三明市快速通道贵溪洋隧道软弱围岩开挖工法研究

2016-07-08谭得喜三明市公路局三明365000

福建交通科技 2016年2期

关键词：导坑工法侧壁

■　谭得喜（三明市公路局，三明　365000）

■谭得喜
（三明市公路局，三明365000）

摘要结合三明市快速通道贵溪洋隧道开挖工程，针对浅埋、软弱、破碎隧道围岩施工不利条件，分析了多种开挖工法的特点及适用条件，通过辨证的分析和对比，合理选择了开挖工法，供类似工程参考。

关键词隧道软弱围岩开挖工法研究

1　前言

近年来，我国已进入了隧道建设的高速发展期，不可避免将遇到大量的软弱破碎浅埋围岩，特别是山岭公路隧道，因其特殊的自然环境与复杂的水文、地质、地形条件，采用分部开挖方法施工过程中存在着诸多的不确定性因素，技术难度较大，施工中的很多问题尚未完全解决。当前，软弱破碎浅埋围岩隧道施工工法选择中还存在的主要问题是开挖方法还没有紧密地依托现场监控量测数据进行动态设计与施工。

本文以三明某快速通道贵溪洋隧道为例，介绍了多种软弱围岩的开挖方法及特点，结合对超前地质预报及监控量测资料的分析，通过辨证的分析和对比，合理选择了开挖工法。

2　工程概况

三明某快速通道起于沙县后底，终于三明市区贵溪洋，路线长18.39km，双向六车道，设计时速80km/h，按一级路兼城市快速路标准建设。其中，贵溪洋隧道位于贵溪洋洋山一带，总体地势为东北高，西南低，高差较大，地形切割强烈，大多属于中低山丘陵地貌，部分为山间谷地、洼地等类型。地下水主要为基岩裂隙潜水，含水量丰富，接受大气降水的补给，水位埋藏度随季节变化和地势的高低变化而变化。隧道右线起讫桩号为K29 +122～K30 +635，长1513m，属长隧道。洞室净空14.00×5.0m，净空面积为120.64m2。见图1。

本隧道的围岩级别有Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三级，其中Ⅴ级围岩约占31.3％，Ⅳ级围岩约占27.0％，Ⅲ级围岩约占41.7％。其中有2处不良地质现象较特殊：在隧道K29+ 480～K29+660段，围岩波速750～1350m/s，围岩级别为Ⅴ级，洞身围岩为第四系坡残积黏性土层和全～强风化花岗闪长岩，埋深3～8m，属浅埋地段。岩体破碎，成洞条件差，顶部及侧壁均不稳定，处理不当会出现大塌方，有小规模涌水；在隧道K30+430.00段，岩体波速2450～2750m/s，围岩级别为Ⅴ级，地震波形呈异常现象，岩石裂隙极发育，岩质较软，推断为断裂破碎带，破碎带宽度20～30m，其稳定性差，易坍塌，并有可能出现较大的涌水现象。见图2。

图1　隧道洞身断面图

3　开挖工法选择原则

在软弱破碎围岩洞室开挖的工法选择时，首先要保证施工安全和质量，其次要优先选用能加快进度、节省工程造价的工法。

4　软弱破碎围岩大断面隧道常用施工工法简介

目前国内外，针对软弱破碎围岩大断面隧道的开挖工法，主要有CRD法、双侧壁导坑法、三台阶法和CD法等，各工法基本施工工序及横断面图见表1。

图2　贵溪洋隧道右线地质及支护图

表1　软弱破碎围岩大断面开挖工工法简介

4.1CRD工法

CRD工法是浅埋暗挖法的一种，主要应用于浅埋且对地表沉降控制严格的大跨隧道施工中，遵循步步封闭的基本理念，保证在每一步开挖后及时封闭，以抑制沉降，控制变形。

所谓CRD工法施工，就是把大断面变为四个小断面进行分部开挖，如图3所示，采用Ⅰ—Ⅱ—Ⅲ—Ⅳ开挖支护顺序：先开挖I部，I部全部封闭完成10～12m后开始开挖II部，此时I、II部同时向前开挖，在II部开挖支护完成10～12m后，再开挖III部，在III部开挖支护完成10～12m后，再开挖IV部。该施工步序存在着结构受力不合理、沉降收敛变形大、施工干扰大等不利因素，当侧压力和水压力都大时，隧道开挖初期支护变形严重，此时，宜优化后调整为I—III—II—IV顺序，即I、III部上台阶超前，II、IV部下台阶紧跟的开挖方法。

