趙鵬社

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵科院(北京)工程咨詢(xún)公司，北京 100081)

我國(guó)鐵路建設(shè)中隧道多數(shù)是雙線(xiàn)一次建成，由于要綜合考慮工程技術(shù)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(dòng)力學(xué)的影響，加之單洞雙線(xiàn)隧道開(kāi)挖斷面面積均在150 m2以上，造成工期緊、安全問(wèn)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(cè)壁導(dǎo)坑法、三臺(tái)階七步開(kāi)挖法、CD法(中隔壁法)和 CRD法(交叉中隔壁法 Croos diaghrammethod，簡(jiǎn)稱(chēng) CRD)等。

筆架山隧道位于新建鐵路哈爾濱至大連客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)，起訖里程為DK67+255～DK67+600，全長(zhǎng)345 m，埋深30 m，隧道設(shè)計(jì)斷面250 m2，為當(dāng)前國(guó)內(nèi)高速鐵路超大斷面隧道，也是哈大客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)全線(xiàn)重點(diǎn)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(xì)角礫土，下部為頁(yè)巖和石英砂巖。其中，Ⅲ級(jí)圍巖159 m，Ⅳ級(jí)圍巖186 m。設(shè)計(jì)按Ⅳ級(jí)圍巖防護(hù)，采用CRD法施工。

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

1 原設(shè)計(jì)CRD施工工藝及存在問(wèn)題

1 原設(shè)計(jì)CRD施工工藝(見(jiàn)圖1)

1.2 施工中存在的問(wèn)題

施工初期按原設(shè)計(jì)進(jìn)行施工，但施工進(jìn)度較慢。主要原因是開(kāi)挖爆破作業(yè)使整個(gè)施工環(huán)節(jié)處于單工序作業(yè)，由此造成大量的人員、機(jī)械、設(shè)備處于閑置狀態(tài)。按全斷面計(jì)算，平均每月最多進(jìn)尺20.5 m，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。按此施工工藝暴露的主要問(wèn)題有:

1)各斷面施工工序間距小。原設(shè)計(jì)開(kāi)挖斷面同側(cè)上下部分開(kāi)挖施工間隔不宜大于8 m，同一層左右部分開(kāi)挖施工間隔不宜大于15 m。每次爆破時(shí)，其它斷面的操作人員及施工機(jī)械都要撤離，停止施工，造成施工不連續(xù)。同時(shí)，大型機(jī)械操作空間狹小，施工效率較低。

2)中隔壁的設(shè)置將左右兩洞隔離開(kāi)，造成機(jī)械轉(zhuǎn)場(chǎng)頻繁，利用率低。

3)施工仰拱前，設(shè)計(jì)要求僅拆除中隔壁下部鋼支撐，仰拱施工中的這段時(shí)間，中隔壁長(zhǎng)時(shí)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(kāi)挖①部或③部后即刻安裝中隔壁水平橫撐，影響上部機(jī)械通行、下部爆破和機(jī)械開(kāi)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?jī)?yōu)化措施

在保證隧道質(zhì)量、安全的前提下，以監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)隧道原設(shè)計(jì)CRD工法進(jìn)行了局部?jī)?yōu)化。

2.1 臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1)為方便拆除中隔壁，隧道巖石地段，在能保證側(cè)壁圍巖不坍塌的前提下，取消中隔壁噴射混凝土。加強(qiáng)鋼拱架的縱向連接(加密連接鋼筋或采用其它較強(qiáng)連接方式)。在軟弱圍巖處加強(qiáng)初期支護(hù)，必要時(shí)加長(zhǎng)和加密超前小導(dǎo)管，保證開(kāi)挖面的臨時(shí)穩(wěn)定。

2)中隔壁豎向弧形支撐改為垂直支撐，以提高臨時(shí)支撐的豎向承載力。

3)中隔壁臨時(shí)弧形仰拱改為水平支撐，由原來(lái)的I18工字鋼加強(qiáng)為I20工字鋼，縱向每側(cè)采用2根I18工字鋼，通過(guò)焊接連接，將水平支撐連為整體。

