CN107165640B - 隧道及地下工程自稳修建法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道及地下工程自稳修建法，本发明是充分利用围岩短暂自稳时间，发挥隧道主体结构自身的快速有效承载作用，实现隧道安全、优质、环保、快速、节约施工的新方法。通过“探索机理，精心谋计；少挖快砌、空时匹配；合理工序、优化受力；立足内因，事半功倍”等措施，实现计算围岩压力、分析围岩稳定时间、设计适当的开挖空间、限时进行有效衬砌等内因控制因素，达到自稳修建的目的，因而，使深埋暗挖工程无需超前支护、无需初期支护、减少多余耗费；浅埋暗挖工程无需管超前、严注浆；超浅埋盖挖工程无需预先打桩或修建地下连续墙临时竖向支承系统等外因辅助工序，实现隧道安全、优质、环保、快速、节约的新飞跃。

Description

隧道及地下工程自稳修建法

技术领域

本发明属于隧道及地下工程设计施工技术领域，尤其涉及一种隧道及地下工程自稳修建法。

背景技术

目前，国内外普遍采用新奥法复合衬砌或盾构法管片衬砌修建隧道。

新奥法是用加固围岩、改变外因的方法，来延长围岩稳定时间，满足隧道施工需要。因此需要设置锚杆、管棚或钢架等辅助措施，网喷射混凝土初期支护由于中间防排水层分隔，不能有效共同受力，因此，也只能起到保障施工安全的辅助措施作用。这些为防止塌方并暂时减小模筑混凝土衬砌所承受的地层压力辅助措施，使隧道工序成倍增加，施工时间增长，主体承载结构有效承载时间滞后，围岩压力增长，初期支护和二次衬砌之间有，规范指明：Ⅰ-Ⅲ级围岩二次衬砌为安全储备；Ⅳ、Ⅴ级围岩二次衬砌为承载结构；Ⅵ级围岩没有明确设计参数，以“通过试验、计算确定”模糊处理。

盾构法以控制内因为主，用盾构机围挡并加快隧道施工速度满足围岩自稳要求的方法。虽然节省了锚杆、喷混凝土、钢筋格栅、超前管棚等加固围岩措施，却需要昂贵的大型盾构机械，靠盾构机强大外壳抵抗四周来压，靠气压平衡、土压平衡、泥水平衡或复合平衡抵抗掌子面土水压力。安全性较好，但施工成本很高。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种隧道及地下工程自稳修建法，自稳修建法则以内因为依据，外因为条件，既用缩小开挖空间、优化开挖形状、利用围岩相互牵制等改变外因方法，延长围岩自稳时间，又用缩小独立承载单元、优化内因、提高有效承载速度的方法，使隧道主体有效承载时间始终小于围岩稳定时间，从而，实现了既不依靠改造外因增加辅助措施成本、又不依靠提高内因增加施工机械成本，来达到安全、优质、环保、快速、节约的隧道自稳施工的目的。

本发明提供的一种隧道及地下工程自稳修建法，包括以下步骤：

步骤a、计算围岩压力；

步骤b、根据围岩压力进行围岩稳定分析；

步骤c、地下工程挖掘和衬砌：

c1、开挖两侧导坑Ⅰ，对称修建优化复合拱墙；

c2、开挖环形导坑Ⅱ，架设活动钢拱架、修建拱部衬砌或者超浅埋筒壳平顶；

c3、开挖中间土方Ⅲ，修建地坪或预制反拱；

步骤d、按照步骤a、步骤b和步骤c的施工方法，依次向前完成对地下工程的其他各段的施工。

这样，新奥法以控制外因为主，用加固围岩改变来满足隧道施工需要，所采用的压浆、锚喷、管棚等加固围岩方法，都是针对提高围岩(外因)的承载能力、延长围岩自稳时间的措施，但对衬砌结构自身(内因)辅助工序繁多、中间防排水层费时费力带来的负面影响却缺乏深入研究，以至费力不讨好，得不偿失；

盾构法以控制内因为主，用盾构机围挡和气压平衡、泥水平衡、土压平衡原理，预制管片加快隧道施工速度来满足围岩自稳要求，却对如何利用分部开挖、拱形优化、快速填塞简单经济地围岩自稳方法缺乏考虑，因此存在埋深限制、造价较高、地面下沉或浮起、防排水质量寿命等难以保证的问题。

上述方法，各有特色，但均偏于极端。无论是偏于外因或者偏于内因都不能有效、可靠地解决隧道安全和经济问题。围岩各向异性、复杂多变、量大面广，要有效控制这个外因是很难的；光靠特大型盾构等机械，也不能很好解决短小隧道、地质水文多变的施工问题，只有内外结合，相辅相成，才能从规范判定的绝大多数围岩不能稳定走向绝大多数都能短期稳定的正确认识上来，隧道自稳施工才有坚实理论基础。

本发明自稳修建法是以内因为依据，外因为条件，内外结合，相辅相成。既通过预制快装、合理受力、全程平衡控制内因，以缩短主体工程有效承载时间；又通过缩小开挖空间、控制优化拱形、避免扰动水害改善外因，延长围岩自稳时间，使独立承载单元有效承载时间远小于围岩自稳时间，从而保障自稳施工的安全可靠，达到既节省了加固围岩、超前支护围岩、初期支护围岩等各种辅助工序或辅助措施；又无需大型盾构机械，减少耗费、提高防排水使用寿命；为地质水文多变、洞室断面变化的中、短隧道或特大断面隧道修建，开辟了一条不用大型机械，防排水可靠、适宜建筑密集繁华地区隧道修建、工厂预制化和标准通用化、简单可靠的自稳修建的新路。

