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        CRD工法在客運(yùn)專線隧道建設(shè)中的應(yīng)用與思考

        2013-11-29 07:50:04萬俊峰
        鐵道勘察 2013年3期
        關(guān)鍵詞:錨桿圍巖作業(yè)

        萬俊峰

        (中鐵隧道集團(tuán)有限公司,河南洛陽 471009)

        在軟弱破碎圍巖、洞口及淺埋段以及有嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)變形要求的隧道施工中,CRD工法是優(yōu)先采取的施工工法,又名“中隔壁法”。是將大斷面的隧道結(jié)構(gòu)劃分成多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的小斷面洞室,每個(gè)小斷面洞室單獨(dú)依次開挖支護(hù),并獨(dú)立封閉成環(huán),最后通過主體支護(hù)結(jié)構(gòu)鉸接而形成整個(gè)大斷面隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系。該方法以地層預(yù)加固(處理)為前提,以錨、網(wǎng)、噴和型鋼拱架支護(hù)為基礎(chǔ),充分發(fā)揮加固后的地層與初期支護(hù)體系共同受力,承受外部荷載,以監(jiān)控量測(cè)手段指導(dǎo)施工,控制初支結(jié)構(gòu)的拱頂沉降和收斂變形,確保開挖洞室的安全。此方法具有開挖斷面小,封閉及時(shí),能夠有效控制圍巖變形,利于圍巖穩(wěn)定,相對(duì)比較安全的優(yōu)點(diǎn)。

        但CRD工法各部施工相互干擾很大,在工期要求較緊的情況下,很難取得滿意的施工進(jìn)度;由于斷面小,短距離施工可以使用部分小型機(jī)具,但機(jī)械工作效率較低;長距離施工則完全依賴人工作業(yè),工序轉(zhuǎn)換復(fù)雜,施工進(jìn)度緩慢。

        1 工程概況

        1.1 隧道工程地質(zhì)和水文地質(zhì)特征

        武廣鐵路客運(yùn)專線XXTJⅣ標(biāo)段天鵝嶺隧道洞口DK1850+320~DK1850+445段隧道埋深2~15 m,屬于淺埋、超淺埋隧道,碳質(zhì)頁巖地質(zhì),開挖后圍巖幾無自穩(wěn)能力,極易剝落、坍塌、片幫,支護(hù)不及時(shí)則易發(fā)展成為較大規(guī)模的冒頂塌方事故;由于在雨季施工,該地段受大氣降雨補(bǔ)給,洞內(nèi)地下水較為豐富,對(duì)混凝土有弱侵蝕性;碳質(zhì)頁巖遇水迅速軟化,呈流塑狀,對(duì)隧道施工地質(zhì)條件產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞作用。

        1.2 隧道設(shè)計(jì)情況

        (1)斷面形式

        為單心圓弧形隧道,圍巖類別判定為Ⅴ級(jí),其開挖半徑為7.68 m(含施工誤差5 cm,預(yù)留沉降量暫定為20 cm),隧道全寬為15.36 m,開挖高度為12.99 m,隧道最大開挖斷面為166.5 m2;建成后隧道凈寬13.4 m,凈高9.13 m。

        (2)結(jié)構(gòu)形式

        超前支護(hù):洞口設(shè)一組φ108大管棚,覆蓋拱頂140°范圍,環(huán)向間距40 cm,外插角1°~3°,布設(shè)50 根,管棚長40 m,絲扣連接,管內(nèi)安設(shè)鋼筋籠;洞身設(shè)φ42小導(dǎo)管配合鋼架使用,覆蓋拱頂140°范圍,長3.5~4.2 m,環(huán)向間距40 cm,盡量控制外插角度,不大于10°,每環(huán)打設(shè)48根,縱向搭接長度不小于1 m;超前管棚及小導(dǎo)管均壓注1∶1水泥漿。

        初期支護(hù):為錨桿、鋼筋網(wǎng)、型鋼拱架和噴混凝土聯(lián)合支護(hù)體系。拱部采用φ25中空注漿錨桿,邊墻部位采用φ22砂漿錨桿,長4.0 m,間距0.8 m×1.0 m(環(huán)向×縱向);拱墻均鋪設(shè)φ8鋼筋網(wǎng),網(wǎng)格間距20 cm×20 cm;拱墻和仰拱全環(huán)架立Ⅰ20a型鋼拱架,間距0.6 m,鋼架單元間鋼板夾橡膠墊板螺栓連接,拱架間φ22鋼筋縱向交叉連接,間距1.0 m。噴摻改性聚酯纖維C25混凝土,厚28 cm。

