论软弱围岩环境下隧道CRD开挖工法

赵富幸

云南省公路局芒市公路管理总段，云南 潞西 678400

所谓“CRD”法，就是指在隧道等地下工程掘进施工过程中，通过设置中隔壁和临时仰拱（两者交叉）将开挖断面分成4个部分，然后再根据围岩情况进行细分部进行开挖，此法是以新奥法的基本原理为依据，在开挖过程中尽量减少对围岩的扰动，通过超前导管、锚喷网、格栅洞壁支护系统和中隔壁、临时仰拱联结，使断面支护及早闭合，控制围岩的变形，并使之趋于稳定。同时，建立围岩支护结构监控量测系统，随时掌握施工过程中的动态变化，合理安排，调整施工工艺和修改设计参数，确保施工安全。CRD工法特点是可以充分利用中隔壁和临时仰拱的支撑作用，并辅以超前注浆小导管超前支护、挂网和格栅喷混凝土等支护手段，加之开挖对围岩扰动小，故大大提高了施工的安全性，有效控制了围岩变形和地表下沉。支护系统能很好的适应围岩的变化，与围岩形成一个整体，能充分发挥围岩的自承能力。结合应用监控量测等信息化管理方法指导施工，使整个施工过程处于受控状态。另一方面，采用分部开挖，其超前导坑可以起到超前预报的作用。

1 工程概况

户撒隧道为单洞双向行驶双车道隧道。分界段里程为K120+008～K121+595，分界段全长1587m，隧道设计净跨为10.60m，净高为6.85m，采用半径为5.3m的单心圆衬砌断面，最大埋深199.0m。隧道地处大盈江与南碗河水系分水岭，为构造剥蚀中山中切割长垣垄状山地地形地貌，山地植被很发育，植被茂密，地形纵坡起伏较大，自然坡度一般多在35～50°之间，局部大于65°，路线经过最大高程为1783.04m，为该二级公路穿赿区的最大高程点，坡面沟谷很发育，呈树枝状，切割较深，多呈“V”字型， 隧道围岩进出口段划分为Ⅴ级、中部为Ⅴ～Ⅳ级。进口段上覆第四系残坡积褐黄、褐红、灰黄色砂质粉土，松散-稍密状，厚度1.5～3.0m，洞口段岩体风化极强，全风化岩层大于35.0m，坡体稳定性差，施工过程中易引起规模较大的坍塌；出口段上覆第四系残坡积褐黄、褐红、灰黄色砂质粉土，松散-稍密状，厚度1.5～3.5m，处为山麓谷坡，受地形、岩石风化、基岩裂隙水的影响，坡体稳定性差，易产生偏压，全风化岩层大于35m，岩体呈角（砾）碎（石）状松散结构，围岩易坍塌，施工过程中易引起规模较大的坍塌，隧道中部围岩为多中风化，呈碎块、块石状镶嵌结构。岩石饱和抗压强度36.0～90.7MPa，平均软化系数0.73。深埋处围岩稳定性较好，级别较高，浅埋处受地表水与基岩裂隙水、岩石风化的影响，稳定性较差，级别较低。局部地段受岩体差异风化性的影响，沿节理裂隙密集带，受地下水的影响，风化较为强烈，多呈强风化碎石状，局部呈全风化砂土状，对隧

根据现场施工实际情况，首先应进行由台阶法向CRD工法转换的过渡施工。转换段为掌子面至其后12m，转换段按既定CRD法施作中隔壁和临时仰拱支撑，按V级加强断面支护参数进行初期支护，形成支护成环封闭，掌子面前方按CRD工法施工。具体为：将开挖分1、3、5、7四部分进行；由于每部开挖断面较大，每部中分两台阶开挖，以防止侧壁因开挖过高而出现坍塌；每分部施作中上下台阶步距2～3m，每部开挖步距3～5m。CRD法施工中1、3部开挖采用人工配合小型机械进行；5、7部采用人工配合小型机械施作，大型机械辅助。道围岩的稳定不利。尤其 K120+220～+240、K120+380～+400、K120+480～+500、K120+570～+580、K120+690～+720、K121+410～+440段坡面沟谷发育，地下水汇集，富水性较强，风化差异性较大，拱部无支护可产生较大坍塌，侧壁有时失去稳定，隧道施工过程中可能产生较大水量的涌水，建议做好地下水监测及预报工作，同时加强地下水疏导排措施，加强坡面防护并对隧道洞身进行及时砌护；隧道处于变质岩区，地下水化学类型以HCO3-Ca·Mg型为主，局部为HCO3—Ca及HCO3—Na型，矿化度一般小于0.3g/l，pH值5.8～7.6，对混凝土无腐蚀性，是较好的生活生产用水。根据该段隧道以上特点，初期支护按V级支护施作，“三台阶七步”开挖法进行施工掘进。隧道在初次支护后即出现持续变形，最大断面变形量超过70cm，致使初期支护大段侵限。根据TSP203和地质雷达超前预报分析，隧道该类围岩在可预报范围内无明显好转迹象，为确保隧道施工安全，确保隧道二次衬砌质量，隧道该类围岩地段按CRD法施工。