步骤c2中，浅埋或深埋覆土较厚，允许按拱形衬砌修建；超浅埋覆土很薄，只能用平顶筒壳，替代起拱高度。最好以地层为支撑、模板，用盖挖法修建，先修顶盖后修墙柱；如果地面有植被、管网、建筑、构筑物或道路，不允许破坏时，就用暗挖法筒壳平顶施工解决。与修建拱部衬砌的目的一样，都是解决顶盖施工问题。

进一步地，步骤a中围岩压力计算过程为，

深浅埋分界深度，

式中下沉土柱长L，为口部至掌子面长度即施工进深，当施工完成后，L为洞室全长；如为贯通隧道，则掌子面围岩消失，则认为下沉土柱为无限长，按平面问题处理；

下沉土柱半宽α为毛洞半宽(m)；y为洞室计算高度(m)；为地层内摩擦角；

故下沉土柱宽：

n'＝2n/(1+2n)……n’，n’为进深影响系数；式中n为下沉土柱长宽比，n＝L/2α1；

γ为围岩重度；c为粘聚力；ξ为侧压力系数；为地层内摩擦角；

浅埋洞室垂直地压

式中：H为覆盖层厚度m，其余同前；

深埋洞室的垂直地压

深浅埋洞室侧压力e侧＝α1*ξ/(α1-α)；

式中：侧压力系数ξ＝μ/(1-μ)；

α1为下沉土柱半宽；

α为毛洞半宽；y为洞室计算高度；为地层内摩擦角；

深浅埋洞室底压力σ底＝e侧*ξ。

围岩压力是隧道设计施工的基础，是隧道产生变形和破坏的根本原因，也是寻找隧道病因，实现标本兼治的根本途径。现行方法是根据规范提出的经验性的侧压力系数，判断围岩压力主攻方向始终来自顶部，不知道有时围岩压力主攻方来自两侧，例如京广南线双线隧道厚达1.2～2m的衬砌，竟然开裂压碎，就是错判了围岩压力主攻方向产生的后果；所有计算围岩压力公式都简化为平面问题计算，未考虑洞室长度对围岩压力的立体影响，因此，一方面造成短进深洞室的巨大浪费；另方面又增加了围岩或初期支护的安全风险，一个洞顶覆土40m的黄土隧道，其50cm厚的初期支护坍塌，造成顶部房屋倒塌的三死五伤事故，就是规范计算围岩压力不考虑开挖长度和拱形承载的影响，还强调要等待应力释放造成的；

自稳修建法围岩压力计算方法按立体极限围岩压力理论计算，其影响因素10个，比太沙基理论、普氏理论、我国铁路、公路隧道设计规范所考虑的影响均多，经用实测塌方高度检验、实测垂直围岩压力检验、实测水平围岩压力检验、动态围岩压力检验、实测承载力检验、自建试验工程检验、他建试验工程检验、天然自稳洞室检验、用已建隧道衬砌厚度、实测变形检验共1300多个样本，相关系数达99％。

进一步地，步骤b中，当所述q_浅和q_深计算荷载小于或等于0时，可以自稳施工；

当式q_浅和q_深计算荷载大于0时，应根据此荷载、洞室尺寸、拱形及承载体物理力学参数，进行承载拱的安全校核，根据其计算安全系数初步判断围岩稳定时间；然后，将有效衬砌时间控制缩短数倍，保证自稳施工安全进行。

这样，根据外因和内因二项因素对比，进行围岩稳定分析。首先按围岩压力计算承载体的安全系数，以判断围岩自稳时间，比较自稳时间和独立承载体施工的有效承载时间，判断能否进行自稳施工。突破了现行规范依据围岩和洞室跨度的片面表象粗略分析围岩稳定的错觉，从而发挥主观能动性使自稳修建从绝对少数发展到绝对多数。围岩是外因，隧道主体结构是内因，规范单纯依据围岩级别和洞室跨度来判断稳定性，是忽视内因这个根本依据，盲目依靠外因条件的错误判定，从而导致了大量使用辅助工程措施，来改善外因条件的被动做法，忽视了内因的决定性作用，严重阻碍了安全、优质、快速的自稳施工的发展；通过安全系数与自稳修建稳定判断表，可以核对出围岩的自稳时间。

安全系数与自稳修建稳定判断表

进一步地，步骤c1中，所述复合拱墙包括条形基础、拱墙多功能预制拱片、外墙防水混凝土、拱脚现浇防水混凝土；所述条形基础设置在隧道的内壁下侧，所述外墙防水混凝土涂抹在隧道的内壁上，所述拱墙多功能预制拱片设置在外墙防水混凝土上，所述拱脚现浇防水混凝土浇筑在拱墙多功能预制拱片的上侧。

这样，对称开挖两侧小导坑，开挖宽度一般选择2-2.5m，高2.7m，开挖长度严格按计算结果控制在3m以内，导坑开挖后，立即修筑优化复合拱墙.其工作量包括开挖土方Ⅰ、修筑混凝土条形基础1，并预埋墙部抗弯竖筋、安装拱墙多功能预制拱片、铺设菱形钢筋网、浇注捣固防水混凝土五道工序。施工原则以保证当天开挖、当天完成衬砌工作量为准，既可探清前方地质水文情况，采取可靠对策，又能保障施工安全。做到当天开挖，当天完成直墙衬砌，不允许开挖后弃之不管，力求开挖后当天衬砌完毕。如果工程计划后期要向下扩展，需加设基础锁脚锚杆。第一块拱片应埋入基础内15cm，拱片间的螺栓连接、拱片与抗弯受力主筋连接可参照发明专利《双曲隧道》(申请号为CN200810176891.0)实施，拱片配筋参照实用新型专利《多功能预制拱片》(申请号为CN201010251873.1)配置。每块拱片的一个拱片锚固筋用根钢筋与相邻四块拱片的锚固筋连接牢固，形成单层菱形钢筋网，使拱片和防水混凝土紧密连成一体，既承受弯矩，又增大保护层厚度，防止钢筋锈蚀和渗漏。防水混凝土捣固密实后，即可立即有效受力。

