■　譚得喜（三明市公路局，三明　365000）

?

三明市快速通道貴溪洋隧道軟弱圍巖開挖工法研究

■譚得喜
（三明市公路局，三明365000）

摘要結合三明市快速通道貴溪洋隧道開挖工程，針對淺埋、軟弱、破碎隧道圍巖施工不利條件，分析了多種開挖工法的特點及適用條件，通過辨證的分析和對比，合理選擇了開挖工法，供類似工程參考。

關鍵詞隧道軟弱圍巖開挖工法研究

1　前言

近年來，我國已進入了隧道建設的高速發(fā)展期，不可避免將遇到大量的軟弱破碎淺埋圍巖，特別是山嶺公路隧道，因其特殊的自然環(huán)境與復雜的水文、地質、地形條件，采用分部開挖方法施工過程中存在著諸多的不確定性因素，技術難度較大，施工中的很多問題尚未完全解決。當前，軟弱破碎淺埋圍巖隧道施工工法選擇中還存在的主要問題是開挖方法還沒有緊密地依托現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進行動態(tài)設計與施工。

本文以三明某快速通道貴溪洋隧道為例，介紹了多種軟弱圍巖的開挖方法及特點，結合對超前地質預報及監(jiān)控量測資料的分析，通過辨證的分析和對比，合理選擇了開挖工法。

2　工程概況

三明某快速通道起于沙縣后底，終于三明市區(qū)貴溪洋，路線長18.39km，雙向六車道，設計時速80km/h，按一級路兼城市快速路標準建設。其中，貴溪洋隧道位于貴溪洋洋山一帶，總體地勢為東北高，西南低，高差較大，地形切割強烈，大多屬于中低山丘陵地貌，部分為山間谷地、洼地等類型。地下水主要為基巖裂隙潛水，含水量豐富，接受大氣降水的補給，水位埋藏度隨季節(jié)變化和地勢的高低變化而變化。隧道右線起訖樁號為K29 +122～K30 +635，長1513m，屬長隧道。洞室凈空14.00×5.0m，凈空面積為120.64m2。見圖1。

本隧道的圍巖級別有Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三級，其中Ⅴ級圍巖約占31.3％，Ⅳ級圍巖約占27.0％，Ⅲ級圍巖約占41.7％。其中有2處不良地質現(xiàn)象較特殊：在隧道K29+ 480～K29+660段，圍巖波速750～1350m/s，圍巖級別為Ⅴ級，洞身圍巖為第四系坡殘積黏性土層和全～強風化花崗閃長巖，埋深3～8m，屬淺埋地段。巖體破碎，成洞條件差，頂部及側壁均不穩(wěn)定，處理不當會出現(xiàn)大塌方，有小規(guī)模涌水；在隧道K30+430.00段，巖體波速2450～2750m/s，圍巖級別為Ⅴ級，地震波形呈異?，F(xiàn)象，巖石裂隙極發(fā)育，巖質較軟，推斷為斷裂破碎帶，破碎帶寬度20～30m，其穩(wěn)定性差，易坍塌，并有可能出現(xiàn)較大的涌水現(xiàn)象。見圖2。