2 CRD施工设计

图1 CRD工法施工分区图

户撒隧道CRD法施工段隧道开挖超前支护采用注浆小导管，注浆浆液为双液浆。隧道初期支护采用格栅钢架、喷C25混凝土、挂钢筋网；支护中锚杆采用中空注浆锚杆，中隔壁及临时仰拱采用I18工字钢、挂钢筋网喷C25号混凝土支护。CRD开挖施工工艺流程见图2。

2.1 超前注浆小导管施工

施工方法：在1部和5部开挖之前对拱部按设计施作超前小导管，并注水泥－水玻璃双液浆。首先用凿岩机钻孔后放入小导管，双液注浆机注浆。

施工参数：

1）选Φ42钢插管，管长5.0m，在管段中部设梅花形Φ8出浆孔，孔距0.2m；双液注浆一定要保证注浆效果。小导管按图3示意制作。

2）钢管沿开挖轮廓线布置，外插角5O～10O，间距0.4m。

3）注浆压力控制在0.5～1.0 Mpa。注浆时先采用较小压力，当压力升高至1.0 Mpa时，停止注浆，等待几分钟后（不得长于浆液凝胶时间），当压力降低后重新注浆。这样反复几次，直到压力不再下降为止，以达到最佳注浆效果。当进浆量很大，压力长时间不升高，则应调整浆液浓度及配合比，缩短浆液凝胶时间。

4）双液注浆：注1:1水泥－水玻璃双液浆，注浆压力控制在0.5～1.0 Mpa。注浆时先采用较小压力，当压力升高至1.0 Mpa时，停止注浆，等待几分钟后（不得长于浆液凝胶时间），当压力降低后重新注浆。这样反复几次，直到压力不再下降为止，以达到最佳注浆效果。

5）小导管端部应与钢架联接，和钢架与注浆小导管配合使用，以形成棚架支护体系，在拱部根据设计要求布置。

图2 CRD工法施工工艺流程

图3 CRD工法小导管加工图

2.2 开挖及支护

1）开挖顺序：1部先开挖，随即依次开挖3部－5部－7部；1部、3部采用人工配合小型机具开挖，架子车运土至下台；5部、7部采用人工开挖两侧边墙，中间采用装载机（挖掘机）开挖，自卸车出渣。开挖分部见图4所示。开挖循环进尺与设计钢架间距相同（0.5m/榀），即每次开挖进尺为0.5m。

2）初期支护为：C25喷射混凝土厚30cm（II～VIII组成）；格栅钢架0.5m/榀；φ6.5钢筋网，网格间距15cm×15cm；拱墙布设系统锚杆，采用φ25中空注浆锚杆；每两榀拱架之间设纵向φ22连接筋，环向间距0.8m。

3）施作工序

（1）先开挖1部上台阶，开挖单循环0.5m；开挖后初喷3～5cm混凝土，挂钢筋网，架设拱部及中隔壁钢架，施工系统及锁脚锚杆，最后复喷至设计厚度。

（2）1部上台阶施工2～3m后，开挖1部下台阶，每循环进尺0.5m；开挖后初喷3～5cm混凝土，挂钢筋网，架设上边墙、中隔壁、及临时仰拱钢架，施工系统及锁脚锚杆，最后复喷至设计厚度。

（3）1部下台阶施工2～3m后，开挖3部上台阶，每循环进尺0.5m，开挖后初喷3～5cm混凝土，挂钢筋网，架设下边墙、中隔壁钢架，施工系统及锁脚锚杆，最后复喷至设计厚度。

（4）3部上台阶施工2～3m后，开挖3部下台阶，每循环进尺0.5m，开挖后初喷3～5cm混凝土，挂钢筋网，架设下边墙、中隔壁及仰拱钢架，施工系统及锁脚锚杆，最后复喷至设计厚度。

（5）3部下台阶施工后，开挖5部上台阶，开挖后初喷3～5cm混凝土，挂钢筋网，架设拱部及中隔壁钢架，施工系统及锁脚锚杆，最后复喷至设计厚度。

（6）5部上台阶施工2～3m后，开挖5部下台阶，每循环进尺0.5m，开挖后初喷3～5cm混凝土，挂钢筋网，架设上边墙、中隔壁、及临时仰拱钢架，施工系统及锁脚锚杆，最后复喷至设计厚度。

（7）5部下台阶施工2～3m后，开挖7部上台阶，每循环进尺0.5m，开挖后初喷3～5cm混凝土，挂钢筋网，架设下边墙、中隔壁钢架，施工系统及锁脚锚杆，最后复喷至设计厚度。

（8）7部上台阶施工2～3m后，开挖7部下台阶，每循环进尺0.5m，开挖后初喷3～5cm混凝土，挂钢筋网，架设下边墙、中隔壁、仰拱钢架，施工系统及锁脚锚杆，最后复喷至设计厚度。仰拱钢架每3m封闭一次。