对松软土质，为防止中间土柱塌方，应做好导坑临时支撑，防止坍塌，以保障导坑畅通和利用。

进一步地，步骤c2中，所述拱部衬砌包括拱部多功能预制拱片、拱部防水自密实混凝土；所述拱部防水自密实混凝土浇筑在环形导坑Ⅱ的内壁，所述拱部多功能预制拱片设置在拱部防水自密实混凝土的下侧，所述拱部多功能预制拱片设有所述活动钢拱架。

这样，开挖上部拱形土方Ⅱ，按计算结果严格控制，每次开挖进深1m，以能方便纵向安装1块拱片为准，下方土方不挖，作为工作平台，掌子面放坡，有利自稳。

开挖后立即安装二榀活动拱架，以控制拱片安装形状符合设计要求。在墙顶安装加强片，以利用其顶部薄肋板上部浇筑拱脚混凝土。拱脚现浇混凝土的作用是解决拱、墙变换角度问题，并为拱脚最下一块拱片提供嵌固的条件。拱脚拱片埋置深度不小于10cm，拱片内现浇混凝土放坡，将水导流入泄水孔。拱脚现浇混凝土下部布置拱脚配筋，为向外扩展安全开挖拱片创造条件。

拱脚拱片安装到位后，可两侧对称平衡同时向上安装拱片，并随时全面错缝，从上侧浇注防水混凝土，至拱顶处可从前侧浇注混凝土或者用封顶片压注混凝土。修建拱部衬砌要特别注意捣固密实，顶部难以捣固使宜填筑膨胀混凝土。拱部形成多铰拱允许有限变形，以增强弹性抗力和发挥围岩压力的压实作用。需观测拱形位移，达到规范规定位移稳定值后，可拆除挪动活动拱架。

对渗漏可在变形稳定后堵漏，无效时设置活动排水槽排水，渗漏会随时间自行减少和终止。可参见实用新型专利《隧道衬砌结构自防排水系统》(申请号为CN201220011010.1)。

进一步地，步骤c2中，对超浅埋不能成拱的洞室采用筒壳平顶盖挖法最为安全、快速、节约，当地面存在植被、道路、建筑、构筑物，不能进行盖挖，需要采用暗挖时，则用筒壳平顶结构，土方挖到筒壳平顶下缘，立即安装固定槽形钢梁，并在其上铺设挡土板，然后抽出要开挖部分的挡土板后进行挖土、每次安装一块多功能预制拱片和拉紧4根钢筋，构成菱形钢筋网，并浇注拱部防水自密实混凝土，在20～30分钟内完成；完成后槽钢梁不再拆除，作为筒壳平顶受弯加强构件。

这样，浅埋洞室由于上部覆土较薄，不能形成有效厚度的承载拱承载，可修建为暗挖平顶浅埋筒壳结构。不能按拱形承载分析其稳定性，应改用粘聚力与下沉土柱重之比，来判断每块拱片开挖后的稳定安全系数。设拱片长L＝1m、宽b＝0.30m(放宽20cm)，高h＝0.5m(包括拱片及防水混凝土总高)、粘聚力c＝5.8KPa、粘聚力折减系数Kc＝0.5、围岩重度γ＝17KN/m³、安全系数k：

根据土体重力和粘聚力平衡原理，经过数学推导。得出当安全系数k取1.05时，要求在半小时完成衬砌；k取1.2时，要求在当天完成衬砌。

每次挖衬1块拱板：k＝6*c*kc/γ＝6*5.8*0.5/17＝1.02，要求在半小时完成衬砌，包括挖、衬砌，因此应尽可能挖掘与衬砌有关的土方，无关土方先不开挖。

如果是实测施工期间的实际粘聚力是3.3KPa，粘聚力折减系数Kc＝1，故：k＝6*c*kc/γ＝6*3.3*1/17＝1.16，则按稳定分析可在1天内完成衬砌。

进一步地，步骤c3中，中间土方开挖后，为防止侧压力作用产生侧墙位移，因此，需要控制地坪一次开挖长度，开挖长度小于等于自稳长度。

这样，测定墙脚水平位移，当墙脚水平位移超过相对净空变化1％时，地坪混凝土可增设预制混凝土支撑，再浇注地坪混凝土；或者增设反拱提供足够水平推力，保持平衡；

对地下水严重、需要抗浮桩的工程或者计划后期向地下深入发展的工程，必需设置预制反拱，以利用反拱的水平推力、各层外墙与围岩粘聚力、摩擦力以及各层锁脚锚杆防止工程上浮或下沉；并为隧道向深层或四周发展创造了条件。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(一)环境效益

一是少扰民：

自稳修建法一般采用暗挖或新型盖挖法在地下施工，不存在地面打桩、地下连续墙大型机械等震动和噪音问题，对地面市民生活影响很小。

二是少占地：

自稳修建法无需放坡、水沟，外墙防水施工空间和大部临时设施所需增加的占地面积，可缩小占用地面面积50％以上。

三是畅交通：

对超浅埋地铁车站、地下车库、地下综合管廊施工，自稳修建法先浇注主体顶盖，后施工墙柱、底板，且不受冬季、雨天等气候影响，加上构件工厂预制，简化工序，节省了现场施工时间，可将恢复地面交通时间提前2/3以上，如大开挖地铁车站恢复地面交通需要一年半以上，自稳法修建只需3～5个月。

