■　譚得喜（三明市公路局，三明　365000）

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三明市快速通道貴溪洋隧道軟弱圍巖開(kāi)挖工法研究

■譚得喜
（三明市公路局，三明365000）

摘要結(jié)合三明市快速通道貴溪洋隧道開(kāi)挖工程，針對(duì)淺埋、軟弱、破碎隧道圍巖施工不利條件，分析了多種開(kāi)挖工法的特點(diǎn)及適用條件，通過(guò)辨證的分析和對(duì)比，合理選擇了開(kāi)挖工法，供類(lèi)似工程參考。

關(guān)鍵詞隧道軟弱圍巖開(kāi)挖工法研究

1　前言

近年來(lái)，我國(guó)已進(jìn)入了隧道建設(shè)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(fù)雜的水文、地質(zhì)、地形條件，采用分部開(kāi)挖方法施工過(guò)程中存在著諸多的不確定性因素，技術(shù)難度較大，施工中的很多問(wèn)題尚未完全解決。當(dāng)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(wèn)題是開(kāi)挖方法還沒(méi)有緊密地依托現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)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(kāi)挖方法及特點(diǎn)，結(jié)合對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及監(jiān)控量測(cè)資料的分析，通過(guò)辨證的分析和對(duì)比，合理選擇了開(kāi)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(xiàn)長(zhǎng)18.39km，雙向六車(chē)道，設(shè)計(jì)時(shí)速80km/h，按一級(jí)路兼城市快速路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。其中，貴溪洋隧道位于貴溪洋洋山一帶，總體地勢(shì)為東北高，西南低，高差較大，地形切割強(qiáng)烈，大多屬于中低山丘陵地貌，部分為山間谷地、洼地等類(lèi)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(bǔ)給，水位埋藏度隨季節(jié)變化和地勢(shì)的高低變化而變化。隧道右線(xiàn)起訖樁號(hào)為K29 +122～K30 +635，長(zhǎng)1513m，屬長(zhǎng)隧道。洞室凈空14.00×5.0m，凈空面積為120.64m2。見(jiàn)圖1。

本隧道的圍巖級(jí)別有Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三級(jí)，其中Ⅴ級(jí)圍巖約占31.3％，Ⅳ級(jí)圍巖約占27.0％，Ⅲ級(jí)圍巖約占41.7％。其中有2處不良地質(zhì)現(xiàn)象較特殊：在隧道K29+ 480～K29+660段，圍巖波速750～1350m/s，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，洞身圍巖為第四系坡殘積黏性土層和全～強(qiáng)風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖，埋深3～8m，屬淺埋地段。巖體破碎，成洞條件差，頂部及側(cè)壁均不穩(wěn)定，處理不當(dāng)會(huì)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(jí)別為Ⅴ級(jí)，地震波形呈異?，F(xiàn)象，巖石裂隙極發(fā)育，巖質(zhì)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(jiàn)圖2。

圖1　隧道洞身斷面圖

3　開(kāi)挖工法選擇原則

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

4　軟弱破碎圍巖大斷面隧道常用施工工法簡(jiǎn)介

目前國(guó)內(nèi)外，針對(duì)軟弱破碎圍巖大斷面隧道的開(kāi)挖工法，主要有CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、三臺(tái)階法和CD法等，各工法基本施工工序及橫斷面圖見(jiàn)表1。

圖2　貴溪洋隧道右線(xiàn)地質(zhì)及支護(hù)圖

表1　軟弱破碎圍巖大斷面開(kāi)挖工工法簡(jiǎn)介

4.1CRD工法

CRD工法是淺埋暗挖法的一種，主要應(yīng)用于淺埋且對(duì)地表沉降控制嚴(yán)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(kāi)挖后及時(shí)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€(gè)小斷面進(jìn)行分部開(kāi)挖，如圖3所示，采用Ⅰ—Ⅱ—Ⅲ—Ⅳ開(kāi)挖支護(hù)順序：先開(kāi)挖I部，I部全部封閉完成10～12m后開(kāi)始開(kāi)挖II部，此時(shí)I、II部同時(shí)向前開(kāi)挖，在II部開(kāi)挖支護(hù)完成10～12m后，再開(kāi)挖III部，在III部開(kāi)挖支護(hù)完成10～12m后，再開(kāi)挖IV部。該施工步序存在著結(jié)構(gòu)受力不合理、沉降收斂變形大、施工干擾大等不利因素，當(dāng)側(cè)壓力和水壓力都大時(shí)，隧道開(kāi)挖初期支護(hù)變形嚴(yán)重，此時(shí)，宜優(yōu)化后調(diào)整為I—III—II—IV順序，即I、III部上臺(tái)階超前，II、IV部下臺(tái)階緊跟的開(kāi)挖方法。