图3　CRD工法分部开挖示意图

优化后CRD工法施工步序具有以下优点：一是I、III部上台阶开挖整体超前，在挖开过程中I、III部支护结构形成了以主拱架为主、临时支护为扁平支柱的受力对称、分布较合理的结构；二是减少了结构受偏压的可能，结构受力更合理，整个上台阶同时受力，增加了基础承载面积，可有效地减轻沉降；三是I、III部上台阶整体施工，在施工过程可统筹规划，统筹管理，既减少了机具、设备、原材料的投入，又提高了使用效率，加快了施工进度；四是开挖分四个断面，以新奥法原理，严格按“管超前，严注浆，短进尺，弱爆破，快封闭，勤量测”的十八字方针施工，各自快速封闭成环，安全可靠。

4.2双侧壁工法

双侧壁导坑工法也属于浅埋暗挖法的一种，适用条件与CRD工法基本一致。采用机械和人工配合开挖方法，充分保护围岩，化大跨为小跨，有效地控制围岩收敛变形。利用综合超前地质预报及监控量测手段，始终将施工处于可控状态的一种工法。其原理是：利用两个中隔壁把整个隧道大断面分成左中右三个小断面施工，左、右导洞先行，中间断面紧跟其后，初期支护仰拱成环，拆除两侧导洞临时支撑，形成隧道全断面。见图4。

相对于CRD工法，采用双侧壁导坑工法优点：一是左右导洞先行施工，中导洞后施工，中型机械挖掘机、喷射机、装载机和载重汽车可直接开到掌子面进行机械化施工，能加快施工进度；二是CRD工法施工将断面分为四块，施工时上下断面之间隔一层临时仰拱，被为“楼上”和“楼下”，人员上下要爬楼梯，且大型机械不宜在顶层的Ⅰ部和Ⅲ部施工，施工工序多、进度慢，而双侧壁工法左中右导洞可供大型机械施工，进度快。

相对于CRD工法，采用双侧壁导坑工法缺点：一是侧壁导坑施工时，收敛不易控制，易造成收敛过大的情况；二是如果与注浆施工相结合，则显得洞室高度较高，不易操作；三是中隔壁拆除工作繁杂，各工作面间相互制约；四是如果围岩地质条件较差，地下水发育、丰富，在开挖时侧压力比较大，采用双侧壁导坑工法需加强支护。

图4　双侧壁导坑工法示意图

4.3台阶工法

凡需要爆破的围岩地段宜采用台阶法开挖，不适用于围岩地质为流塑状态、洞口潜埋偏压段。在大断面隧道中常用“三台阶七步开挖法”，该工法是指在隧道开挖过程中以弧形导坑开挖预留核心土为基本模式，分上、中、下三个台阶七个开挖面，以前后七个不同的位置相互错开开挖，分部及时支护，形成支护整体，缩短作业循环时间，各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开、平行推进的隧道施工方法。开挖法透视图见图5。

施工步骤：

第1步：施作超前支护后，开挖拱部弧形导坑，预留核心土，施作拱部初期支护；

第2、3步：开挖左右侧中台阶并施作初期支护；

第4、5步：开挖左右侧下台阶并施作初期支护；

第6步：分别开挖上、中、下台阶核心土；

第7步：开挖隧底并施作仰拱初期支护封闭成环。

大断面软岩隧道施工采用“三台阶七步开挖法”，在经济效益方面尤为突出，与传统的大断面隧道CRD法施工比较，主要有以下几个方面的优点：一是拓展了隧道的施工空间，可以做到大型施工机具生产效率最大化，避免了CRD法作业空间小、限制了大型施工机具使用的尴尬局面，进一步提高了单位时间内的施工产值，缩短了整个单位工程的施工工期；二是降低了人工用量和劳动强度，节约了工费成本，由以往密集型劳力施工转变为机械化、程序化施工；三是采用“三台阶七步开挖法”施工没有临时支护环节，节约了大量的临时支护成本，减少投资浪费。