四是利市容：

自稳修建法土方一次到位，没有二次搬运，不存在街道两侧预留回填土问题，也不存在衬砌围挡占地不用问题，减少了对市容、市民生活和商店营业的影响。

(二)社会效益

一是保安全：

由于缩小控制开挖空间和开挖暴露时间，荷载减小，承载力增大，随挖随砌，步步为营，可以做到在围岩稳定期间完成承载单元有效衬砌，不存在大面积施工塌方危险和排桩整体失稳影响周边建筑或构筑物安全问题。

施工面小，渗流亦小，通过自排渗水或带水平衡水下混凝土灌注方法施工，不存在深井降水引起周边建筑下沉变形的危险。

二是保质量：

优化拱轴发挥了混凝土抗压优势，裂缝问题得到有效解决。自密实防水混凝土可控分层直接浇注捣固和利用地层压力压实作用，修建中随时接受实际水压检查，显著提高主体工程质量和防水质量。

可见、多变大容量排水系统，可随着地下水变化更新排水系统，保障隧道长期无洞内渗漏，而且，由于任意拱片都可以改造为排水管，其总体排水容量大，可以应对各种灾害性暴雨的排除，有利于地铁全天候运行。

三是保工期：

虽然自稳修建法施工，不能使用大型土方机械施工，目前小型机械或机器人工作尚未列入议事日程，单个工作面进展速度较慢，但可以按需增加工作面，实行并行流水作业。例如一个隧道设4个竖井、8个工作面，日进16m。加上工期基本不受季节、气候、日夜等影响，避免了坍塌、水毁事故耽误的时间，特别是利用预制件快速施工，步步为营，日有所进的预定工期可靠性较高，工程形象进度得到保障，预定工期可以得到保证。

(三)经济效益

一是施工节约：

自稳施工节省了大量为保障施工安全和周边安全的工作量，以Ⅵ级围岩某地下大厅为例，该大厅原设计净跨7.8m、毛跨9m、洞长12m，由国家甲级资质的西北综合勘察设计研究院于2015年11月出图5张，鉴于规范规定：Ⅵ级围岩无自稳能力，没有明确其设计参考参数，需要通过试验、计算确定；设计单位参照Ⅴ级围岩加强支护出图，但对埋深约50m的松软土层，三面设置4m长的系统锚杆，占用地下空间高度超过10m，占用地下空间宽度17m，试锚塌落碎土显著，对松软湿陷性黄土中设置锚杆难起作用；同时，已建口部很小、大型施工机械不能进入，无法进行施工，在停工8个月后，会诊会议决定采用自稳修建法解决上述难题。

2016年7月，设计院根据自稳修建法计算结果，再次出图1张，取消原设计系统锚杆、超前管棚、网喷混凝土、钢架等超前支护和初期支护设计，一方面控制开挖空间和形状，减小围岩压力，增长围岩自稳时间；另一方面，预制多功能预制拱片，由平面受力改变为立体受力，缩短承载单元有效承载时间，以保证有效承载时间远小于围岩自稳时间，实现了全断面安全自稳施工；同时还将净跨由7.8m扩大到10m，毛跨为11m，满足了大厅全部功能的需要。

该工程采用自稳修建法由本专利系统软件进行计算，由初次接触此技术的西北综合勘察设计研究院重新出图，由资质较低、从未进行过自稳施工的兰州银强科技建筑工程公司进行施工，经过半天技术交底和专人指导，仅用二个月时间，就安全完成了地下指挥大厅的主体结构施工任务。可见，自稳修建法是易于掌握和推广的新技术，也是安全性高、可以复制的科技成果。

以Ⅵ级围岩某10m净跨地下大厅为例，主体衬砌由原60cm(c30网喷混凝土20cm+c35钢筋混凝土40cm)，改变为50cm(6cm厚、拱高20cm的c25钢筋混凝土永久模板+30cm素混凝土组合衬砌)，主体衬砌厚度减薄45％。取消了系统锚杆和超前导管管棚二项超前支护、网喷混凝土初期支护和中间盲管排水系统和柔性防水层，使主体结构施工工序由7道减少到2道，工序减少71％，相应材料、机械、人工大量节省。

二是设计节约：

由于采用自稳修建法施工，所有为防止塌方、保障施工安全的辅助措施全部取消；由于破解了围岩承载拱的拱形和承载厚度，衬砌设计拱形与围岩承载拱密切配合，做到真正共同受力，仅需对围岩承载拱的承载裂隙部分进行压浆加固处理，就增加了一倍的安全储备。按照现行规范，以常用的两车道隧道复合式衬砌设计参数为例，平均节约衬砌工程量30％以上，节约总工程量50％以上。同理，三车道、四车道也能获得同样或更优的效果。

双车道公路隧道用新奥法和自稳法设计参数比较

自稳法实际节约效果

三是社会节约：

自稳修建法无论浅埋或深埋，都可用暗挖或盖挖施工完成，大大减少了噪音、扬尘对地面污染。既不存在打桩、大型机械地面施工的噪音污染；也没有泥水盾构、地下连续墙的泥水污染；还可避免回填土方堆积造成的市容视觉污染和生产、生活的影响。

没有锚杆、管棚破坏邻近地下绿化或施工环境问题。没有打桩、地下连续墙占用地面、地下空间，临时占用影响长远发展问题。由于仅从竖井吊运渣土，土方不落地，仅仅需要小面积短时间围挡当天要施工的地面或者不围挡地面，对解决地面交通拥堵、方便市民出行、减少交通绕行，保障沿线单位生产、生活正常进行效果显著。

自稳修建法可以自由向四周或者向更深的地下扩展，有利于深层地下空间的充分利用，对于高层建筑、地下车库、地下综合管廊的后期发展具有重大潜能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明的设计施工方法流程框图；

