關于大斷面隧道施工CRD工法的優(yōu)化

趙鵬社

(中國鐵道科學研究院 鐵科院(北京)工程咨詢公司，北京 100081)

我國鐵路建設中隧道多數(shù)是雙線一次建成，由于要綜合考慮工程技術作業(yè)空間、內(nèi)部配件空間、安全空間、救援通道以及空氣動力學的影響，加之單洞雙線隧道開挖斷面面積均在150 m2以上，造成工期緊、安全問題多，施工難度大。

目前，根據(jù)不同的地質(zhì)條件，大斷面隧道采用的施工方法主要有中洞法、雙側壁導坑法、三臺階七步開挖法、CD法(中隔壁法)和 CRD法(交叉中隔壁法 Croos diaghrammethod，簡稱 CRD)等。

筆架山隧道位于新建鐵路哈爾濱至大連客運專線，起訖里程為DK67+255～DK67+600，全長345 m，埋深30 m，隧道設計斷面250 m2，為當前國內(nèi)高速鐵路超大斷面隧道，也是哈大客運專線全線重點隧道中具有工藝性代表之一。

該隧道地層條件為石質(zhì)，地表覆蓋細角礫土，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，采用CRD法施工。

施工過程中，發(fā)現(xiàn)該工藝對需要爆破的圍巖存在一定的不適應性。為此，對 CRD施工法進行了優(yōu)化及改進。

1 原設計CRD施工工藝及存在問題

1 原設計CRD施工工藝(見圖1)

1.2 施工中存在的問題

施工初期按原設計進行施工，但施工進度較慢。主要原因是開挖爆破作業(yè)使整個施工環(huán)節(jié)處于單工序作業(yè)，由此造成大量的人員、機械、設備處于閑置狀態(tài)。按全斷面計算，平均每月最多進尺20.5 m，嚴重影響施工進度。按此施工工藝暴露的主要問題有:

1)各斷面施工工序間距小。原設計開挖斷面同側上下部分開挖施工間隔不宜大于8 m，同一層左右部分開挖施工間隔不宜大于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(xù)。同時，大型機械操作空間狹小，施工效率較低。

2)中隔壁的設置將左右兩洞隔離開，造成機械轉(zhuǎn)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。

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。

6)爆破作業(yè)飛濺的碎石沖擊中隔壁，使中隔壁型鋼產(chǎn)生扭曲，存在安全隱患。

2 CRD工法局部優(yōu)化措施

在保證隧道質(zhì)量、安全的前提下，以監(jiān)控量測數(shù)據(jù)為依據(jù)，對隧道原設計CRD工法進行了局部優(yōu)化。

2.1 臨時支撐結構優(yōu)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(wěn)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工字鋼加強為I20工字鋼，縱向每側采用2根I18工字鋼，通過焊接連接，將水平支撐連為整體。

圖1 CRD施工工序

2.2 臨時支撐拆除順序優(yōu)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(huán)后繼續(xù)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混凝土。

2.3 中隔壁增設臨時施工通道

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。解決了施工空間狹小的問題，機械作業(yè)活動空間得以擴展，提高了效率。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。

2.4 施工工序步距優(yōu)化

1)各部施工順序調(diào)整。為加快施工進度，減小各工序之間相互干擾，各部按①、③、②、④的順序進行施工。為減少相鄰作業(yè)面爆破作業(yè)干擾，隧道開挖①部和③部工序之間、②部和④部工序之間間隔10 m。①部和③部施工50～80 m后進行②部和④部的開挖。為保證①部和③部爆破作業(yè)時鉆孔臺架安全，以及機械裝渣有一個平臺，①部和②部、③部和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、坡度。根據(jù)機械的爬坡能力，上下①部、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部、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部、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(yōu)化后的各施工工序詳圖如圖2。

圖2 優(yōu)化后的施工工序縱斷面(單位:m)

3 施工控制要點及注意事項

1)施工中須嚴格按照優(yōu)化后的工序間距進行，各部每一循環(huán)進尺控制在1.5 m以內(nèi)，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(zhì)預報和監(jiān)控量測工作，為及時調(diào)整施工方法和修正初支參數(shù)提供依據(jù)。

2)中隔壁對隧道施工過程的圍巖穩(wěn)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(zhì)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部、④部約50 cm。

3)中隔壁拆除前須確保初支變形趨于穩(wěn)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(jiān)控量測，如有變形突變現(xiàn)象，停止拆除，并進行加固。

4)為加強開挖時初期支護的穩(wěn)定性，在原設計原則上，每腳增設2根鎖腳錨管。

4 監(jiān)控量測數(shù)據(jù)綜合分析

為驗證優(yōu)化后的CRD工藝的可靠性，有必要進行施工監(jiān)控量測，采集隧道開挖后圍巖的變形規(guī)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、初期支護環(huán)向應力情況。根據(jù)現(xiàn)場試驗和數(shù)值分析結果，及時調(diào)整支護參數(shù)，為優(yōu)化提供理論依據(jù)。

