CD工法在公山尾隧道洞口段施工中應(yīng)用

楊相如

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院 福建福州 350007)

0 引言

由于受八山一水一分田特有地形的限制，福建省公路建設(shè)中，隧道所占比重較大，現(xiàn)有公路隧道中，斷面面積大于100m2的特大扁平斷面隧道相對(duì)較少[1]。根據(jù)太沙基土拱效應(yīng)原理，隧道斷面大，圍巖形成穩(wěn)定的塌落拱對(duì)應(yīng)的深度增大[2]。對(duì)于超大斷面隧道洞口段往往處于淺埋偏壓狀態(tài)，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，施工空間效應(yīng)影響明顯，施工控制難度大，稍有不慎就會(huì)引發(fā)坍塌冒頂?shù)裙こ淌鹿蔥3]。

目前國(guó)內(nèi)外大斷面隧道常用施工方法包括雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、中隔墻法(CD法)或交叉中隔墻法(CRD法)、臺(tái)階法、全斷面法或其組合方法，具體根據(jù)工程地質(zhì)條件決定[4]，其中CD工法主要適用于地層較差和不穩(wěn)定巖體，且地面沉降要求嚴(yán)格的地下工程施工。CRD工法優(yōu)于CD工法(前者比后者減少地面沉降近50%)，但CRD工法施工工序復(fù)雜，隔墻拆除困難，成本較高，進(jìn)度較慢[5]。本文針對(duì)公山尾隧道工程地質(zhì)條件，結(jié)合施工監(jiān)控量測(cè)結(jié)果論證CD法在偏壓淺埋超大斷面隧道施工中的可行性。

1 公山尾隧道工程地質(zhì)條件分析

公山尾隧道為單向分離式隧道，斷面面積150m2以上，屬于超大斷面隧道。其中，右洞里程樁號(hào)為YK15+153～YK16+091，長(zhǎng)938m，YK16+091(洞門(mén))～YK16+061段為明洞。

隧道地處剝蝕丘陵地貌，地表植被發(fā)育，地形起伏變化大。進(jìn)口段地面高程45m～55m，坡度約為15°～30°，上覆坡殘積粘性土-強(qiáng)化砂巖，未見(jiàn)基巖出露，坡體較穩(wěn)定。左洞進(jìn)口位于沖溝底部，極易受雨季洪水影響。出口處地面高程50m～65m，坡度約10°～20°，上覆5m左右的坡積土層，坡體較穩(wěn)定。

路線(xiàn)區(qū)域上主要受福安-南靖(北東向)深斷裂帶及廈門(mén)-南靖(東西向)斷裂帶的影響，區(qū)域內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較為強(qiáng)烈。隧道主要斷裂帶有：

(1)K15+308～K15+335，寬約15m～18m，受區(qū)域北東向斷層影響，發(fā)育節(jié)理密集帶，帶內(nèi)巖體極破碎，裂隙面鐵錳質(zhì)渲染嚴(yán)重。

(2)K15+413～K15+443，寬約10m～13m，受區(qū)域北東向斷層影響，發(fā)育節(jié)理密集帶，帶內(nèi)巖體極破碎，裂隙面鐵錳質(zhì)渲染嚴(yán)重。

(3)K15+501～K15+537，寬約20m～25m，受區(qū)域北東向斷層影響，發(fā)育節(jié)理密集帶，帶內(nèi)巖體極破碎。

(4)K15+640～K15+668，寬約30m～35m，為壓性斷裂，上盤(pán)為漳平組粉砂巖，下盤(pán)為梨山組砂巖、粉砂巖，帶內(nèi)巖體擠壓破碎，礦物已出現(xiàn)擠壓蝕變，呈土狀-破碎塊，夾雜構(gòu)造角礫，有炭化及綠泥石化現(xiàn)象。

(5)K15+760～K15+881，寬約15m～20m，帶內(nèi)巖體擠壓破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體呈碎塊狀，有石英晶體充填，水蝕現(xiàn)象明顯。

根據(jù)鉆孔揭示，隧址區(qū)地表上覆第四系坡積層(Qdl)，下覆基巖為侏羅系中統(tǒng)漳平組(J2z)粉砂巖、砂巖及風(fēng)化層、侏羅系下統(tǒng)梨山組砂巖、粉砂巖及其風(fēng)化層；進(jìn)口段巖層產(chǎn)狀為290°∠20°，出口段巖層產(chǎn)狀為130°∠15°。