图2为地下工程的施工方案图；

图3为导坑修建隧道外墙示意图；

图4为导坑修建隧道外墙另一示意图；

图5为环形导坑架设活动钢拱架修建拱部衬砌示意图；

图6为环形导坑架设活动钢拱架修建拱部衬砌另一示意图；

图7为浅埋筒壳平顶修建示意图；

图8为浅埋筒壳平顶修建另一示意图。

图9为开挖中间土方，修建地坪和反拱示意图；

图中：1-基础；101-基础钢筋；102-基础锁脚锚杆；2-拱墙多功能预制拱片；201-拱片内部配筋；202-拱片锚固筋；3-外墙防水混凝土；301-墙部抗弯竖筋；302-菱形钢筋网；4-拱脚现浇防水混凝土；401-拱脚配筋；402-拱脚泄水孔；5-活动钢拱架；501-固定槽形钢梁；502-挡土板；6-拱部多功能预制拱片；7-拱部防水自密实混凝土；701-拱部菱形钢筋网；8-预制反拱；9-混凝土地坪

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供的一种隧道及地下工程自稳修建法，包括以下步骤：

步骤a、计算围岩压力；

步骤b、根据围岩压力进行围岩稳定分析；

步骤c、地下工程挖掘和衬砌：

c1、开挖两侧导坑Ⅰ，对称修建优化复合拱墙；

c2、开挖环形导坑Ⅱ，架设活动钢拱架、修建拱部衬砌或者超浅埋筒壳平顶；

c3、开挖中间土方Ⅲ，修建地坪9或预制反拱8；

步骤d、按照步骤a、步骤b和步骤c的施工方法，依次向前完成对地下工程的其他各段的施工。

新奥法以控制外因为主，用加固围岩改变来满足隧道施工需要，所采用的压浆、锚喷、管棚等加固围岩方法，都是针对提高围岩(外因)的承载能力、延长围岩自稳时间的措施，但对衬砌结构自身(内因)辅助工序繁多、中间防排水层费时费力带来的负面影响却缺乏深入研究，以至费力不讨好，得不偿失；

盾构法以控制内因为主，用盾构机围挡和气压平衡、泥水平衡、土压平衡原理，预制管片加快隧道施工速度来满足围岩自稳要求，却对如何利用分部开挖、拱形优化、快速填塞简单经济地围岩自稳方法缺乏考虑，因此存在埋深限制、造价较高、地面下沉或浮起、防排水质量寿命等难以保证的问题。

上述方法，各有特色，但均偏于极端。无论是偏于外因或者偏于内因都不能有效、可靠地解决隧道安全和经济问题。围岩各向异性、复杂多变、量大面广，要有效控制这个外因是很难的；光靠特大型盾构等机械，也不能很好解决短小隧道、地质水文多变的施工问题，只有内外结合，相辅相成，才能从规范判定的绝大多数围岩不能稳定走向绝大多数都能短期稳定的正确认识上来，隧道自稳施工才有坚实理论基础。

本发明自稳修建法是以内因为依据，外因为条件，内外结合，相辅相成。既通过预制快装、合理受力、全程平衡控制内因，以缩短主体工程有效承载时间；又通过缩小开挖空间、控制优化拱形、避免扰动水害改善外因，延长围岩自稳时间，使独立承载单元有效承载时间远小于围岩自稳时间，从而保障自稳施工的安全可靠，达到既节省了加固围岩、超前支护围岩、初期支护围岩等各种辅助工序或辅助措施；又无需大型盾构机械，减少耗费、提高防排水使用寿命；为地质水文多变、洞室断面变化的中、短隧道或特大断面隧道修建，开辟了一条不用大型机械，防排水可靠、适宜建筑密集繁华地区隧道修建、工厂预制化和标准通用化、简单可靠的自稳修建的新路。

步骤c2中，浅埋或深埋覆土较厚，允许按拱形衬砌修建；超浅埋覆土很薄，只能用平顶筒壳，替代起拱高度。最好以地层为支撑、模板，用盖挖法修建，先修顶盖后修墙柱；如果地面有植被、管网、建筑、构筑物或道路，不允许破坏时，就用暗挖法筒壳平顶施工解决。与修建拱部衬砌的目的一样，都是解决顶盖施工问题。

其中，步骤a中围岩压力计算过程为，

深浅埋分界深度，

式中下沉土柱长L，为口部至掌子面长度即施工进深，当施工完成后，L为洞室全长；如为贯通隧道，则掌子面围岩消失，则认为下沉土柱为无限长，按平面问题处理；

下沉土柱半宽α为毛洞半宽(m)；y为洞室计算高度(m)；为地层内摩擦角；

故下沉土柱宽：

n'＝2n/(1+2n)……n’，n’为进深影响系数；式中n为下沉土柱长宽比，n＝L/2α1；

γ为围岩重度；c为粘聚力；ξ为侧压力系数；为地层内摩擦角；

浅埋洞室垂直地压

式中：H为覆盖层厚度m，其余同前；

深埋洞室的垂直地压

深浅埋洞室侧压力e侧＝α1*ξ/(α1-α)；

式中：侧压力系数ξ＝μ/(1-μ)；

α1为下沉土柱半宽；

α为毛洞半宽；y为洞室计算高度；为地层内摩擦角；

深浅埋洞室底压力σ底＝e侧*ξ。

现行方法是根据规范提出的经验性的侧压力系数，判断围岩压力主攻方向始终来自顶部，不知道有时围岩压力主攻方来自两侧，例如京广南线双线隧道厚达1.2～2m的衬砌，竟然开裂压碎，就是错判了围岩压力主攻方向产生的后果；所有计算围岩压力公式都简化为平面问题计算，未考虑洞室长度对围岩压力的立体影响，因此，一方面造成短进深洞室的巨大浪费；另方面又增加了围岩或初期支护的安全风险，一个洞顶覆土40m的黄土隧道，其50cm厚的初期支护坍塌，造成顶部房屋倒塌的三死五伤事故，就是规范计算围岩压力不考虑开挖长度和拱形承载的影响，还强调要等待应力释放造成的；