4.1 監(jiān)控量測內(nèi)容

根據(jù)實際情況，在隧道施工過程中選取兩個斷面進行監(jiān)控量測。在①、③、②和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(jiān)控元件。其中，1點未布置錨桿軸力計。監(jiān)控量測的項目及頻率如表1所示。監(jiān)控點的布置如圖3所示。

圖3 監(jiān)控量測點布置

表1 監(jiān)測項目及頻率

4.2 監(jiān)控量測數(shù)據(jù)綜合分析

位移量測是圍巖及支護應力形態(tài)變化最直觀的反映，能為地下洞室穩(wěn)定性提供可靠直接的信息，且易測取。筆架山隧道位移量測項目包括水平收斂、拱頂沉降和地表下沉。位移量測斷面間距為10 m，量測時間段為噴射混凝土后至二次襯砌前。隨機選取筆架山隧道DK67+391斷面進行位移量測數(shù)據(jù)分析，如圖4所示。

圖4 地表下沉、拱頂沉降、水平收斂變化曲線

監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析表明，隧道在采用了優(yōu)化后的施工方法后，開始階段變形速率較大，累計變形值迅速增長，二次襯砌前變形基本穩(wěn)定，實測二次襯砌前隧道變形速率在規(guī)范要求范圍內(nèi)，二次襯砌前隧道變形達到預測穩(wěn)定值，而二次襯砌后變形很小，說明二次襯砌承受一定的荷載。

隧道施工效應是多因素共同影響的結果，隧道開挖后初始地應力不斷釋放并產(chǎn)生變形。施作初期支護及二次襯砌后，初期支護和二次襯砌與圍巖共同相互作用，支護壓力、應力及位移在相互作用過程中不斷變化，施工過程中的多個因素將對這些量測項目的大小及發(fā)展規(guī)律產(chǎn)生影響，如CRD法中各分部之間的距離、初期支護剛度及設置時間、仰拱封閉時間、二次襯砌強度及施作時機等。另外，隧道埋深大小、圍巖自穩(wěn)能力等因素也對其產(chǎn)生影響。長期的觀測發(fā)現(xiàn)，筆架山隧道在開挖量測儀器附近的斷面時，應力變化較大，但是在施作初期支護后，應力呈現(xiàn)出逐漸遞減的趨勢，在仰拱及二次襯砌施作完成后，各種應力基本趨于平穩(wěn)，證明優(yōu)化后的CRD法，不僅可以提高施工工效，還可以保證施工安全。

初期支護壓力、應力發(fā)展較快，二次襯砌壓力、應力發(fā)展較慢;在初期支護量測項目中，鋼架應力比圍巖壓力發(fā)展快。上述規(guī)律說明，初期支護受力快，穩(wěn)定時間短，二次襯砌受力較慢，穩(wěn)定時間長;鋼架受力快于噴射混凝土，混凝土應力發(fā)展滯后于支護壓力，支護壓力增長導致應力增長。通過監(jiān)控量測所得的支護壓力、應力相對發(fā)展趨勢如圖5所示。

圖5 支護壓力、應力相對發(fā)展趨勢

5 結語

實測結果表明，筆架山隧道在施工方法優(yōu)化后變形情況得到控制，支護、襯砌結構穩(wěn)定;優(yōu)化后的工藝不僅可以提高施工工效，節(jié)約施工成本，還可以保證施工安全。通過長期系統(tǒng)監(jiān)測，為及時調(diào)整支護參數(shù)及確定二次襯砌施作時間提供了科學依據(jù)，也為理論分析提供了計算參數(shù)，為后續(xù)科研工作提供了基礎數(shù)據(jù)，并積累了復雜應力條件下大斷面隧道的設計施工經(jīng)驗。通過筆架山隧道CRD工藝的優(yōu)化，積累了山嶺隧道石質(zhì)地層地段CRD法的施工經(jīng)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]中華人民共和國鐵道部.客運專線鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗收暫行標準[S].北京:中國鐵道出版社，2005:33-56.

[2]中華人民共和國鐵道部.客運專線鐵路隧道工程施工技術指南[M].北京:中國鐵道出版社，2005:25-81.

[3]哈大鐵路客運專線有限公司.哈大鐵路客運專線隧道工程施工質(zhì)量控制手冊[Z].哈爾濱:哈大鐵路客運專線有限責任公司，2007.

[4]何強，姚勇，劉影.特大斷面導流隧洞和施工監(jiān)控量測分析[J].鐵道建筑，2008(2):38-40.