YK16+090附近長(zhǎng)約40m的工程，地質(zhì)條件差，地層上部以填土和殘積粘土為主，下部為變質(zhì)粉砂巖及其風(fēng)化層，局部見(jiàn)花崗斑巖巖脈侵入。地下水與洞頂高程接近，圍巖級(jí)別以Ⅴ～VI級(jí)為主，穩(wěn)定性較差。隧道軸線(xiàn)與山體走向斜交，洞口部分存在偏壓。

2 公山尾隧道施工方法

2.1 超前支護(hù)

超前支護(hù)聯(lián)合采用大管棚、小導(dǎo)管注漿、超前錨桿。支護(hù)參數(shù)如表1所示。

表1 超前支護(hù)參數(shù)

2.2 CD法施工

CD法又稱(chēng)中隔壁法，是通過(guò)鋼支撐和噴射混凝土的隔壁分割開(kāi)進(jìn)行開(kāi)挖的方法。CD法適用于Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)、Ⅵ級(jí)圍巖隧道，地質(zhì)條件差，圍巖軟弱，覆蓋層薄，含水量大，基底承載力低，跨度大且對(duì)圍巖沉降變形控制嚴(yán)格等情況。采用CD法，可減少大跨度隧道分部開(kāi)挖跨度和開(kāi)挖高度，通過(guò)增加中壁墻等臨時(shí)支護(hù)構(gòu)件，形成分部開(kāi)挖初期支護(hù)快速封閉環(huán)，使分部開(kāi)挖環(huán)環(huán)相扣，最后完成全部斷面開(kāi)挖與初期支護(hù)。施工流程具體如圖1所示。

圖1 CD法施工流程

施工中分別開(kāi)挖斷面的4個(gè)部分，單側(cè)各自封閉成環(huán)，有利于圍巖穩(wěn)定，保證施工安全，如圖2～圖3所示。

圖2 CD法施工立面圖

圖3 CD法施工縱斷面圖

分部開(kāi)挖施工，每部分步距為3m，左右部分間距6m，施工工序如下：

(1)先進(jìn)行①部分開(kāi)挖，為減少對(duì)圍巖擾動(dòng)，采用人工風(fēng)鎬開(kāi)挖或者機(jī)械開(kāi)挖，必要時(shí)輔以弱爆破。

(2)施作①部分導(dǎo)坑的初期支護(hù)和上部中隔壁。初期支護(hù)采用40mm厚C25噴射混凝土、Ф25中空注漿錨桿、Ф22系統(tǒng)砂漿錨桿，掛鋼筋網(wǎng)，全環(huán)架設(shè)鋼拱架，最后噴射至設(shè)計(jì)厚度28cm方案，如圖4所示，具體參數(shù)如表2所示。

圖4 支護(hù)結(jié)構(gòu)立面圖

名稱(chēng)項(xiàng)目參數(shù)噴射混凝土部位全斷面厚度28cm鋼筋網(wǎng)部位拱墻規(guī)格Φ8間距28cm × 28cm錨桿部位拱墻長(zhǎng)度3.5m間距0.8cm × 0.8cm鋼拱架部位全環(huán)類(lèi)型I20b 型鋼間距0.7m

(3)開(kāi)挖②部，施工中確保②部與①部間距保持在3m。

(4)施作②部洞室周邊的初期支護(hù)和中隔壁，施工參數(shù)同①部。

(5)按順序開(kāi)挖③、④部，并施做初期支護(hù)和中隔壁。導(dǎo)坑底部安設(shè)鋼架封閉成環(huán)，噴射混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

(6)逐步拆除臨時(shí)鋼架。

(7)施作仰拱。

3 CD工法施工變形監(jiān)測(cè)

由于隧道開(kāi)挖斷面超大，右側(cè)隧道出口段地質(zhì)條件復(fù)雜，存在淺埋偏壓，為防止施工期間洞內(nèi)發(fā)生塌方、洞口邊、仰坡失穩(wěn)以及驗(yàn)證CD法施工效果，在洞內(nèi)外實(shí)施全方位、全過(guò)程圍巖和地表變形監(jiān)測(cè)。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試項(xiàng)目包括拱頂下沉量測(cè)、周邊收斂量測(cè)、地表下沉量測(cè)。其中，拱頂下沉和周邊收斂量測(cè)，主要針對(duì)于初期支護(hù)；地表下沉量測(cè)則針對(duì)于隧道進(jìn)出口及淺埋段。

3.1 測(cè)點(diǎn)布置及量測(cè)方法

隧道拱頂下沉和周邊收斂量測(cè)，采用反射貼片配合高精度全站儀。在被測(cè)斷面拱頂C1及拱肩A1、A2位置布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，并在拱腰對(duì)稱(chēng)位置B1、B2布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位置貼反射片，如圖5所示。并在距離測(cè)量斷面數(shù)十米位置(可選已施作2次襯砌處或襯砌變形已經(jīng)穩(wěn)定的位置)，貼反射片作為后視點(diǎn)。然后，利用全站儀測(cè)量拱頂下沉量及周邊收斂量并加以記錄。