自稳修建法围岩压力计算方法按立体极限围岩压力理论计算，其影响因素10个，比太沙基理论、普氏理论、我国铁路、公路隧道设计规范所考虑的影响均多，经用实测塌方高度检验、实测垂直围岩压力检验、实测水平围岩压力检验、动态围岩压力检验、实测承载力检验、自建试验工程检验、他建试验工程检验、天然自稳洞室检验、用已建隧道衬砌厚度、实测变形检验共1300多个样本，相关系数达99％。

步骤b中，当所述q_浅和q_深计算荷载小于或等于0时，可以自稳施工；

当式q_浅和q_深计算荷载大于0时，应根据此荷载、洞室尺寸、拱形及承载体物理力学参数，进行承载拱的安全校核，根据其计算安全系数初步判断围岩稳定时间；然后，将有效衬砌时间控制缩短数倍，保证自稳施工安全进行。

根据外因和内因二项因素对比，进行围岩稳定分析。首先按围岩压力计算承载体的安全系数，以判断围岩自稳时间，比较自稳时间和独立承载体施工的有效承载时间，判断能否进行自稳施工。突破了现行规范依据围岩和洞室跨度的片面表象粗略分析围岩稳定的错觉，从而发挥主观能动性使自稳修建从绝对少数发展到绝对多数。围岩是外因，隧道主体结构是内因，规范单纯依据围岩级别和洞室跨度来判断稳定性，是忽视内因这个根本依据，盲目依靠外因条件的错误判定，从而导致了大量使用辅助工程措施，来改善外因条件的被动做法，忽视了内因的决定性作用，严重阻碍了安全、优质、快速的自稳施工的发展；通过安全系数与自稳修建稳定判断表，可以核对出围岩的自稳时间。

安全系数与自稳修建稳定判断表

步骤c1中，所述复合拱墙包括条形基础1、拱墙多功能预制拱片2、外墙防水混凝土3、拱脚现浇防水混凝土4；所述土条形基础1设置在隧道的内壁下侧，所述外墙防水混凝土3涂抹在隧道的内壁上，所述拱墙多功能预制拱片2设置在外墙防水混凝土3上，所述拱脚现浇防水混凝土4浇筑在拱墙多功能预制拱片2的上侧。

如图2所示，图2为为地下工程的施工方案图；

本实施例为Ⅵ级围岩地下大厅,原设计参照规范复合式衬砌设计，因土质松、口部小，洞室跨度大，无法施工，后改用自稳修建法，反而将净跨7.8m，扩大到10m，加宽28％；净高5.45m，提高到5.8m，升高6.4％，使净空面积由32.88m²扩大到48.18m²，增加使用面积31.8％。但是由于衬砌厚度减薄，开挖土方面积反而由69.83m²降至66.48m²，减少了开挖土方4.8％；由于复合式衬砌要向三侧各伸出4m长的系统锚杆，占用地下空间面积由178m²，猛降至66.5m²，仅为原占用地下面积的37.3％，大大提高了地下空间利用率。

荷载及围岩稳定分析按隧道及地下洞室智能优化系统升级版《围岩稳定及隧道设计施工实用系统》分析。进入程序[围岩压力]计算界面，在黄色单元格内输入洞室埋深、毛洞跨度、毛洞计算高度、毛洞长度、围岩内摩擦角、粘聚力、重度、侧压力系数或泊桑比、粘聚力折减系数等有关数据后，单击[荷载计算]按钮，即可得出荷载曲线和荷载数值表。计算结果表明：当全断面开挖时，承载长度为1m时无荷载，也就是说保持现有状态(防止震动、扰动、地下水侵蚀等)每次进尺控制进尺1m并及时有效支护，可以实现全断面自稳施工。

单击[双优化衬砌]按钮,程序自动进入组合衬砌计算界面,单击[自动计算]按钮,程序自动选择优化拱形(第一弧段半径5.783m、第一弧段半圆心角0.77弧度即44.14°、第二弧段半径5.381m),得出最大偏心距0.54cm,最小安全系数2.54,衬砌厚度17cm,即可满足长期安全要求。但预制拱片总高度是20cm(包括6cm拱片厚及14cm空间厚)，现浇防水混凝土保护层防水及菱形钢筋网302要求最小厚度10cm，故按总厚度30cm(拱片20cm，防水混凝土10cm施工，每进米混凝土量3.88立方米,土方56.46立方米。

由于洞室长度很短，荷载小，为了方便使用，拟改用直墙拱形，设计直斜墙高度改为2.5m,将轴线矢高改为3.75m后,拱形选择改为单心园,单击[计算自定义拱形]按钮,得出第一弧段半径5.98m、第一弧段半圆心角68.57°。单击[内力计算]按钮，得出当衬砌厚度17cm时，计算安全系数0.47,不合要求,将优化选择改为”单优化”,并在调用荷载栏将“贯通隧道极限荷载”改为“不贯通隧道极限荷载”，再单击[内力计算],衬砌厚度自动变成43cm，最大偏心距12.2cm,最小安全系数3.1,可满足长期安全要求。每进米混凝土量8.3立方米,土方62.56立方米。设计单位增加了拱片空间高度14cm的一半，按50cm厚度施工，仍比原按规范参数设计总衬砌厚度60cm,仍然薄20％。