        二次襯砌:邊墻、拱部和仰拱澆筑C35防水鋼筋混凝土,防水等級(jí)P8~P12;C25混凝土仰拱填充。

        2 施工方法

        2.1 開挖施工方法和步驟

        隧道上層1、3部開挖主要采用人工手持風(fēng)鎬進(jìn)行,人力手推車運(yùn)碴,自1、3部臨時(shí)仰拱開孔處向2、4部棄碴;中下層(2、4、5、6部)主要采用人工配合小型挖掘機(jī)進(jìn)行開挖,小型翻斗車出碴。開挖及支護(hù)主要施工步驟如下。

        (1)1部開挖前,在拱頂設(shè)計(jì)范圍內(nèi)打設(shè)超前小導(dǎo)管(中隔墻范圍亦需布設(shè))并注漿,完成后人工手持風(fēng)鎬開挖,人力手推車運(yùn)碴,斷面開挖成型后及時(shí)進(jìn)行Ⅶ部初期支護(hù)施工:初噴、布設(shè)系統(tǒng)錨桿并注漿、掛網(wǎng)、架立鋼架(含臨時(shí)仰拱和中隔墻支護(hù)),并向中隔墻(3部未開挖巖體)打設(shè)臨時(shí)錨桿;同時(shí)在兩側(cè)拱腳處布設(shè)鎖腳錨桿,噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度,循環(huán)進(jìn)尺0.6 m。

        (2)1部開挖3 m后,方可進(jìn)行中層2部開挖及Ⅷ部初期支護(hù)作業(yè)(含臨時(shí)仰拱和中隔墻支護(hù)),施工方法同1部。

        (3)2部施工超前3~5 m后,方可進(jìn)行另一側(cè)3部開挖及Ⅸ部初期支護(hù)作業(yè),施工方法同1部;需拆除1部打設(shè)的臨時(shí)錨桿。

        (4)3部開挖3 m后,方可進(jìn)行中層4部開挖及Ⅹ部初期支護(hù)作業(yè),施工方法同2部;需拆除2部打設(shè)的臨時(shí)錨桿。

        (5)4部施工超前3~5 m后,方可進(jìn)行下層5部落底開挖及Ⅺ部仰拱初期支護(hù)作業(yè),施工方法同上;此部位系統(tǒng)錨桿為砂漿錨桿。

        (6)5部施工超前3 m后,方可進(jìn)行另一側(cè)6部落底開挖及Ⅻ部仰拱初期支護(hù)封閉作業(yè),施工方法同5部。

        開挖支護(hù)施工順序見圖1、圖2。

        2.2 后步工序

        隧道全斷面開挖成型后,應(yīng)及時(shí)分段進(jìn)行仰拱和填充層混凝土施工,而后可逐步拆除臨時(shí)仰拱和隔墻,再進(jìn)行拱墻模筑混凝土澆筑。澆筑仰拱時(shí)若不能拆除臨時(shí)支撐,可逐段鑿除隔墻底部混凝土,便于仰拱鋼筋穿過,并在填充層上預(yù)留中心水溝位置。

        圖1 CRD工法工序橫斷面示意

        3 資源合理化配置及進(jìn)度分析

        合理的施工資源配置能提高隧道開挖支護(hù)的功效,加快工程進(jìn)度,快速穿越軟弱破碎圍巖段,為緊張的施工工期提供必要的保障條件。同時(shí)節(jié)省相關(guān)的人力、機(jī)具、材料消耗,縮短施工期降低直接工程成本和管理費(fèi)用,取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

        圖2 CRD工法工序縱斷面示意

        3.1 勞動(dòng)力資源配置

        CRD工法各部位施工人員配備情況見表1。

        3.2 機(jī)械機(jī)具配置

        根據(jù)作業(yè)面大小,選擇適用的施工機(jī)械,合理搭配,盡可能發(fā)揮施工機(jī)械的效率優(yōu)勢(shì),減少作業(yè)工人勞動(dòng)強(qiáng)度,為快速施工創(chuàng)造條件,隧道開挖支護(hù)配備的施工機(jī)械資源見表2。

        表1 勞動(dòng)力資源配備

        表2 開挖支護(hù)主要設(shè)備一覽表

        3.3 施工進(jìn)度

        (1)分部循環(huán)時(shí)間統(tǒng)計(jì)

