软弱富水大变形炭质泥岩与炭质砂岩互层地段改良4步CD法快速开挖施工技术

王 鹏，王相森

(中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041)

1 概述

软弱富水大变形炭质泥岩与炭质砂岩互层地段隧道开挖采用常规4步CD法开挖支护方式，由于地层软弱，断面较小，只能采取小型机械或人工开挖及运输作业，且工序繁多、复杂，进度较慢，成本高，安全风险高。为寻求软弱富水大变形炭质泥岩与炭质砂岩互层地段一种既满足施工要求，又能使工期缩短，既降低施工成本、提高开挖质量，又减少安全隐患的施工方法，在某铁路隧道开挖过程中，积极开展科技创新，结合以往施工研究，采用“改良后4步CD法开挖+周边深层锚固+多措施联合控制拱脚下沉”系列方案，在该隧道软弱富水大变形炭质泥岩与炭质砂岩互层地段开挖施工过程中获得成功应用。

该铁路隧道位于福建省境内，隧道最大埋深约77 m，最小埋深约5 m。隧道线路里程为DK44+660～DK47+201，全长为2 541 m。隧道设计行车速度200 km/h，衬砌内轮廓半径为6.03 m，隧道内轨顶面以上净空有效面积为81.37 m2。隧道DK46+341～DK46+321段设计为Ⅲ级围岩，实际揭露地层岩性为全风化炭质泥岩与炭质砂岩互层，岩体极其松散破碎且强度低，遇水极易软化，地下水发育，围岩自稳能力极差，监控量测数据频繁出现预警，虽采取管棚锁脚等措施控制变形，但效果不明显，最终导致DK46+341～DK46+321段大变形，并多次出现不同程度的侵占初期支护限界情况，其中最大侵限值为76.2 cm[1]。

2 施工技术要点

施工工艺流程见图1所示。

图1 施工工艺流程示意

2.1 超前地质预报

隧道开挖前进行超前地质预报探测，收集隧道实际围岩地质情况，为隧道开挖数值模拟提供参数，确定下一步开挖施工方案。主要预报方法见表1。

表1 超前地质预报方法

2.2 数值模拟

根据软弱富水大变形炭质泥岩与炭质砂岩互层地段铁路隧道实际地质勘查资料、设计资料以及现场实际开挖工况，仿真模拟运用MIDAS-NX软件，建立数值分析模型，并导入FLAC3D软件开展隧道施工过程和隧道结构与围岩稳定性分析[2]，研究结论如下。

1) 隧道在开挖过程中会造成隧底应力集中区，幅值为10～17 kPa。

2) 隧道在施工过程中基底会有一定程度的隆起现象，与隧道的大断面开挖关系密切。

3) 隧道开挖过程中的围岩位移发展规律在数值计算中的结果与现场观测结果基本一致，都经历了“急剧变形→缓慢变形→趋于稳定”的过程。各断面的基本稳定时间都在距离开挖面30 m左右，开挖与辅助加固施工可同时进行，各工序可形成不间断流水作业，实现复杂围岩隧道的快速掘进[3]。

4) 隧道在实际施工中可能发生较大的水平向的变形，在隧道开挖后及时对侧墙进行支护和加固，必要时加强隧道的临时支撑，以控制隧道侧向变形[4]。

2.3 超前支护

超前支护采用洞身管棚配合超前小导管控制先行位移及掌子面正面挤出施工技术[5]。

管棚设计参数：采用热压无缝钢管及钢花管间隔设置，外径为89 mm，壁厚为5 mm，长为10 m，环向间距至中为40 cm，纵向间距7 m一环，外插角为3°～5°。

超前小导管设计参数：热压无缝钢花管，单根长为4.5 m，外径为42 mm，壁厚为3.5 mm。小导管环向间距为40 cm，设置于管棚之间，纵向间距为2.4 m，外插角为10°～15°(根据现场情况可作适当调整)。

2.4 改良4步CD法开挖施工

开挖方案采用改良4步CD法施工，断面开挖分6步，即将隧道分为左、右导坑进行开挖，每侧导坑又分为2步台阶+仰拱，每侧上下台阶步距保持10～15 m，左右侧上台阶掌子面相距5～10 m，每次同时开挖①④⑥步或②③⑤步(对角同时施工)，不开挖侧同步进行深孔锚杆加固等辅助施工[6]。下台阶至上台阶通道采用洞渣垫坡实现，仰拱施工采用仰拱栈桥。改良4步CD法施工流程及横纵断面示意见图2～5。

2.5 支护施工

系统锚杆为9 m长Φ22深孔锚杆，锚杆间排距环纵向1.2 m×1.0 m。锚杆孔采用电煤钻成孔，孔径为5 cm，拱部采用Φ22组合中空锚杆，边墙采用Φ22普通砂浆锚杆，锚杆接长采用套筒连接[7]。

图2 改良4步CD法施工工艺流程示意

图3 改良4步CD法施工横断面示意

图4 改良4步CD法施工纵断面示意(单位：m)

图5 改良4步CD法施工平面示意(单位：m)

2.6 监控量测

结合实际情况位移管理等级及采取措施参照表2～3实施。

表2 位移管理等级

表3 措施对应

3 结语

采用“改良后4步CD法开挖+周边深层锚固+多措施联合控制拱脚下沉”系列方案，各工序形成不间断流水作业，开挖与辅助加固施工可同时进行，实现复杂围岩隧道的快速掘进，降低了施工风险，节约了施工成本，缩短了施工工期[8]。该技术已于该铁路隧道成功应用，通过以质量包安全，以安全保进度，隧道建设实现了“零事故”的预期目标，确保了隧道的顺利贯通，为全线铺轨奠定了坚实基础。该技术施工安全性高、工期短，为今后类似工程施工提供了有力的技术支撑，值得借鉴、推广，技术社会效益显著。