圖1 CRD施工工序

2.2 臨時(shí)支撐拆除順序優(yōu)化

為避免仰拱施工時(shí)中隔壁長(zhǎng)時(shí)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(guò)2 m，初期支護(hù)封閉成環(huán)后繼續(xù)拆下一段不超過(guò)2 m的臨時(shí)支護(hù)，待支護(hù)封閉達(dá)到6 m后立即施作襯砌仰拱混凝土。

2.3 中隔壁增設(shè)臨時(shí)施工通道

原設(shè)計(jì)以中隔壁為界將隧道分成左右兩部分，隧道左右側(cè)形成兩個(gè)單獨(dú)向前掘進(jìn)的坑道。為使隧道左右側(cè)資源共享，加快施工進(jìn)度，在中隔壁上下兩道橫撐間增設(shè)橫向施工通道。解決了施工空間狹小的問(wèn)題，機(jī)械作業(yè)活動(dòng)空間得以擴(kuò)展，提高了效率。每80 m設(shè)一處通道，凈寬6 m，高度到拱頂。施工時(shí)，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(jìn)度，減小各工序之間相互干擾，各部按①、③、②、④的順序進(jìn)行施工。為減少相鄰作業(yè)面爆破作業(yè)干擾，隧道開(kāi)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(jìn)行②部和④部的開(kāi)挖。為保證①部和③部爆破作業(yè)時(shí)鉆孔臺(tái)架安全，以及機(jī)械裝渣有一個(gè)平臺(tái)，①部和②部、③部和④部上下臺(tái)階間距最短距離按20 m進(jìn)行控制。

2)施工坡道長(zhǎng)度、坡度。根據(jù)機(jī)械的爬坡能力，上下①部、③部施工坡道長(zhǎng)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(shí)不架設(shè)中隔壁水平橫撐，開(kāi)挖50～80 m后，進(jìn)行上臺(tái)階底部松動(dòng)爆破，然后再架設(shè)水平橫撐。為保證機(jī)械上下坡空間，②部、④部開(kāi)挖時(shí)，中隔壁水平橫撐與掌子面距離按不大于40 m進(jìn)行控制。

4)二次襯砌距離下臺(tái)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(diǎn)及注意事項(xiàng)

1)施工中須嚴(yán)格按照優(yōu)化后的工序間距進(jìn)行，各部每一循環(huán)進(jìn)尺控制在1.5 m以?xún)?nèi)，堅(jiān)持“管超前、弱爆破、短開(kāi)挖、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤測(cè)量、及時(shí)襯砌”的原則，同時(shí)加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和監(jiān)控量測(cè)工作，為及時(shí)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(duì)隧道施工過(guò)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(guò)程中應(yīng)嚴(yán)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(shí)，為減小下臺(tái)階開(kāi)挖爆破時(shí)對(duì)中隔壁水平橫撐的擾動(dòng)，橫撐安裝時(shí)應(yīng)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(shí)跟進(jìn)。拆除過(guò)程中，加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，如有變形突變現(xiàn)象，停止拆除，并進(jìn)行加固。

4)為加強(qiáng)開(kāi)挖時(shí)初期支護(hù)的穩(wěn)定性，在原設(shè)計(jì)原則上，每腳增設(shè)2根鎖腳錨管。

4 監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析

為驗(yàn)證優(yōu)化后的CRD工藝的可靠性，有必要進(jìn)行施工監(jiān)控量測(cè)，采集隧道開(kāi)挖后圍巖的變形規(guī)律，實(shí)測(cè)圍巖壓力與支護(hù)接觸壓力情況、錨桿受力情況、鋼拱架受力情況、初期支護(hù)環(huán)向應(yīng)力情況。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值分析結(jié)果，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，為優(yōu)化提供理論依據(jù)。

