关于大断面隧道施工CRD工法的优化

赵鹏社

(中国铁道科学研究院 铁科院(北京)工程咨询公司，北京 100081)

我国铁路建设中隧道多数是双线一次建成，由于要综合考虑工程技术作业空间、内部配件空间、安全空间、救援通道以及空气动力学的影响，加之单洞双线隧道开挖断面面积均在150 m2以上，造成工期紧、安全问题多，施工难度大。

目前，根据不同的地质条件，大断面隧道采用的施工方法主要有中洞法、双侧壁导坑法、三台阶七步开挖法、CD法(中隔壁法)和 CRD法(交叉中隔壁法 Croos diaghrammethod，简称 CRD)等。

笔架山隧道位于新建铁路哈尔滨至大连客运专线，起讫里程为DK67+255～DK67+600，全长345 m，埋深30 m，隧道设计断面250 m2，为当前国内高速铁路超大断面隧道，也是哈大客运专线全线重点隧道中具有工艺性代表之一。

该隧道地层条件为石质，地表覆盖细角砾土，下部为页岩和石英砂岩。其中，Ⅲ级围岩159 m，Ⅳ级围岩186 m。设计按Ⅳ级围岩防护，采用CRD法施工。

施工过程中，发现该工艺对需要爆破的围岩存在一定的不适应性。为此，对 CRD施工法进行了优化及改进。

1 原设计CRD施工工艺及存在问题

1 原设计CRD施工工艺(见图1)

1.2 施工中存在的问题

施工初期按原设计进行施工，但施工进度较慢。主要原因是开挖爆破作业使整个施工环节处于单工序作业，由此造成大量的人员、机械、设备处于闲置状态。按全断面计算，平均每月最多进尺20.5 m，严重影响施工进度。按此施工工艺暴露的主要问题有:

1)各断面施工工序间距小。原设计开挖断面同侧上下部分开挖施工间隔不宜大于8 m，同一层左右部分开挖施工间隔不宜大于15 m。每次爆破时，其它断面的操作人员及施工机械都要撤离，停止施工，造成施工不连续。同时，大型机械操作空间狭小，施工效率较低。

2)中隔壁的设置将左右两洞隔离开，造成机械转场频繁，利用率低。

3)施工仰拱前，设计要求仅拆除中隔壁下部钢支撑，仰拱施工中的这段时间，中隔壁长时间悬空，存在较大的安全隐患。

4)中隔壁拆除困难，需要爆破，影响了其它工序。

5)开挖①部或③部后即刻安装中隔壁水平横撑，影响上部机械通行、下部爆破和机械开挖。

6)爆破作业飞溅的碎石冲击中隔壁，使中隔壁型钢产生扭曲，存在安全隐患。

2 CRD工法局部优化措施

在保证隧道质量、安全的前提下，以监控量测数据为依据，对隧道原设计CRD工法进行了局部优化。

2.1 临时支撑结构优化

1)为方便拆除中隔壁，隧道岩石地段，在能保证侧壁围岩不坍塌的前提下，取消中隔壁喷射混凝土。加强钢拱架的纵向连接(加密连接钢筋或采用其它较强连接方式)。在软弱围岩处加强初期支护，必要时加长和加密超前小导管，保证开挖面的临时稳定。

2)中隔壁竖向弧形支撑改为垂直支撑，以提高临时支撑的竖向承载力。

3)中隔壁临时弧形仰拱改为水平支撑，由原来的I18工字钢加强为I20工字钢，纵向每侧采用2根I18工字钢，通过焊接连接，将水平支撑连为整体。

图1 CRD施工工序

2.2 临时支撑拆除顺序优化

为避免仰拱施工时中隔壁长时间悬空，中隔壁水平和竖向支撑一次性全部拆除，拆除范围不超过2 m，初期支护封闭成环后继续拆下一段不超过2 m的临时支护，待支护封闭达到6 m后立即施作衬砌仰拱混凝土。

2.3 中隔壁增设临时施工通道

原设计以中隔壁为界将隧道分成左右两部分，隧道左右侧形成两个单独向前掘进的坑道。为使隧道左右侧资源共享，加快施工进度，在中隔壁上下两道横撑间增设横向施工通道。解决了施工空间狭小的问题，机械作业活动空间得以扩展，提高了效率。每80 m设一处通道，净宽6 m，高度到拱顶。施工时，首先拆除中隔壁竖撑，然后在每榀初支钢拱架下加一套拱，喷射混凝土，以提高此处钢拱架的承载力。

2.4 施工工序步距优化

1)各部施工顺序调整。为加快施工进度，减小各工序之间相互干扰，各部按①、③、②、④的顺序进行施工。为减少相邻作业面爆破作业干扰，隧道开挖①部和③部工序之间、②部和④部工序之间间隔10 m。①部和③部施工50～80 m后进行②部和④部的开挖。为保证①部和③部爆破作业时钻孔台架安全，以及机械装渣有一个平台，①部和②部、③部和④部上下台阶间距最短距离按20 m进行控制。

2)施工坡道长度、坡度。根据机械的爬坡能力，上下①部、③部施工坡道长度按20 m、坡度按25%控制。

3)中隔壁水平横撑与掌子面距离。①部、③部施工时不架设中隔壁水平横撑，开挖50～80 m后，进行上台阶底部松动爆破，然后再架设水平横撑。为保证机械上下坡空间，②部、④部开挖时，中隔壁水平横撑与掌子面距离按不大于40 m进行控制。