图4 CRD工法施工工序示意图

4）施工注意事项：

（1）施工1、3、5、7部上断面时，要做好钢架锁脚导管，并注浆加固，初期支护及中隔壁钢架底部垫设混凝土预制块，防止出现过大收敛和沉降变形。

（2）7部下台阶仰拱初期支护，每3m封闭一次，以便中心排水管施工。

2.3 拆除中隔墙，仰拱及填充施工

当7部下台阶仰拱初期支护封闭完成，超前设计仰拱6～8m后，仅靠设计仰拱端拆除底部中隔墙喷射混凝土及工字钢架，拆除长度5m，实际拆除时根据监控量测结果调整拆除长度，然后施工仰拱及填充。

2.4 二次衬砌施工

在施作二次衬砌前，拆除中隔墙及临时仰拱，然后铺设防水层；二次衬砌为模筑钢筋混凝土，采用整体定型钢模台车，配备混凝土输送泵灌注混凝土。仰拱及填充超前5m后，二次衬砌施作一环，衬砌灌注10～20h后进行养护。混凝土强度达到规范要求强度后拆模，施作下一循环。根据监控量测反馈的信息，确定二衬施作长度并及时施作。

2.5 监控量测

监控量测的项目及方法：

1） 地质及支护状态观察。对开挖掌子面进行观察、地质素描，对围岩及初期支护表面进行观察；

2） 拱顶下沉量测，在中隔壁的两侧即1部、5部的开挖拱顶，各设一个测点，采用水平仪测其下沉量；

3） 周边收敛量测，根据需要，在洞内拱脚、最大跨度线、边墙角等处布设水平基线，采用收敛仪量测；

4） 拆除中隔墙及临时仰拱过程拱顶下沉及周边收敛量测监控。量测拱顶下沉、收敛全部测点均埋设在同一断面；

5） 根据规范和设计要求，制定监控量测断面间距及量测频率等量测方案；

6） 施工测量组和监控量测组负责量测、数据整理、绘制回归曲线并及时反馈至隧道专业工程师，以采取相应的技术措施；

7）喷混凝土、二次衬砌、钢架支立，仰拱填充等施工工艺与台阶法施工相同。

2.6 CRD法施工关键及作业要点

1） 保持各分部开挖断面和各部的纵向间距，分部开挖要严格按预定尺寸放线，开挖遵循“宁欠勿超”的原则（局部欠挖采用风稿修正），断面开挖力求圆顺，以减少出现应力集中现象；

2） 每块小断面开挖长度3～5m，及时设置临时仰拱封闭、步步成环，尽量缩短成环时间，必要时进行掌子面喷射混凝土临时支护；

3）中隔壁设置为弧形临时支护，隧道左右开挖小断面底部临时仰拱保持在同一断面上，各节点的连接一定要对齐，螺栓连接牢固，并及时施作锁脚锚管；

4）必须保证中隔壁和临时仰拱钢架的规格数量和喷射混凝土的厚度，钢架之间纵向连接钢筋及时施作并连接牢固；

5） 为减小支护结构对地基的压力，提高地基的承载能力，对型钢拱架的底部设置40×40×20cm的预制垫块；

6） 初期支护稳定后分段拆除中隔壁临时支护，拆除长度应根据变形监控量测信息和仰拱浇筑长度确定（一般为4～6m）。但一次拆除长度不宜超过15m，并加强拆除过程监控量测；

7）中隔壁混凝土拆除时，要防止对初期支护系统形成大的振动和扰动。可采用风镐由上至下逐榀拆除钢支撑之间的喷射混凝土，以及临时支护与初期支护连接部位附着在钢架上的喷射混凝土，临时钢构件采用气焊烧断；

8） 临时支护拆除后及时施作隧道仰拱和二次衬砌；

9）加强对围岩的量测监控。

3 施工质量与安全控制要点：

1）严格按设计及规范要求施工，做到规范操作；切实做好技术交底，加强现场指导和过程控制，认真执行测量复核制；

2） 加强质量教育，提高全员质量意识。加强和完善质量控制体系；加强工序质量控制，尤其是超前支护和初期支护施作质量；

3）强化安全教育，做好岗前培训，提高全体操作人员安全意识；实行动态安全管理，专职安全员巡视工地；

4）严格执行交接班制度，确保各工序密切配合，顺利施工；

5） 加强上下层封闭，专人防护，统一指挥；

6） 利用1部地质条件分析、预报前方地质情况；

7）拆除中隔壁和临时仰拱时，脚手架一定要牢固，要按先上后下、先中隔壁后临时仰拱的顺序施工，施工人员通过拆除点时要注意安全；

8）经常检查联结点的变化情况，发现隐患及时处理。

4 结论

1）“CRD”法开挖施工通过设置中隔壁和临时仰拱（两者交叉）将开挖断面分成若干分部，视围岩情况进行细分部进行开挖，通过超前导管、锚喷网、格栅洞壁支护系统和中隔壁、临时仰拱联结，使断面支护及早闭合，与围岩形成一个整体，能充分发挥围岩的自承能力；

2）建立围岩支护结构监控量测系统，随时掌握施工过程中的动态变化，合理安排，调整施工工艺和修改设计参数，确保施工安全；

3）强化管理控制与施工组织，重视安全交底。