圖3　CRD工法分部開(kāi)挖示意圖

優(yōu)化后CRD工法施工步序具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是I、III部上臺(tái)階開(kāi)挖整體超前，在挖開(kāi)過(guò)程中I、III部支護(hù)結(jié)構(gòu)形成了以主拱架為主、臨時(shí)支護(hù)為扁平支柱的受力對(duì)稱(chēng)、分布較合理的結(jié)構(gòu)；二是減少了結(jié)構(gòu)受偏壓的可能，結(jié)構(gòu)受力更合理，整個(gè)上臺(tái)階同時(shí)受力，增加了基礎(chǔ)承載面積，可有效地減輕沉降；三是I、III部上臺(tái)階整體施工，在施工過(guò)程可統(tǒng)籌規(guī)劃，統(tǒng)籌管理，既減少了機(jī)具、設(shè)備、原材料的投入，又提高了使用效率，加快了施工進(jìn)度；四是開(kāi)挖分四個(gè)斷面，以新奧法原理，嚴(yán)格按“管超前，嚴(yán)注漿，短進(jìn)尺，弱爆破，快封閉，勤量測(cè)”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(cè)壁工法

雙側(cè)壁導(dǎo)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(jī)械和人工配合開(kāi)挖方法，充分保護(hù)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(zhì)預(yù)報(bào)及監(jiān)控量測(cè)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(gè)中隔壁把整個(gè)隧道大斷面分成左中右三個(gè)小斷面施工，左、右導(dǎo)洞先行，中間斷面緊跟其后，初期支護(hù)仰拱成環(huán)，拆除兩側(cè)導(dǎo)洞臨時(shí)支撐，形成隧道全斷面。見(jiàn)圖4。

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

相對(duì)于CRD工法，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法缺點(diǎn)：一是側(cè)壁導(dǎo)坑施工時(shí)，收斂不易控制，易造成收斂過(guò)大的情況；二是如果與注漿施工相結(jié)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(zhì)條件較差，地下水發(fā)育、豐富，在開(kāi)挖時(shí)側(cè)壓力比較大，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法需加強(qiáng)支護(hù)。

圖4　雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法示意圖

4.3臺(tái)階工法

凡需要爆破的圍巖地段宜采用臺(tái)階法開(kāi)挖，不適用于圍巖地質(zhì)為流塑狀態(tài)、洞口潛埋偏壓段。在大斷面隧道中常用“三臺(tái)階七步開(kāi)挖法”，該工法是指在隧道開(kāi)挖過(guò)程中以弧形導(dǎo)坑開(kāi)挖預(yù)留核心土為基本模式，分上、中、下三個(gè)臺(tái)階七個(gè)開(kāi)挖面，以前后七個(gè)不同的位置相互錯(cuò)開(kāi)開(kāi)挖，分部及時(shí)支護(hù)，形成支護(hù)整體，縮短作業(yè)循環(huán)時(shí)間，各部位的開(kāi)挖與支護(hù)沿隧道縱向錯(cuò)開(kāi)、平行推進(jìn)的隧道施工方法。開(kāi)挖法透視圖見(jiàn)圖5。

施工步驟：

第1步：施作超前支護(hù)后，開(kāi)挖拱部弧形導(dǎo)坑，預(yù)留核心土，施作拱部初期支護(hù)；

第2、3步：開(kāi)挖左右側(cè)中臺(tái)階并施作初期支護(hù)；

第4、5步：開(kāi)挖左右側(cè)下臺(tái)階并施作初期支護(hù)；

第6步：分別開(kāi)挖上、中、下臺(tái)階核心土；

第7步：開(kāi)挖隧底并施作仰拱初期支護(hù)封閉成環(huán)。

大斷面軟巖隧道施工采用“三臺(tái)階七步開(kāi)挖法”，在經(jīng)濟(jì)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(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：一是拓展了隧道的施工空間，可以做到大型施工機(jī)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(jī)具使用的尷尬局面，進(jìn)一步提高了單位時(shí)間內(nèi)的施工產(chǎn)值，縮短了整個(gè)單位工程的施工工期；二是降低了人工用量和勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了工費(fèi)成本，由以往密集型勞力施工轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械化、程序化施工；三是采用“三臺(tái)階七步開(kāi)挖法”施工沒(méi)有臨時(shí)支護(hù)環(huán)節(jié)，節(jié)約了大量的臨時(shí)支護(hù)成本，減少投資浪費(fèi)。