单击[进行净空校核]，进入施工图界面；单击[施工详图]按钮，进入施工详图界面，选择[工程量计算]菜单，输入洞室总长度和加强段长度，单击[计算工程量]按钮，立即得出所需8种钢筋的略图、直径、长度、根数、总长度、总重量。预制优化拱片、预制混凝土、泵送或现浇防水混凝土、钢材、木材、土石方的正常段、加强段和总工程量。

地下大厅施工方案分三步进行。大跨度地下洞室施工，在具备大型开挖、衬砌机械条件，又能保障全断面施工安全时，可选全断施工。但本工程口部很小，大型机械无法进入，且施工口部地平与大跨度洞室地平同高，因此，按照远交近攻、步步为营、进出方便原则选择，第一步开挖两侧2.5m导坑Ⅰ,对称修建外墙(包括基础1、拱墙多功能预制拱片2、防水混凝土、拱脚现浇防水混凝土4)；第二步开挖环形导坑Ⅱ架设活动钢拱架5修建拱部衬砌(包括活动钢拱架5、拱部多功能预制拱片6、拱部防水自密实混凝土7)；第三步：开挖中间土方Ⅲ,修建地坪9或预制反拱8。

如图3和图4所示，对称开挖两侧小导坑，开挖宽度一般选择2-2.5m，高2.7m，开挖长度严格按计算结果控制在3m以内，导坑开挖后，立即修筑优化复合拱墙.其工作量包括开挖土方Ⅰ、修筑混凝土条形基础1，并预埋、基础钢筋101、墙部抗弯竖筋301，安装拱墙多功能预制拱片2、铺设菱形钢筋网302、浇注捣固防水混凝土五道工序。施工原则以保证当天开挖、当天完成衬砌工作量为准，既可探清前方地质水文情况，采取可靠对策，又能保障施工安全。做到当天开挖，当天完成直墙衬砌，不允许开挖后弃之不管，力求开挖后当天衬砌完毕。如果工程计划后期要向下扩展，需加设基础锁脚锚杆102。第一块拱片应埋入基础1内15cm，拱片间的螺栓连接、拱片与抗弯受力主筋连接可参照发明专利《双曲隧道》(申请号为CN200810176891.0)实施，拱片配筋201参照实用新型专利《多功能预制拱片》(申请号为CN201010251873.1)配置。每块拱片的一个拱片锚固筋202用根钢筋与相邻四块拱片的锚固筋连接牢固，形成单层菱形钢筋网302，使拱片和防水混凝土紧密连成一体，既承受弯矩，又增大保护层厚度，防止钢筋锈蚀和渗漏。防水混凝土捣固密实后，即可立即有效受力。

隧道外墙修建方法，可参照发明专利《预制拱片、支护与主体结构结合的优化复合拱墙》和《利用优化复合预制拱墙作外墙的地下室》进行，但本发明用围岩压力理论和围岩稳定分析方法，立足量变到质变规律，科学确定了导坑开挖尺寸和完成时间，这种短期暴露小空间的时空双控方法，可以确保施工和周边建筑构造物安全。即使遇到外界天地人的不良影响，退后一步就可到达拱片保护的安全地带，塌方长度1m左右，不致造成周边重大影响。是一种完全可以信赖的安全施工方法。

对松软土质，为防止中间土柱塌方，应做好导坑临时支撑，防止坍塌，以保障导坑畅通和利用。

如图5至图6所示，步骤c2中，所述拱部衬砌包括拱部多功能预制拱片6、拱部防水自密实混凝土7；所述拱部防水自密实混凝土7浇筑在环形导坑Ⅱ的内壁，所述拱部多功能预制拱片6设置在拱部防水自密实混凝土7的下侧，所述拱部多功能预制拱片6设有所述活动钢拱架5。

开挖上部拱形土方Ⅱ，按计算结果严格控制，每次开挖进深1m，以能方便纵向安装1块拱片为准，下方土方不挖，作为工作平台，掌子面放坡，有利自稳。

开挖后立即安装二榀活动拱架，以控制拱片安装形状符合设计要求。在墙顶安装加强片，以利用其顶部薄肋板上部浇筑拱脚混凝土。拱脚现浇混凝土的作用是解决拱、墙变换角度问题，并为拱脚最下一块拱片提供嵌固的条件。拱脚拱片埋置深度不小于10cm，拱片内现浇混凝土放坡，将水导流入拱脚泄水孔401。拱脚现浇混凝土下部布置拱脚配筋401，为向外扩展安全开挖拱片创造条件。

拱脚拱片安装到位后，可两侧对称平衡同时向上安装拱片，并随时全面错缝，从上侧浇注防水混凝土，至拱顶处可从前侧浇注混凝土或者用封顶片压注混凝土。修建拱部衬砌要特别注意捣固密实，顶部难以捣固使宜填筑膨胀混凝土。拱部形成多铰拱允许有限变形，以增强弹性抗力和发挥围岩压力的压实作用。需观测拱形位移，达到规范规定位移稳定值后，可拆除挪动活动拱架。

对渗漏可在变形稳定后堵漏，无效时设置活动排水槽排水，渗漏会随时间自行减少和终止。可参见实用新型专利《隧道衬砌结构自防排水系统》(申请号为CN201220011010.1)。

如图7和图8所示，步骤c4中，土方挖到筒壳平顶下缘，快速安装固定槽形钢梁501，并在其上铺设挡土板502，然后抽出要开挖部分的挡土板502后进行挖土、安装拱部多功能预制拱片6和拱部菱形钢筋网701，浇注拱部防水自密实混凝土7，完成后槽钢梁不再拆除，作为筒壳平顶受弯加强构件。