        施工中各分部作業(yè)內(nèi)容和工程量大致相同,循環(huán)時(shí)間亦相差不大,每循環(huán)時(shí)間基本可以控制在12 h以內(nèi),其各工序消耗時(shí)間分布情況見圖3。

        (2)工程進(jìn)度

        圖3 各工序消耗時(shí)間分布情況

        對(duì)于人工作業(yè)的隧道,出碴不單獨(dú)占用循環(huán)時(shí)間,隨開挖隨出碴,此工序消耗的時(shí)間最長,是影響施工進(jìn)度的關(guān)鍵因素。由于地質(zhì)條件和施工方法的限制,無法發(fā)揮機(jī)械作業(yè)的優(yōu)勢(shì),在正常的情況下,每個(gè)作業(yè)面日進(jìn)尺在1.2 m左右,月進(jìn)度多于30 m,在下層(5、6部)無法及時(shí)開展施工時(shí),每月開挖支護(hù)折合全隧只有24 m延長米的施工進(jìn)度,這對(duì)于獨(dú)頭掘進(jìn)的長大隧道的施工工期影響是嚴(yán)重的。對(duì)于圍巖相對(duì)較為穩(wěn)定,人工開挖難度較大時(shí),可嘗試局部淺孔微差松動(dòng)爆破,以縮短開挖出碴時(shí)間,謀取較快的施工速度。

        4 幾點(diǎn)體會(huì)

        4.1 開挖斷面尺寸選擇

        作為先期開挖的上層1、3部,封閉成環(huán)的結(jié)構(gòu)起到了超前探測(cè)、穩(wěn)定圍巖、安全防護(hù)的作用,其開挖斷面選擇為:高度為4.1 m,寬度約為6 m,高跨比約為0.67;中層2、4部高度4.0 m,余下為下層5、6部開挖高度;確定斷面尺寸應(yīng)遵循的原則是:

        ①選擇合適的高跨比和矢跨比,使隧道趨于圓弧狀,受力狀態(tài)合理,減少因受力復(fù)雜或受力不合理引起的變形、坍塌等事故。

        ②選擇合適的作業(yè)面大小,以便于加快施工進(jìn)度,縮短循環(huán)時(shí)間,減少圍巖暴露時(shí)間,盡快形成封閉的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

        ③盡量提供滿足機(jī)械作業(yè)的基本空間要求,發(fā)揮機(jī)械施工的效率,降低勞動(dòng)強(qiáng)度,為快速施工創(chuàng)造條件。

        ④合理均衡分配各分部結(jié)構(gòu)斷面尺寸,減小后續(xù)部位施工難度,同時(shí)便于工序轉(zhuǎn)換。

        4.2 施工中注意的細(xì)節(jié)

        (1)分部施工中各分部主體支護(hù)結(jié)構(gòu)間鉸接質(zhì)量是隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的保障。

        (2)臨時(shí)仰拱和中隔墻支護(hù)在分部施工過程中起到了初期支護(hù)的作用,其施工質(zhì)量必須得到保證。

        (3)左右分部臨時(shí)仰拱和上下層中隔墻鋼拱架腳板連接時(shí),其弧形拱架軸心對(duì)應(yīng)保持一致,以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體受力效果。

        (4)有施工機(jī)械作業(yè)的部位,在臨時(shí)仰拱噴射混凝土完成后,要及時(shí)采用鋼板等材料鋪設(shè)覆蓋,避免機(jī)械碾壓破壞,或統(tǒng)一澆筑混凝土層加以保護(hù)。

        (5)隧底開挖施工要控制超挖,及早封閉,杜絕地下水浸泡基底圍巖;如有浸泡擾動(dòng),則必須加以清除,并回填混凝土。

        (6)注重鎖腳錨管的作用,施工時(shí)可在管內(nèi)插入鋼筋,壓漿飽滿。

        (7)保證鋼架連接鋼筋焊接質(zhì)量,增強(qiáng)初支結(jié)構(gòu)整體受力效果。

        (8)盡可能采用較長的超前支護(hù)和必要的工作面穩(wěn)定措施,以降低開挖后縱向破裂面對(duì)洞室穩(wěn)定的影響。

        4.3 地下水防治

        由于碳質(zhì)頁巖遇水流塑軟化的特性,地下水的防治效果直接關(guān)系結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,可以從以下幾個(gè)方面加以整治:

