摘要：天恒山隧道为我国第一座严寒地区浅埋大跨土质隧道，其施工难度大、危险性高。在施工过程中遵循“土变我变、确保安全、优质完成”的原则,不断对隧道施工方案进行比选优化,本文对施工过程中采用的微台阶法、三台阶七步开挖法和crd法施工方案的选择和优化进行介绍。
关键词：土质隧道施工方案优化
我国修建软弱地层隧道时，多采用小断面分部开挖法。一般ⅲ级围岩和地下水不发育、无高地应力变形的深埋ⅳ级围岩采用台阶法；浅埋ⅳ级围岩或有大 变形特征的ⅳ级围岩中采用三台阶临时仰拱法或cd法；地下水发育和地表受建筑物影响的浅埋ⅳ级围岩采用crd法。v级围岩主要采用cd法、crd法和眼镜 法。cd法、crd法、眼镜法等工法采用上下分层和竖向分块，有利于保证掌子面和顶、帮的稳定性；但开挖过程中如果分部过多，分部施工将反复引起围岩进行 应力重分布，对结构稳定造成不利影响。而且这类工法工序复杂、施工速度较慢、造价也更高。论文以在建天恒山隧道为工程背景，对浅埋土质隧道施工方案进行了 比较和优选，确定了天恒山隧道施工方案。
1. 工程概况
1.1 工程概况
天恒山隧道位于哈尔滨市道外区民主乡地界，是哈尔滨绕城公路东北段项目的重难点工程。哈尔滨绕城公路东北段的建设，使环路贯通，“一环五射”发 挥整体功能。对省会哈尔滨及其周边地区的社会、经济发展创造了良好的交通运输环境。隧道为双洞分离式设计,单向双车道，单洞上行线长1660m，下行线长 1690m。建筑限界为净宽11.5m，净高5m，考虑本地区的特点，隧道净空断面为三心圆曲墙断面（隧道净面积a=76.782㎡）。隧道设计人行横通 道4处，车行横通道1处，上行线和下行线各设置一处紧急停车带。隧道设计行车速度80km/h，路面采用单面横坡，坡度2%，上行线和下行线纵坡为双向人 字坡，坡度均为1.775%和-0.900%。
1.2隧道工程地质
隧道工作区位于松嫩中断陷带东南隆起区内，地层分区为松嫩平原分区，地层分布主要有白垩系（k）及第四系（q），本区缺失第三系地层。根据天恒 山隧道设计钻孔揭露及室内土工试验结果，隧道处岩土主要为亚粘性土，局部见砂层，地基承载力综合评价表显示，5-1、5-2、7-1和8-2地层为软可塑 状态的软弱夹层，对隧道施工极为不利。
1.3 气候、水文地质特性
本区位于北寒带气候区,冬季长达五个月之久，春秋季节较短,年平均气温为5.7℃，极端最高气温39.1℃,极端最低气温－41.4℃；年平均 降雨量为523.3mm，降雨期集中在6-8月份；年平均蒸发量1507.7mm；最大冻深2.05m，地面稳定冻结日期为11月下旬，稳定解冻日期为翌 年4月中旬。
隧道所处范围地下水主要为局部上层滞水，赋存于软可塑及软塑压粘土层中，钻孔后出现渗水现象，经测量计算24小时渗水量为12.2l/m2，受大气降水补给，受季节影响，水量变化大。
1.4 衬砌结构
隧道采用复合式衬砌结构，初期支护以超前小导管或锚杆、钢拱架、钢筋网及喷射混凝土组成联合支护体系，二次衬砌为模筑混凝土结构，初期支护与二次衬砌之间设防排水，保温层设置于二次衬砌之外。
2.天恒山隧道施工方案比选
当前土质隧道的施工方法很不成熟，土质隧道建设中可供借鉴的资料、经验有限。在施工过程中遵循“土变我变、确保安全、优质完成”的原则，项目部 多次组织相关人员参观学习并邀请专家对隧道施工方案进行多次论证。根据工程地质特征采用了微台阶法、三台阶七步开挖法和crd法等施工方案。
2.1微台阶法