圖1　隧道洞身斷面圖

3　開挖工法選擇原則

在軟弱破碎圍巖洞室開挖的工法選擇時，首先要保證施工安全和質量，其次要優(yōu)先選用能加快進度、節(jié)省工程造價的工法。

4　軟弱破碎圍巖大斷面隧道常用施工工法簡介

目前國內外，針對軟弱破碎圍巖大斷面隧道的開挖工法，主要有CRD法、雙側壁導坑法、三臺階法和CD法等，各工法基本施工工序及橫斷面圖見表1。

圖2　貴溪洋隧道右線地質及支護圖

表1　軟弱破碎圍巖大斷面開挖工工法簡介

4.1CRD工法

CRD工法是淺埋暗挖法的一種，主要應用于淺埋且對地表沉降控制嚴格的大跨隧道施工中，遵循步步封閉的基本理念，保證在每一步開挖后及時封閉，以抑制沉降，控制變形。

所謂CRD工法施工，就是把大斷面變?yōu)樗膫€小斷面進行分部開挖，如圖3所示，采用Ⅰ—Ⅱ—Ⅲ—Ⅳ開挖支護順序：先開挖I部，I部全部封閉完成10～12m后開始開挖II部，此時I、II部同時向前開挖，在II部開挖支護完成10～12m后，再開挖III部，在III部開挖支護完成10～12m后，再開挖IV部。該施工步序存在著結構受力不合理、沉降收斂變形大、施工干擾大等不利因素，當側壓力和水壓力都大時，隧道開挖初期支護變形嚴重，此時，宜優(yōu)化后調整為I—III—II—IV順序，即I、III部上臺階超前，II、IV部下臺階緊跟的開挖方法。

圖3　CRD工法分部開挖示意圖

優(yōu)化后CRD工法施工步序具有以下優(yōu)點：一是I、III部上臺階開挖整體超前，在挖開過程中I、III部支護結構形成了以主拱架為主、臨時支護為扁平支柱的受力對稱、分布較合理的結構；二是減少了結構受偏壓的可能，結構受力更合理，整個上臺階同時受力，增加了基礎承載面積，可有效地減輕沉降；三是I、III部上臺階整體施工，在施工過程可統(tǒng)籌規(guī)劃，統(tǒng)籌管理，既減少了機具、設備、原材料的投入，又提高了使用效率，加快了施工進度；四是開挖分四個斷面，以新奧法原理，嚴格按“管超前，嚴注漿，短進尺，弱爆破，快封閉，勤量測”的十八字方針施工，各自快速封閉成環(huán)，安全可靠。

4.2雙側壁工法

雙側壁導坑工法也屬于淺埋暗挖法的一種，適用條件與CRD工法基本一致。采用機械和人工配合開挖方法，充分保護圍巖，化大跨為小跨，有效地控制圍巖收斂變形。利用綜合超前地質預報及監(jiān)控量測手段，始終將施工處于可控狀態(tài)的一種工法。其原理是：利用兩個中隔壁把整個隧道大斷面分成左中右三個小斷面施工，左、右導洞先行，中間斷面緊跟其后，初期支護仰拱成環(huán)，拆除兩側導洞臨時支撐，形成隧道全斷面。見圖4。

相對于CRD工法，采用雙側壁導坑工法優(yōu)點：一是左右導洞先行施工，中導洞后施工，中型機械挖掘機、噴射機、裝載機和載重汽車可直接開到掌子面進行機械化施工，能加快施工進度；二是CRD工法施工將斷面分為四塊，施工時上下斷面之間隔一層臨時仰拱，被為“樓上”和“樓下”，人員上下要爬樓梯，且大型機械不宜在頂層的Ⅰ部和Ⅲ部施工，施工工序多、進度慢，而雙側壁工法左中右導洞可供大型機械施工，進度快。

相對于CRD工法，采用雙側壁導坑工法缺點：一是側壁導坑施工時，收斂不易控制，易造成收斂過大的情況；二是如果與注漿施工相結合，則顯得洞室高度較高，不易操作；三是中隔壁拆除工作繁雜，各工作面間相互制約；四是如果圍巖地質條件較差，地下水發(fā)育、豐富，在開挖時側壓力比較大，采用雙側壁導坑工法需加強支護。

圖4　雙側壁導坑工法示意圖

4.3臺階工法

凡需要爆破的圍巖地段宜采用臺階法開挖，不適用于圍巖地質為流塑狀態(tài)、洞口潛埋偏壓段。在大斷面隧道中常用“三臺階七步開挖法”，該工法是指在隧道開挖過程中以弧形導坑開挖預留核心土為基本模式，分上、中、下三個臺階七個開挖面，以前后七個不同的位置相互錯開開挖，分部及時支護，形成支護整體，縮短作業(yè)循環(huán)時間，各部位的開挖與支護沿隧道縱向錯開、平行推進的隧道施工方法。開挖法透視圖見圖5。