4)二次衬砌距离下台阶掌子面宜控制在30～50 m范围。优化后的各施工工序详图如图2。

图2 优化后的施工工序纵断面(单位:m)

3 施工控制要点及注意事项

1)施工中须严格按照优化后的工序间距进行，各部每一循环进尺控制在1.5 m以内，坚持“管超前、弱爆破、短开挖、强支护、早封闭、勤测量、及时衬砌”的原则，同时加强超前地质预报和监控量测工作，为及时调整施工方法和修正初支参数提供依据。

2)中隔壁对隧道施工过程的围岩稳定性起到十分重要的作用。它能有效地控制洞周变形和地表沉降。因此，在施工过程中应严格控制竖向钢架的垂直度，防止底部托空，加密钢架的纵向连接筋，提高钢架间整体受力能力，以确保钢支撑的安装质量。同时，为减小下台阶开挖爆破时对中隔壁水平横撑的扰动，横撑安装时应高出②部、④部约50 cm。

3)中隔壁拆除前须确保初支变形趋于稳定，每2 m分段拆除，分段闭合，仰拱及时跟进。拆除过程中，加强监控量测，如有变形突变现象，停止拆除，并进行加固。

4)为加强开挖时初期支护的稳定性，在原设计原则上，每脚增设2根锁脚锚管。

4 监控量测数据综合分析

为验证优化后的CRD工艺的可靠性，有必要进行施工监控量测，采集隧道开挖后围岩的变形规律，实测围岩压力与支护接触压力情况、锚杆受力情况、钢拱架受力情况、初期支护环向应力情况。根据现场试验和数值分析结果，及时调整支护参数，为优化提供理论依据。

4.1 监控量测内容

根据实际情况，在隧道施工过程中选取两个断面进行监控量测。在①、③、②和④部各布置一条水平收敛基线。在拱脚以上均匀布置9个测点，每个测点位设置初期支护围岩压力、初期支护和中隔壁钢架应力、喷射混凝土应力、二次衬砌接触压力、锚杆轴力监控元件。其中，1点未布置锚杆轴力计。监控量测的项目及频率如表1所示。监控点的布置如图3所示。

图3 监控量测点布置

表1 监测项目及频率

4.2 监控量测数据综合分析

位移量测是围岩及支护应力形态变化最直观的反映，能为地下洞室稳定性提供可靠直接的信息，且易测取。笔架山隧道位移量测项目包括水平收敛、拱顶沉降和地表下沉。位移量测断面间距为10 m，量测时间段为喷射混凝土后至二次衬砌前。随机选取笔架山隧道DK67+391断面进行位移量测数据分析，如图4所示。

图4 地表下沉、拱顶沉降、水平收敛变化曲线

监测及数据分析表明，隧道在采用了优化后的施工方法后，开始阶段变形速率较大，累计变形值迅速增长，二次衬砌前变形基本稳定，实测二次衬砌前隧道变形速率在规范要求范围内，二次衬砌前隧道变形达到预测稳定值，而二次衬砌后变形很小，说明二次衬砌承受一定的荷载。

隧道施工效应是多因素共同影响的结果，隧道开挖后初始地应力不断释放并产生变形。施作初期支护及二次衬砌后，初期支护和二次衬砌与围岩共同相互作用，支护压力、应力及位移在相互作用过程中不断变化，施工过程中的多个因素将对这些量测项目的大小及发展规律产生影响，如CRD法中各分部之间的距离、初期支护刚度及设置时间、仰拱封闭时间、二次衬砌强度及施作时机等。另外，隧道埋深大小、围岩自稳能力等因素也对其产生影响。长期的观测发现，笔架山隧道在开挖量测仪器附近的断面时，应力变化较大，但是在施作初期支护后，应力呈现出逐渐递减的趋势，在仰拱及二次衬砌施作完成后，各种应力基本趋于平稳，证明优化后的CRD法，不仅可以提高施工工效，还可以保证施工安全。

初期支护压力、应力发展较快，二次衬砌压力、应力发展较慢;在初期支护量测项目中，钢架应力比围岩压力发展快。上述规律说明，初期支护受力快，稳定时间短，二次衬砌受力较慢，稳定时间长;钢架受力快于喷射混凝土，混凝土应力发展滞后于支护压力，支护压力增长导致应力增长。通过监控量测所得的支护压力、应力相对发展趋势如图5所示。

图5 支护压力、应力相对发展趋势

5 结语

实测结果表明，笔架山隧道在施工方法优化后变形情况得到控制，支护、衬砌结构稳定;优化后的工艺不仅可以提高施工工效，节约施工成本，还可以保证施工安全。通过长期系统监测，为及时调整支护参数及确定二次衬砌施作时间提供了科学依据，也为理论分析提供了计算参数，为后续科研工作提供了基础数据，并积累了复杂应力条件下大断面隧道的设计施工经验。通过笔架山隧道CRD工艺的优化，积累了山岭隧道石质地层地段CRD法的施工经验，对今后高速铁路特大断面隧道设计施工具有指导借鉴意义。

[1]中华人民共和国铁道部.客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准[S].北京:中国铁道出版社，2005:33-56.

[2]中华人民共和国铁道部.客运专线铁路隧道工程施工技术指南[M].北京:中国铁道出版社，2005:25-81.

[3]哈大铁路客运专线有限公司.哈大铁路客运专线隧道工程施工质量控制手册[Z].哈尔滨:哈大铁路客运专线有限责任公司，2007.

[4]何强，姚勇，刘影.特大断面导流隧洞和施工监控量测分析[J].铁道建筑，2008(2):38-40.