图5　三台阶七步法透视图

4.4CD工法

CD法又称中隔壁法，是浅理暗挖隧道开挖常用的施工工法。是指在大跨度软弱围岩隧道中，先分部开挖隧道的一侧，通过增加中壁墙等临时支护构件，形成分部开挖初期支护封闭环，再分部开挖隧道的另一侧，最后完成全部断面开挖与初期支护，可有效的将大跨度隧道转变为中小跨度的隧道，减小地面沉降和隧道周边收敛。CD法适用于地质条件困难，围岩软弱，覆盖层薄，含水量大，基底承载力低的Ⅳ级、V级围岩隧道。见图6。

图6　CD工法示意图

表2　软弱破碎围岩隧道主要施工工法比较

CD工法施工方案具有以下优点：一是CD工法施工增加了超前小导管和注浆量，有效地稳定了掌子面；二是把拱部分成两个洞室后，单洞室能够快速封闭成环。增加了中隔壁，可以大大减小大跨度拱顶的沉降变形，维护初期支护的稳定，降低了施工风险；三是两个洞室前后错开一定距离，中跨格栅能够快速与小导洞内的格栅连接，中跨拱顶初期支护能够快速整体成型；四是中隔壁格栅钢筋可以拆除回收。

4.5软弱破碎围岩隧道主要施工工法适用性比较

软弱破碎围岩隧道主要施工工法适用性详见表2。

5　工程地质条件对开挖工法选择的影响

围岩工程地质条件是确定隧道开挖工法的关键因素。贵溪洋隧道III级围岩穿越地层主要中等风化～微风化花岗闪长岩，岩石强度较高，宜采用全断面钻爆法施工；贵溪洋隧道K30+430.00段为V级围岩，且通过断层带，断层破碎带宽约20～30 m，部分地段围岩较破碎，易发生突水、突泥，应采用CRD或双侧壁分部开挖工法，并加强监控量测，需动态进行开挖工法设计与施工。

6　地表沉降要求对隧道开挖工法选择的影响

图7为不同施工工法对应的地表沉降曲线图。从图7分析可知：①软弱破碎围岩隧道采用不同主要施工工法开挖，其地表沉降曲线均呈“槽型”，其最大沉降位置均位于中线附近。距中线相同距离位置的沉降值，双侧壁导坑法中先开挖侧略大于后开挖侧，而CD法和CRD法相反，三台阶法基本相等。可见，地表沉降量值大小与隧道施工工序、开挖路径有关。②采用不同施工工法，相同位置产生的沉降大小满足如下关系：三台阶法＞CD法＞双侧壁导坑法、CRD法。可见，采用双侧壁导坑法和CRD法施工产生的地表沉降最小，因此，对于地表沉降要求严格的地段的隧道开挖采用双侧壁导坑法和CRD法施工较为有效。

图7　不同施工工法对应的地表沉降曲线图

7　超前地质预报及监控量测对隧道开挖工法选择的影响

隧道开挖过程中应根据超前地质预报及监控量测数据及时动态调整开挖工法。在K29+480.00处，根据地质雷达波图像的辨识及隧道地形、地貌和掌子面所露出的地质条件综合分析，推测在掌子面前方0～50m范围内，即K29+480-K30+530范围内，雷达波反射较为杂乱，同向轴断续，存在节理破碎带或蚀变带，呈镶嵌裂隙块状结构，节理裂隙较为发育，富含基岩裂隙水，位于浅埋段，建议围岩级别为V级。该掌子面附近监控量测数据显示洞周收敛最大速率为-1.28mm/d，超过-1mm/d，已达到预警等级。通过分析以上数据及时将原设计双侧壁工法变更为优化后的CRD工法，并加强超前支护，缩短开挖进尺。