施工步驟：

第1步：施作超前支護后，開挖拱部弧形導坑，預留核心土，施作拱部初期支護；

第2、3步：開挖左右側中臺階并施作初期支護；

第4、5步：開挖左右側下臺階并施作初期支護；

第6步：分別開挖上、中、下臺階核心土；

第7步：開挖隧底并施作仰拱初期支護封閉成環(huán)。

大斷面軟巖隧道施工采用“三臺階七步開挖法”，在經(jīng)濟效益方面尤為突出，與傳統(tǒng)的大斷面隧道CRD法施工比較，主要有以下幾個方面的優(yōu)點：一是拓展了隧道的施工空間，可以做到大型施工機具生產(chǎn)效率最大化，避免了CRD法作業(yè)空間小、限制了大型施工機具使用的尷尬局面，進一步提高了單位時間內的施工產(chǎn)值，縮短了整個單位工程的施工工期；二是降低了人工用量和勞動強度，節(jié)約了工費成本，由以往密集型勞力施工轉變?yōu)闄C械化、程序化施工；三是采用“三臺階七步開挖法”施工沒有臨時支護環(huán)節(jié)，節(jié)約了大量的臨時支護成本，減少投資浪費。

圖5　三臺階七步法透視圖

4.4CD工法

CD法又稱中隔壁法，是淺理暗挖隧道開挖常用的施工工法。是指在大跨度軟弱圍巖隧道中，先分部開挖隧道的一側，通過增加中壁墻等臨時支護構件，形成分部開挖初期支護封閉環(huán)，再分部開挖隧道的另一側，最后完成全部斷面開挖與初期支護，可有效的將大跨度隧道轉變?yōu)橹行】缍鹊乃淼?，減小地面沉降和隧道周邊收斂。CD法適用于地質條件困難，圍巖軟弱，覆蓋層薄，含水量大，基底承載力低的Ⅳ級、V級圍巖隧道。見圖6。

圖6　CD工法示意圖

表2　軟弱破碎圍巖隧道主要施工工法比較

CD工法施工方案具有以下優(yōu)點：一是CD工法施工增加了超前小導管和注漿量，有效地穩(wěn)定了掌子面；二是把拱部分成兩個洞室后，單洞室能夠快速封閉成環(huán)。增加了中隔壁，可以大大減小大跨度拱頂?shù)某两底冃?，維護初期支護的穩(wěn)定，降低了施工風險；三是兩個洞室前后錯開一定距離，中跨格柵能夠快速與小導洞內的格柵連接，中跨拱頂初期支護能夠快速整體成型；四是中隔壁格柵鋼筋可以拆除回收。

4.5軟弱破碎圍巖隧道主要施工工法適用性比較

軟弱破碎圍巖隧道主要施工工法適用性詳見表2。

5　工程地質條件對開挖工法選擇的影響

圍巖工程地質條件是確定隧道開挖工法的關鍵因素。貴溪洋隧道III級圍巖穿越地層主要中等風化～微風化花崗閃長巖，巖石強度較高，宜采用全斷面鉆爆法施工；貴溪洋隧道K30+430.00段為V級圍巖，且通過斷層帶，斷層破碎帶寬約20～30 m，部分地段圍巖較破碎，易發(fā)生突水、突泥，應采用CRD或雙側壁分部開挖工法，并加強監(jiān)控量測，需動態(tài)進行開挖工法設計與施工。