圖5　三臺(tái)階七步法透視圖

4.4CD工法

CD法又稱(chēng)中隔壁法，是淺理暗挖隧道開(kāi)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(kāi)挖隧道的一側(cè)，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)封閉環(huán)，再分部開(kāi)挖隧道的另一側(cè)，最后完成全部斷面開(kāi)挖與初期支護(hù)，可有效的將大跨度隧道轉(zhuǎn)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(zhì)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(jí)、V級(jí)圍巖隧道。見(jiàn)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(diǎn)：一是CD工法施工增加了超前小導(dǎo)管和注漿量，有效地穩(wěn)定了掌子面；二是把拱部分成兩個(gè)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)某两底冃危S護(hù)初期支護(hù)的穩(wěn)定，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)；三是兩個(gè)洞室前后錯(cuò)開(kāi)一定距離，中跨格柵能夠快速與小導(dǎo)洞內(nèi)的格柵連接，中跨拱頂初期支護(hù)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(jiàn)表2。

5　工程地質(zhì)條件對(duì)開(kāi)挖工法選擇的影響

圍巖工程地質(zhì)條件是確定隧道開(kāi)挖工法的關(guān)鍵因素。貴溪洋隧道III級(jí)圍巖穿越地層主要中等風(fēng)化～微風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖，巖石強(qiáng)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(jí)圍巖，且通過(guò)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(yīng)采用CRD或雙側(cè)壁分部開(kāi)挖工法，并加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，需動(dòng)態(tài)進(jìn)行開(kāi)挖工法設(shè)計(jì)與施工。

6　地表沉降要求對(duì)隧道開(kāi)挖工法選擇的影響

圖7為不同施工工法對(duì)應(yīng)的地表沉降曲線(xiàn)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(kāi)挖，其地表沉降曲線(xiàn)均呈“槽型”，其最大沉降位置均位于中線(xiàn)附近。距中線(xiàn)相同距離位置的沉降值，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法中先開(kāi)挖側(cè)略大于后開(kāi)挖側(cè)，而CD法和CRD法相反，三臺(tái)階法基本相等?？梢?jiàn)，地表沉降量值大小與隧道施工工序、開(kāi)挖路徑有關(guān)。②采用不同施工工法，相同位置產(chǎn)生的沉降大小滿(mǎn)足如下關(guān)系：三臺(tái)階法＞CD法＞雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法?？梢?jiàn)，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD法施工產(chǎn)生的地表沉降最小，因此，對(duì)于地表沉降要求嚴(yán)格的地段的隧道開(kāi)挖采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD法施工較為有效。

圖7　不同施工工法對(duì)應(yīng)的地表沉降曲線(xiàn)圖

7　超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及監(jiān)控量測(cè)對(duì)隧道開(kāi)挖工法選擇的影響

隧道開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整開(kāi)挖工法。在K29+480.00處，根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)波圖像的辨識(shí)及隧道地形、地貌和掌子面所露出的地質(zhì)條件綜合分析，推測(cè)在掌子面前方0～50m范圍內(nèi)，即K29+480-K30+530范圍內(nèi)，雷達(dá)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(jié)構(gòu)，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(jí)別為V級(jí)。該掌子面附近監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)顯示洞周收斂最大速率為-1.28mm/d，超過(guò)-1mm/d，已達(dá)到預(yù)警等級(jí)。通過(guò)分析以上數(shù)據(jù)及時(shí)將原設(shè)計(jì)雙側(cè)壁工法變更為優(yōu)化后的CRD工法，并加強(qiáng)超前支護(hù)，縮短開(kāi)挖進(jìn)尺。

8　軟弱破碎圍巖隧道開(kāi)挖工法的合理選用及效果

通過(guò)圍巖等級(jí)、地質(zhì)預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)、施工風(fēng)險(xiǎn)、施工工序、施工機(jī)械、作業(yè)面穩(wěn)定、施工難度、地面沉降、施工進(jìn)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(jí)圍巖施工時(shí)，有針對(duì)性地進(jìn)行了選用：

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

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

（3）對(duì)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(cè)壁導(dǎo)坑法施工；

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

施工實(shí)踐證明按以上必選后的開(kāi)挖工法施工取得了安全、質(zhì)量、進(jìn)度的良好效果。

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