高速鐵路超大斷面隧道CRD施工技術

劉光唯，丁志亮

(中鐵一局集團哈大客運專線項目經理部，遼寧 瓦房店 116300)

0 引言

隨著國家對基礎建設的逐步完善，我國的高速鐵路建設又進入了一個新的大發展時期。目前，國內大力發展的鐵路客運專線基本上都是一次建成雙線，同時考慮工程技術作業空間、內部配件空間、安全空間、救援通道以及考慮空氣動力學的影響，客運專線單洞雙線隧道開挖斷面積均在150 m2以上，最大開挖寬度15 m，開挖高度13 m左右，屬超大斷面隧道［1］。目前在建的客運專線隧道開挖尺寸見表1。

表1 國內客運專線隧道開挖尺寸

目前世界上對大斷面隧道采用的施工方法主要有雙側壁導坑法、三臺階七步開挖法、CD法和CRD法。根據高速鐵路大斷面隧道自身的力學特征，結合以往類似工程施工經驗，CRD工法適用于特別破碎的巖石、碎石土、卵石土、圓礫土、角礫土及黃土組成的 V級圍巖和軟塑狀黏性土、潮濕的粉細砂組成的Ⅵ 級圍巖及較差圍巖中的洞口段、偏壓段和淺埋段等［2］。哈大客運專線筆架山隧道，地層條件為石質，設計采用CRD法施工。在施工過程中該工藝對需要爆破的圍巖存在一定的不適應性。本文對哈大客運專線筆架山隧道CRD施工工藝及其優化改進措施進行了介紹，以供同仁們商榷和探討。

1 工程概況

新建鐵路哈爾濱至大連客運專線是我國在東北地區修建的第一條客運專線，設計時速350 km/h。由中鐵一局承建的筆架山隧道是全線4座重點隧道之一，該隧道起訖里程為DK67+255～DK67+600，全長345 m，埋深30 m，開挖面積209 m2，是當今國內高速鐵路最大斷面積隧道。隧道采用CRD法施工，相關尺寸詳見圖1。本隧道所處位置地表覆蓋0.5～2.0 m細角礫土，下部為頁巖和石英砂巖，其中Ⅲ級圍巖159 m，Ⅳ級圍巖186 m，設計按Ⅳ級圍巖防護，隧道襯砌支護參數見表2。

表2 筆架山隧道襯砌支護參數

圖1 CRD工序橫斷面示意(單位:cm)

2 原設計CRD施工工藝及不適應性

2.1 原設計CRD施工工藝

CRD施工工藝見圖2。

2.2 施工中存在問題

施工初期按照原設計進行施工，但是施工進度較慢，主要原因是該隧道屬于山嶺隧道，地層為巖石，開挖需要爆破作業，使得整個施工環節處于單工序作業。由此造成大量的人員、機械、設備處于閑置狀態。按照全斷面計算平均每月最多進尺20.5 m，嚴重影響施工進度。此施工工藝主要暴露的問題有:

1)各斷面施工工序間距小

原設計各斷面施工工序間距為15 m，每次爆破時，其它斷面的操作人員及施工機械都要撤離，停止施工，造成施工不連續。同時大型機械操作空間狹小，施工效率低。

2)中隔壁的設置將左右兩洞隔離開，造成機械轉場頻繁，利用率低。

3)施工仰拱前，設計要求僅拆除中隔壁下部鋼支撐，仰拱施工中的這段時間，中隔壁長時間懸空，存在較大的安全隱患。

4)中隔壁拆除困難，需要爆破，影響了其它工序的作業。

5)開挖①部或③部后即刻安裝中隔壁水平橫撐，影響上部機械通行、下部爆破和機械開挖。

3 CRD工法局部優化措施

在保證隧道質量和施工安全的前提下，以監控量測數據為依據，對原設計CRD工法進行了局部優化。

3.1 臨時支撐結構優化

1)為方便拆除中隔壁，隧道巖石地段，在能保證側壁圍巖不坍塌的前提下，取消中隔壁噴射混凝土。加強鋼拱架的縱向連接(加密連接鋼筋或采用其它的較強連接方式)。在軟弱圍巖處加強初期支護，必要時加長和加密超前小導管，保證開挖面的臨時穩定。

2)中隔壁豎向弧形支撐改為垂直支撐，以提高臨時支撐的豎向承載力。

3)中隔壁臨時弧形仰拱改為水平支撐，由原來的I18型鋼加強為I20型鋼，縱向每側采用2根I18型鋼通過焊接連接，將水平支撐連為整體。

3.2 臨時支撐拆除順序優化

為避免仰拱施工時中隔壁長時間懸空，中隔壁水平和豎向支撐一次性全部拆除，拆除范圍不超過2 m，初期支護封閉成環后繼續拆下一段不超過2 m的臨時支護，待支護封閉達到6 m后立即施作襯砌仰拱。

3.3 中隔壁增設臨時施工通道

CRD法原設計以中隔壁為界將隧道分成左右兩部分，隧道左右側形成兩個單獨向前掘進的坑道。為使隧道左右側資源共享，加快施工進度，在中隔壁上下兩道橫撐間增設橫向施工通道［3］。每80 m設一處通道，凈寬6 m，高度到拱頂。施工時首先拆除中隔壁豎撐，然后在每榀初支鋼拱架下加一套拱，噴射混凝土，以提高此處鋼拱架的承載力。