微台阶法是在超前支护完成后，首先进行上部弧形导坑开挖并施作拱部初期支护，再左右错位开挖下台阶并及时施作边墙初期支护；适时挖除上下台阶核 心土，然后紧跟仰拱开挖和初期支护封闭成环。上下台阶每循环进尺为一榀拱架间距，仰拱每次开挖支护2榀拱架长度；上台阶长度3～5m，掌子面距仰拱初支距 离控制在12m以内，掌子面与仰拱钢筋混凝土及仰拱回填的距离控制在15m以内。采用微台阶法施工，同一断面上台阶开挖到仰拱初支封闭，施作时间可以控制 在10天之内，到仰拱砼浇筑，施作时间可以控制在12天之内。微台阶法施工见图1所示，其优缺点及适用条件如下：
（1）由于初期支护封闭的时间短，有利于控制围岩变形，缺点是上下断面相距较近（下台阶与仰拱初支距离在6～7m），机械设备集中，作业时相互干扰较大（开挖时仰拱钢筋混凝土施工无法进行），生产效率较低，施工速度较慢。
（2）隧道标准断面的标准段，在土体含水量较大、地基承载力较低，开挖后围岩变形较大、自稳能力差，易塌方，需要初期支护尽快封闭成环，仰拱及填充紧跟段采用微台阶法施工。
2.2 三台阶七步开挖法
三台阶七步开挖法为在隧道开挖过程中，在三个台阶上分七个工作面，以前后七个不同位置相互错开开挖，然后分部及时支护，形成支护整体。三台阶七 步开挖施工工序示意图见图2所示。每台阶长度控制在3～5m，仰拱初支封闭到掌子面间距离控制在1.5倍洞径之内，仰拱砼到掌子面间的距离严格控制在2倍 洞径之内。 三台阶七步开挖法优缺点及适用条件：
（1）能迅速 及时地建造拱部初期支护，开挖面稳定性较好，核心土和下部开挖是在拱部初期支护保护下进行的，施工安全性好，多作业面平行作业，工效高，循环时间短，作业 空间较微台阶法大，很大程度上加快了施工进度，单口月成洞45～50m。但由于多次开挖对土体扰动次数增加，拱顶沉降量较微台阶法施工大，累计最大可超过 5cm，当前方出现险情时，不利于及时封闭成环。
（2）隧道标准断面的标准段，土体为硬可塑状态，具有比较好粘结性，含水量较小，地基承载力较大，成拱能力强区段采用三台阶七步开挖法。
图2 三台阶七步开挖施工工序示意图
2.3 crd法施工
同济大学路基与土工技术研究所对天恒山隧道土样分析和室内模型试验表明：软塑夹层对隧道开挖的变形和稳定性影响较大，其所处的位置不同对隧道的 变形影响也不同；拱顶有软塑夹层时，土体无成拱能力；拱腰处有软塑夹层时，上覆土的成拱高度受到影响；在标准断面存在软弱夹层地段，采用台阶法施工，尽管 初支拱脚采取了加固措施，但仍发生了下沉，核心土发生整体破坏，没有自稳能力，对稳定掌子面不起作用，洞顶最大沉降18cm，水平最大位移3.6cm；在 跨度16.83m，高12.06m的紧急停车带加宽段和车行横通道口扩大断面段，采用台阶法施工，有支护情况下，拱顶最大沉降约为30cm，在支护全断面 封闭后，隧顶的最大沉降仍然超过15cm；当采用cd法施工有软塑夹层、大跨度段时拱脚的切入变形较大，掌子面的稳定性较台阶法施工好，隧道施工过程中竖 向变形较小，但拱肩处变形仍然较大。
crd法是将大断面隧道分部分块开挖，分部封闭成环，先开挖隧道一侧的上部并施作封闭的初期支护和临时支撑，再开挖隧道另一侧的上部且施作封闭 的初期支护和临时支撑，最后进行隧道下部的开挖支护，最终形成隧道初期支护和临时支撑网状封闭稳定支护形式的隧道开挖施工方法。crd法优缺点及适用条 件：
（1）crd法将断面分为四块开挖支护，每步开挖的宽度较小，而且开挖后各个局部封闭成环时间短，每个步序受力体系完整，封闭性的初期支护承载能力大，可以很好控制早期沉降变形。但施工工序复杂，隔墙拆除困难，速度慢，成本高。