        ①超前支護(hù)注漿盡可能壓注水泥-水玻璃雙液漿,加大漿液擴(kuò)散半徑,控制漿液凝固時(shí)間,減少對(duì)碳質(zhì)頁巖水化影響;

        ②對(duì)于開挖過后洞身有滲漏水地段,須進(jìn)行徑向圍巖注漿堵水;對(duì)于滲漏下來的水,防止任意流淌而浸泡圍巖,要采取措施及時(shí)引導(dǎo)排出洞外;

        ③對(duì)于隧道底部出水或底板軟弱地段,需按軟弱基底進(jìn)行治理:淺層部分以清除后換填為主,深層部位則須采取注漿、粉噴樁或其他基底加固措施加以治理。

        4.4 臨時(shí)支撐拆除

        (1)拆除臨時(shí)支撐的條件

        ①隧道全斷面開挖支護(hù)施工完成,并確認(rèn)利用臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)作為支撐條件進(jìn)行圍巖加固、注漿等施工的其他工作內(nèi)容亦完成。

        ②完成需要拆除臨時(shí)支撐范圍內(nèi)的仰拱和填充混凝土澆筑,并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

        ③階段時(shí)間內(nèi)由監(jiān)控量測(cè)結(jié)果判定:結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、基本無變形或無變形發(fā)展趨勢(shì)。

        ④二次襯砌的需要。

        (2)臨時(shí)支撐拆除順序

        ①拆除作業(yè)便于安全控制。

        ②拆除時(shí)隨時(shí)進(jìn)行監(jiān)控量測(cè),出現(xiàn)明顯變形必須恢復(fù)支撐時(shí),便于臨時(shí)支撐的恢復(fù)。鑒于此,本段隧道臨時(shí)支撐拆除順序?yàn)?首先自上而下按①~②的順序拆除上中層中隔墻支撐,而后由上而下按③~④~⑤~⑥的順序拆除臨時(shí)仰拱,最后拆除下層中隔墻⑦。拆除①、②段中隔墻時(shí),切割點(diǎn)可選擇在臨時(shí)仰拱上緣,鑿除噴射混凝土后,跳段拆除。具體步驟見圖4。

        圖4 臨時(shí)支撐拆除步驟

        4.5 施工期監(jiān)控量測(cè)

        (1)隧道在分部施工過程中,針對(duì)每一個(gè)獨(dú)立的工作面均需進(jìn)行單獨(dú)的監(jiān)控量測(cè)和數(shù)據(jù)分析。

        (2)臨時(shí)支撐拆除過程中和拆除后短期內(nèi)需加大頻率對(duì)隧道洞身斷面進(jìn)行監(jiān)控,及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)變化,及時(shí)分析反饋,出現(xiàn)異常情況及時(shí)采取措施,確保結(jié)構(gòu)安全,其監(jiān)控?cái)嗝嬖O(shè)置。

        (3)在軟弱圍巖中分部開挖施工,通過監(jiān)控量測(cè)調(diào)整支護(hù)參數(shù),以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度,避免拆除臨時(shí)支護(hù)時(shí)產(chǎn)生過大的變形。

        5 結(jié)束語

        CRD工法是把整個(gè)斷面劃分成多個(gè)相對(duì)獨(dú)立、封閉成環(huán)的小斷面進(jìn)行分部開挖的施工方法,借助臨時(shí)支護(hù)把主體支護(hù)結(jié)構(gòu)通過鉸接而形成穩(wěn)定的整個(gè)大斷面隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力體系。在整個(gè)施工過程中,通過大量的量測(cè)數(shù)據(jù)分析及時(shí)反饋指導(dǎo)施工,針對(duì)地下水的防治、臨時(shí)支護(hù)的拆除等技術(shù),成功地解決了大跨軟弱圍巖地質(zhì)進(jìn)行隧道建設(shè)的難題,在確保安全的前提下,使各工序變得有序可控,安全通過了軟弱破碎圍巖、洞口淺埋偏壓段。

        [1]TZ214—2005 客運(yùn)專線鐵路隧道工程施工技術(shù)指南[S]

        [2]王建宇.隧道工程的技術(shù)進(jìn)步[M].北京:中國鐵道出版社,2004

        [3]鐵道部工程設(shè)計(jì)鑒定中心.高速鐵路隧道[M].北京:中國鐵道出版社,2006

        [4]鐵建設(shè)[2005]160號(hào) 客運(yùn)專線鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收暫行標(biāo)準(zhǔn)[S]

        [5]汪綱領(lǐng).新大瑤山隧道[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2005

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