浅埋洞室由于上部覆土较薄，不能形成有效厚度的承载拱承载，可修建为暗挖平顶浅埋筒壳结构。不能按拱形承载分析其稳定性，应改用粘聚力与下沉土柱重之比，来判断每块拱片开挖后的稳定安全系数。设拱片长L＝1m、宽b＝0.30m(放宽20cm)，高h＝0.5m(包括拱片及防水混凝土总高)、粘聚力c＝5.8KPa、粘聚力折减系数Kc＝0.5、围岩重度γ＝17KN/m³、安全系数k：

根据土体重力和粘聚力平衡原理，经过数学推导。得出当安全系数k取1.05时，要求在半小时完成衬砌；k取1.2时，要求在当天完成衬砌。

每次挖衬1块拱板：k＝6*c*kc/γ＝6*5.8*0.5/17＝1.02，要求在半小时完成衬砌，包括挖、衬砌，因此应尽可能挖掘与衬砌有关的土方，无关土方先不开挖。

如图9所示，步骤c3中，中间土方开挖后，为防止侧压力作用产生侧墙位移，因此，需要控制地坪9一次开挖长度，开挖长度小于等于自稳长度。

测定墙脚水平位移,当墙脚水平位移超过相对净空变化1％时，地坪9混凝土可增设预制混凝土支撑，再浇注地坪9混凝土；或者增设反拱提供足够水平推力,保持平衡；

对地下水严重、需要抗浮桩的工程或者计划后期向地下深入发展的工程，必需设置预制反拱8，以利用反拱的水平推力、各层外墙与围岩粘聚力、摩擦力以及各层锁脚锚杆防止工程上浮或下沉；并为隧道向深层或四周发展创造了条件。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (6)

1.一种隧道及地下工程自稳修建法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a、计算围岩压力；

步骤b、根据围岩压力进行围岩稳定分析；

步骤c、地下工程挖掘和衬砌：

c1、开挖两侧导坑Ⅰ，对称修建优化复合拱墙；

c2、开挖环形导坑Ⅱ，架设活动钢拱架、修建拱部衬砌或者超浅埋筒壳平顶；

c3、开挖中间土方Ⅲ，修建地坪或预制反拱；

步骤d、按照步骤a、步骤b和步骤c的施工方法，依次向前完成对地下工程的其他各段的施工；

步骤a中围岩压力计算过程为，

深浅埋分界深度，

式中下沉土柱长L，为口部至掌子面长度即施工进深，当施工完成后，L为洞室全长；如为贯通隧道，则掌子面围岩消失，则认为下沉土柱为无限长，按平面问题处理；

下沉土柱半宽α为毛洞半宽(m)；y为洞室计算高度(m)；为地层内摩擦角；

故下沉土柱宽：

n'＝2n/(1+2n)……n’，n’为进深影响系数；式中n为下沉土柱长宽比，n＝L/2α1；

γ为围岩重度；c为粘聚力；ξ为侧压力系数；为地层内摩擦角；

浅埋洞室垂直地压

式中：H为覆盖层厚度m，其余同前；

深埋洞室的垂直地压

深浅埋洞室侧压力e侧＝α1*ξ/(α1-α)；

式中：侧压力系数ξ＝μ/(1-μ)；

α1为下沉土柱半宽；

α为毛洞半宽；y为洞室计算高度；为地层内摩擦角；

深浅埋洞室底压力σ底＝e侧*ξ。

2.根据权利要求1所述的一种隧道及地下工程自稳修建法，其特征在于：步骤b中，当所述q_浅和q_深计算荷载小于或等于0时，可以自稳施工；

当式q_浅和q_深计算荷载大于0时，应根据此荷载、洞室尺寸、拱形及承载体物理力学参数，进行承载拱的安全校核，根据其计算安全系数初步判断围岩稳定时间；然后，将有效衬砌时间控制缩短数倍，保证自稳施工安全进行。

3.根据权利要求1所述的一种隧道及地下工程自稳修建法，其特征在于：步骤c1中，所述复合拱墙包括条形基础、拱墙多功能预制拱片、外墙防水混凝土、拱脚现浇防水混凝土；所述条形基础设置在隧道的内壁下侧，所述外墙防水混凝土涂抹在隧道的内壁上，所述拱墙多功能预制拱片设置在外墙防水混凝土上，所述拱脚现浇防水混凝土浇筑在拱墙多功能预制拱片的上侧。

4.根据权利要求3所述的一种隧道及地下工程自稳修建法，其特征在于：步骤c2中，所述拱部衬砌包括拱部多功能预制拱片、拱部防水自密实混凝土；所述拱部防水自密实混凝土浇筑在环形导坑Ⅱ的内壁，所述拱部多功能预制拱片设置在拱部防水自密实混凝土的下侧，所述拱部多功能预制拱片设有所述活动钢拱架。

5.根据权利要求4所述的一种隧道及地下工程自稳修建法，其特征在于：步骤c2中，对超浅埋不能成拱的洞室采用筒壳平顶盖挖法最为安全、快速、节约，当地面存在植被、道路、建筑、构筑物，不能进行盖挖，需要采用暗挖时，则用筒壳平顶结构，土方挖到筒壳平顶下缘，立即安装固定槽形钢梁，并在其上铺设挡土板，然后抽出要开挖部分的挡土板后进行挖土、每次安装一块多功能预制拱片和拉紧4根钢筋，构成菱形钢筋网，并浇注拱部防水自密实混凝土，在20～30分钟内完成；完成后槽钢梁不再拆除，作为筒壳平顶受弯加强构件。

6.根据权利要求5所述的一种隧道及地下工程自稳修建法，其特征在于：步骤c3中，中间土方开挖后，开挖长度小于等于自稳长度。