖高度仍确定为7.0～8.0m。如图3所示，两侧A断面同时超前6～8m后，再实行A、B断面的打眼放炮及初期支护的平行作业，这样A、B断面可以同时进行出碴，既保证了安全又能最大限度地提高生产效率。
　　图3 上部双侧导坑法开挖断面图
　　从以上可以看出，无论是采用正台阶法、单侧导坑法或是双侧导坑法开挖，其上部开挖平台线都应保持在同一高度，以顶部以下7.0～8.0m为宜，这样，即有利于提高机械化作业程度，更有利于三种开挖方法可随地质变化而迅速转换，从而提高施工生产的效率。
　　以往在软弱围岩地质条件隧道施工中，往往采用抬高上部开挖平台线来遏制塌方和围岩的变形，但这样做的收效几乎为零，遭受失败的教训也不乏其例，究其原因不难发现，抬高上部开挖平台线无非是想缩小开挖断面，但经计算容易看出，抬高1.0m宽度仅缩短0.446m，抬高2.0m也才缩短1.164m，所以，靠提高上部开挖平台线来遏制塌方和围岩变形显然是没有多大意义，但这样做的缺点却是显而易见。
　　2.受力分析
　　众所周知，物体间的摩擦力是由于物体间的摩擦产生的。如图4所示，当上部开挖平台线与半径r间的夹角α愈小，开挖断面呈“半月”形时，拱背与围岩间的摩擦力F就愈大，拱脚反力R2=R1-F，显然R2　　图4 近似“半月”形断面受力图
　　相反，若抬高上部开挖平台线，即α角加大，形成“亏月”形断面，如图5所示，虽开挖高度变小，有利于抵抗侧压力，但开挖宽度却无明显变化，而且初期支护变成为“悬挂式”，拱架的拱背與围岩不再产生磨擦，仅有初期支护喷射混凝土与围岩的粘结力和锚杆的“悬挂”作用，而采用此种方法开挖时，必然是围岩相当差，在这种条件下，一般长度意义的锚杆难以与围岩形成摩擦力，锚杆就会失去“悬挂”作用，初期支护的两拱脚反力就增大，R2=R1，这样极易产生下沉、开裂，引起拱背与围岩分离的现象。此外，上部开挖线抬高后，其周长与面积比明显增大，两拱脚爆破时形成巨大的夹持力，欲取得好的爆破效果，势必加大炸药用量，造成对“拱腰”围岩扰动加剧，给下部开挖“接腿”施工时就会留下安全隐患。随着上部开挖断面的逐渐抬高，经计算，其周长与面积关系和周长面积比与单位耗药量关系的曲线如图6所示，开挖爆破单位耗药量也随之增加（见表1），这无疑与经济效益也是相悖的。
　　图5 “亏月”形断面受力图
　　图6
　　表1 不同断面开挖单位耗药量表
　　断面 　　形式 简图 周长（m） 面积（m2） 周长与面积比（m/m2） 单位耗药量（Kg/m3）
　　圆心上 40.46 89.2 0.454 0.85
　　圆心上 39.25 80.92 0.485 0.89
　　圆心上 37.96 72.74 0.522 0.99
　　圆心上 36.59 68.81 0.532 1.09
　　另外，摩擦力F的产生，不但与开挖断面大小、拱背喷混凝土的质量等因素有关，更取决于初期支护拱架的刚度。如刚度不足，拱架难以抵抗围岩的压力，那么，拱背面与围岩开挖面间就会产生“脱壳”现象，摩擦力相应急剧下降，甚至消失，尽管可及时施作锚杆、小导管注浆加强初期支护，使收敛变形暂时有所减缓。但在下部开挖、“接腿”及仰拱施工时，由于初期支护支点悬空，其危险性就不言而喻了。因此，初期支护钢拱架必须具有足够的钢度，确保下部施工万无一失。
　　三、结束语
　　1、大跨度断面隧道开挖，在Ⅱ、Ⅲ类围岩地质岩性比较均质的情况下，开挖后8小时内未见大的掉块、坍塌的条件下，上部开挖可采用正台阶一步开挖法，断面高度以7.0～8.0m最为合适。不但有利于上部开挖实现机械化作业，而且有利于下部支护“接腿”时人工施作。上部台阶与下部台阶在10m范围每2～3排炮顺坡一次，以便运输车辆及机械设备通行。
　　2、在Ⅲ、Ⅳ类围岩地质岩性不均质，自稳能力差时，上部开挖宜采用单侧导坑法或双侧导坑法开挖，但上部开挖断面高度应与正台阶一步开挖法断面同高。这样，除增大初期支护拱背的摩擦力，减小拱脚支点反力外，还可提高机械化作业生产，更有利于地质变化时三种施工方法的相互快速转换。
　　3、无论采用哪种开挖法，初期支护的钢拱架或格栅都应具有足够的刚度，径向、锁脚锚杆应及时施作，特别是小导管注浆后，能有效地充填围岩受爆破震动加大的裂隙和初期支护拱背缝隙，使初期支护与围岩形成共同作用。
　　本工程在施工过程中针对不同的地质条件不同的断面，合理运用不同的开挖施工方法，有效的加快了整个隧道施工进度、提高施工质量、降低了安全风险，取得了较好的经济效益和社会效益，为后期同类隧道工程施工提供有效的帮助。
　　参考文献：
　　1、TB10204-2002铁路隧道施工规范
　　2、辜建军.超大断面隧道开挖方法[J].科技风，2010年05期
　　3、朱启光.三台阶七步法在软岩隧道应用技术探讨[J].山西建筑，2010年33期
　　作者簡介：张治国，男，出生日期：1980.7，现在职称：工程师。