4.1 監(jiān)控量測(cè)內(nèi)容

根據(jù)實(shí)際情況，在隧道施工過(guò)程中選取兩個(gè)斷面進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)。在①、③、②和④部各布置一條水平收斂基線(xiàn)。在拱腳以上均勻布置9個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)位設(shè)置初期支護(hù)圍巖壓力、初期支護(hù)和中隔壁鋼架應(yīng)力、噴射混凝土應(yīng)力、二次襯砌接觸壓力、錨桿軸力監(jiān)控元件。其中，1點(diǎn)未布置錨桿軸力計(jì)。監(jiān)控量測(cè)的項(xiàng)目及頻率如表1所示。監(jiān)控點(diǎn)的布置如圖3所示。

圖3 監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)布置

表1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及頻率

4.2 監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析

位移量測(cè)是圍巖及支護(hù)應(yīng)力形態(tài)變化最直觀(guān)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(cè)取。筆架山隧道位移量測(cè)項(xiàng)目包括水平收斂、拱頂沉降和地表下沉。位移量測(cè)斷面間距為10 m，量測(cè)時(shí)間段為噴射混凝土后至二次襯砌前。隨機(jī)選取筆架山隧道DK67+391斷面進(jìn)行位移量測(cè)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(xiàn)

監(jiān)測(cè)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(kāi)始階段變形速率較大，累計(jì)變形值迅速增長(zhǎng)，二次襯砌前變形基本穩(wěn)定，實(shí)測(cè)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(dá)到預(yù)測(cè)穩(wěn)定值，而二次襯砌后變形很小，說(shuō)明二次襯砌承受一定的荷載。

隧道施工效應(yīng)是多因素共同影響的結(jié)果，隧道開(kāi)挖后初始地應(yīng)力不斷釋放并產(chǎn)生變形。施作初期支護(hù)及二次襯砌后，初期支護(hù)和二次襯砌與圍巖共同相互作用，支護(hù)壓力、應(yīng)力及位移在相互作用過(guò)程中不斷變化，施工過(guò)程中的多個(gè)因素將對(duì)這些量測(cè)項(xiàng)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(hù)剛度及設(shè)置時(shí)間、仰拱封閉時(shí)間、二次襯砌強(qiáng)度及施作時(shí)機(jī)等。另外，隧道埋深大小、圍巖自穩(wěn)能力等因素也對(duì)其產(chǎn)生影響。長(zhǎng)期的觀(guān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，筆架山隧道在開(kāi)挖量測(cè)儀器附近的斷面時(shí)，應(yīng)力變化較大，但是在施作初期支護(hù)后，應(yīng)力呈現(xiàn)出逐漸遞減的趨勢(shì)，在仰拱及二次襯砌施作完成后，各種應(yīng)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(hù)壓力、應(yīng)力發(fā)展較快，二次襯砌壓力、應(yīng)力發(fā)展較慢;在初期支護(hù)量測(cè)項(xiàng)目中，鋼架應(yīng)力比圍巖壓力發(fā)展快。上述規(guī)律說(shuō)明，初期支護(hù)受力快，穩(wěn)定時(shí)間短，二次襯砌受力較慢，穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng);鋼架受力快于噴射混凝土，混凝土應(yīng)力發(fā)展滯后于支護(hù)壓力，支護(hù)壓力增長(zhǎng)導(dǎo)致應(yīng)力增長(zhǎng)。通過(guò)監(jiān)控量測(cè)所得的支護(hù)壓力、應(yīng)力相對(duì)發(fā)展趨勢(shì)如圖5所示。

圖5 支護(hù)壓力、應(yīng)力相對(duì)發(fā)展趨勢(shì)

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)測(cè)結(jié)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(hù)、襯砌結(jié)構(gòu)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(guò)長(zhǎng)期系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，為及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)及確定二次襯砌施作時(shí)間提供了科學(xué)依據(jù)，也為理論分析提供了計(jì)算參數(shù)，為后續(xù)科研工作提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并積累了復(fù)雜應(yīng)力條件下大斷面隧道的設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)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(yàn)，對(duì)今后高速鐵路特大斷面隧道設(shè)計(jì)施工具有指導(dǎo)借鑒意義。

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