圖5 拱頂下沉和周邊收斂測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)量地表下沉?xí)r，先在隧道進(jìn)出口及淺埋段的開(kāi)挖縱橫向3～5倍洞徑外的區(qū)域，參照標(biāo)準(zhǔn)水準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)2個(gè)水準(zhǔn)基點(diǎn)，便于互相校核并聯(lián)測(cè)最近水準(zhǔn)點(diǎn)，取得原始高程。然后，根據(jù)測(cè)量斷面選取7個(gè)測(cè)點(diǎn)。考慮到洞室右側(cè)靠近坡面上覆巖層較薄，因此，測(cè)點(diǎn)布置不采取對(duì)稱(chēng)布置，而采取右多左少的布置方案，如圖6所示。在測(cè)點(diǎn)位置挖坑并放入地表測(cè)點(diǎn)預(yù)埋件，測(cè)點(diǎn)四周用混凝土填實(shí)，混凝土固結(jié)完成后，即可采用水準(zhǔn)儀或者高精度全站儀進(jìn)行量測(cè)。

圖6 地表沉降測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖

3.2 量測(cè)結(jié)果及分析

(1)YK16+061處斷面變形情況

該斷面30d拱頂下沉變化情況如圖7所示，從位移時(shí)程曲線(xiàn)可以看出，在隧洞開(kāi)挖后5～6d這段時(shí)間，隧道拱頂有較大沉降，日最大沉降量為3mm。其后，拱頂下沉速率呈現(xiàn)波動(dòng)式遞減。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況推測(cè)，圍巖和支護(hù)工作狀態(tài)已經(jīng)趨于穩(wěn)定，波動(dòng)是由于觀測(cè)誤差所造成。隧道拱頂在5～6d內(nèi)完成了75%總沉降量。開(kāi)挖約1個(gè)月后沉降速率小于0.1mm/d，根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》可以判定，圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)穩(wěn)定，此時(shí)拱頂下沉量為24mm。

圖7 YK16+061斷面拱頂下沉量測(cè)

圖8 YK16+061斷面周邊收斂量測(cè)

(2)斷面YK16+061周邊收斂量測(cè)結(jié)果

如圖8所示，周邊收斂在開(kāi)挖結(jié)束頭2d內(nèi)呈現(xiàn)線(xiàn)性增加，之后逐漸遞減。最大收斂速率3mm/d；在開(kāi)挖8d后，收斂速率小于1mm/d；在開(kāi)挖結(jié)束15d時(shí)，已產(chǎn)生85.7%總周邊收斂量；開(kāi)挖一月后，沉降速率小于0.1mm/d。根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》，可以判定圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)的周邊收斂量為21mm。

(3)斷面YK16+061地表下沉量測(cè)結(jié)果

如圖9所示，斷面YK16+061處地表沉降速率在2mm/d ～ -1mm/d之間呈現(xiàn)出波動(dòng)，最終穩(wěn)定在0mm/d，這是由于測(cè)量誤差造成。開(kāi)挖1個(gè)月后，地表下沉已經(jīng)趨于穩(wěn)定。從各測(cè)點(diǎn)的總下沉量來(lái)看，開(kāi)挖結(jié)束一個(gè)月后，各測(cè)點(diǎn)的下沉量呈現(xiàn)穩(wěn)定的趨勢(shì)。其中，最大地表下沉量出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)3，下沉量為50.0mm。由于測(cè)點(diǎn)3恰好處于拱頂位置，其他測(cè)點(diǎn)的下沉量呈對(duì)稱(chēng)分布。由此可以說(shuō)明，隧道受力均勻，圍巖穩(wěn)定，支護(hù)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)良好。

圖9 YK16+061斷面地表沉降量測(cè)

4 結(jié)論

(1)公山尾隧道采用CD法在洞口段施工，開(kāi)挖一個(gè)月后，圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)整體變形已經(jīng)趨于穩(wěn)定。由此說(shuō)明，偏壓淺埋特大斷面隧道洞口段，采用CD法開(kāi)挖對(duì)于控制圍巖變形效果良好。

(2)施工過(guò)程中，采用大管棚、超前小導(dǎo)管和超前錨桿等超前支護(hù)手段加固圍巖，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定有利。

(3)該設(shè)計(jì)施工方案，對(duì)公山尾隧道洞口地質(zhì)薄弱段的處理，行之有效。