6　地表沉降要求對隧道開挖工法選擇的影響

圖7為不同施工工法對應的地表沉降曲線圖。從圖7分析可知：①軟弱破碎圍巖隧道采用不同主要施工工法開挖，其地表沉降曲線均呈“槽型”，其最大沉降位置均位于中線附近。距中線相同距離位置的沉降值，雙側壁導坑法中先開挖側略大于后開挖側，而CD法和CRD法相反，三臺階法基本相等?？梢?，地表沉降量值大小與隧道施工工序、開挖路徑有關。②采用不同施工工法，相同位置產(chǎn)生的沉降大小滿足如下關系：三臺階法＞CD法＞雙側壁導坑法、CRD法?？梢?，采用雙側壁導坑法和CRD法施工產(chǎn)生的地表沉降最小，因此，對于地表沉降要求嚴格的地段的隧道開挖采用雙側壁導坑法和CRD法施工較為有效。

圖7　不同施工工法對應的地表沉降曲線圖

7　超前地質預報及監(jiān)控量測對隧道開挖工法選擇的影響

隧道開挖過程中應根據(jù)超前地質預報及監(jiān)控量測數(shù)據(jù)及時動態(tài)調整開挖工法。在K29+480.00處，根據(jù)地質雷達波圖像的辨識及隧道地形、地貌和掌子面所露出的地質條件綜合分析，推測在掌子面前方0～50m范圍內，即K29+480-K30+530范圍內，雷達波反射較為雜亂，同向軸斷續(xù)，存在節(jié)理破碎帶或蝕變帶，呈鑲嵌裂隙塊狀結構，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，富含基巖裂隙水，位于淺埋段，建議圍巖級別為V級。該掌子面附近監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示洞周收斂最大速率為-1.28mm/d，超過-1mm/d，已達到預警等級。通過分析以上數(shù)據(jù)及時將原設計雙側壁工法變更為優(yōu)化后的CRD工法，并加強超前支護，縮短開挖進尺。

8　軟弱破碎圍巖隧道開挖工法的合理選用及效果

通過圍巖等級、地質預報、監(jiān)控量測數(shù)據(jù)、施工風險、施工工序、施工機械、作業(yè)面穩(wěn)定、施工難度、地面沉降、施工進尺和工法的合理性及其適用范圍等方面比較研究，貴溪洋隧道Ⅴ級圍巖施工時，有針對性地進行了選用：

（1）對上軟下硬地層、圍巖承載力大于200kPa、圍巖力學性能受地下水影響較小時，優(yōu)先考慮采用臺階法施工；

（2）對大跨度斷面上軟下硬地層、圍巖力學性能受地下水浸泡影響后其承載力小于200kPa的場地，采用CD法或大拱腳雙側壁導坑法施工；

（3）對大跨度斷面、上硬下軟或上下均軟的地層、圍巖承載力小于200kPa，考慮雙側壁導坑法施工；

（4）對大跨度斷面上硬下軟或上下均軟地層、且側壓力較大、圍巖力學性能受地下水影響后承載力小于200kPa時，考慮CRD法施工；本隧道2處不良地質段按照優(yōu)化后的CRD工法開挖。

施工實踐證明按以上必選后的開挖工法施工取得了安全、質量、進度的良好效果。

參考文獻

［1］JTG D70-2004，公路隧道設計規(guī)范.

［2］JTG F60-2009，公路隧道施工技術規(guī)范.

［3］林作雷.長距淺埋大跨不良地質CRD工法施工技術.海峽出版發(fā)行集團、福建科學技術出版社，2011.

［4］林作雷.超淺埋段大斷面富水軟弱圍巖雙側壁工法施工技術.海峽出版發(fā)行集團、福建科學技術出版社，2011.

［5］涂芝恩，彭宇，朱龍.淺談隧道開挖中CD法施工.中國水運，2011.5.

［6］智文忠，程鵬，崔樂超.隧道三臺階法開挖施工工法．2014.1.

［7］中交公路規(guī)劃設計院有限公司.福建省三明長深高速公路連接線一期工程（沙縣至梅列段）A4合同段，兩階段施工圖設計. 2010.10.