3.4 施工工序步距優化

1)各部施工順序調整

為加快施工進度，減小各工序之間相互干擾，各部按圖3的①、③、②、④的順序進行施工［4］。為減少相鄰作業面爆破作業干擾，隧道開挖①和③工序之間、②和④工序之間間隔10 m。①和③部施工50～80 m后進行②、④部的開挖。為保證①和③部爆破作業時鉆孔臺架安全，以及機械裝渣有一個平臺，①和②、③和④部上下臺階間距最短距離按20 m進行控制。

2)施工坡道長度和坡度

根據機械的爬坡能力，上下①和③部施工坡道長度按20 m，坡度按25%控制。

3)中隔壁水平橫撐與掌子面距離

①和③部施工時不架設中隔壁水平橫撐，開挖50～80 m后，進行上臺階底部松動爆破，然后再架設水平橫撐，為保證機械上下坡空間，②和④部開挖時中隔壁水平橫撐與掌子面距離按不大于40 m進行控制。

4)二次襯砌距離下臺階掌子面宜控制在30～50 m范圍。

優化后的各施工工序詳見圖3。

4 施工控制要點及注意事項

圖3 CRD施工工序縱斷面(單位:m)

1)施工中須嚴格按照優化后的工序間距進行，各部每一循環進尺控制在1.5 m以內，堅持“管超前、弱爆破、短開挖、強支護、早封閉、勤測量、及時襯砌”的原則，同時加強超前地質預報和監控量測工作，為及時調整施工方法和修正初支參數提供依據。

2)中隔壁對隧道施工過程的圍巖穩定性起到十分重要的作用，它能有效地控制洞周變形和地表沉降，因此在施工過程中應嚴格控制豎向鋼架的垂直度，防止底部托空，加密鋼架的縱向連接筋，提高鋼架間整體受力能力，以確保鋼支撐的安裝質量。同時為減小下臺階開挖爆破時對中隔壁水平橫撐的擾動，橫撐安裝時應高出②和④部約50 cm。

3)中隔壁拆除前須確保初支變形趨于穩定，每2 m分段拆除，分段閉合，仰拱及時跟進。拆除過程中加強監控量測，如有變形突變現象，停止拆除，并進行加固。

4)為加強開挖時初期支護的穩定性，在原設計原則上每腳增設2根鎖腳錨管。

5 監控量測數據綜合分析

為驗證優化后的CRD工藝的可靠性，有必要進行施工監控量測，采集隧道開挖后圍巖的變形規律，實測圍巖壓力與支護接觸壓力情況、錨桿受力情況、鋼拱架受力情況和初期支護環向應力情況。根據現場試驗和數值分析結果，及時調整支護參數，為優化提供理論依據。

5.1 監控量測內容

根據實際情況，在隧道施工過程中選取 DK67+391和DK67+492兩個斷面進行監控量測。在圖4的①、③、②、④部各布置一條水平收斂基線。在拱腳以上均勻布置9個測點，每個測點位設置初期支護圍巖壓力、初期支護和中隔壁鋼架應力、噴射混凝土應力、二次襯砌接觸壓力、錨桿軸力監控元件，其中1點未布置錨桿軸力計。監控量測的項目及頻率［5］如表3所示，監控點的布置如圖4所示。

表3 監測項目及頻率

圖4 監控量測點布置

5.2 監控量測數據綜合分析

1)施工工序優化對初期支護壓力、應力的影響分析。選取DK67+391斷面1、2、3觀測點，以初支圍巖壓力、噴射混凝土應力、鋼支架應力與時間關系曲線進行分析(見圖5)。下臺階及仰拱開挖均對初期支護壓力、應力產生一定影響，也即壓力、應力及位移時間曲線在開始階段出現波動，而在仰拱封閉及施作二次襯砌后逐漸趨于穩定。施工期間噴射混凝土最大壓應力4.2 MPa，鋼架最大壓應力95.8 MPa，均未超過材料的極限強度。

2)臨時鋼支撐拆除順序的優化對初支應力、位移的影響。由圖5、圖6可知，臨時支撐在仰拱施工前全部拆除，拆除前后初支應力、位移變化不大，仰拱封閉后逐漸趨于穩定。

6 結語

1)通過監控量測結果表明，初期支護、襯砌結構穩定，變形情況得到控制，表明優化后的工藝可行，不僅可以提高施工工效，同時還可以保證施工安全。

圖5 初期支護量測項目與施工工序關系

圖6 拱頂下沉—時間曲線

2)隨著我國高速鐵路大斷面隧道的不斷建設，必將面臨許多新的課題。通過筆架山隧道CRD工藝的優化，積累了山嶺隧道石質地層地段CRD法的施工經驗，對今后高速鐵路特大斷面隧道設計施工具有指導借鑒意義。

［1］楊仲杰.客運專線特大斷面隧道開挖方法研究［J］.鐵道建筑，2008(5):60-63.

［2］孫兆遠，羅瓊，耿偉，張念.鐵路客運專線大斷面隧道開挖方法選擇［J］.隧道建設，2007，27(A01):9-15.

［3］唐斌，劉旭全.鄭西客運專線秦東隧道 CRD法快速施工技術［J］.鐵道標準設計，2007(增刊 2):29-33.

［4］劉建偉.大斷面富水地層暗挖隧道的施工技術［J］.鐵道建筑，2008(6):49-51.

［5］中華人民共和國鐵道部.TZ214—2005 客運專線鐵路隧道工程施工技術指南［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.