城市浅埋富水软弱围岩隧道开挖工法的研究与选择

林 峰

(中铁十六局集团第二工程有限公司，天津 300162)

随着城市交通路网的飞速发展，城市路网布局型式越来越灵活多变。下穿主要道路、大型房屋建筑隧道越来越多。城市隧道多有埋深浅、地质复杂，围岩软弱，富含孔隙、裂隙水等特点，因此浅埋富水软弱围岩隧道开挖工法的研究与选择极为重要，对施工质量、安全、进度、效益具有重要意义。

1 工程简介(图1)

环岛路(鳌山路-高殿二号路段)工程Ⅰ标起讫点桩号为K0+160～K1+740，共长1.58km，是厦门市环岛路封闭成型的最后一环，也是关键一环。

本项目暗挖隧道工程是整个项目的控制性工程，也是制约整个项目工期的节点工程。本项目暗挖隧道起止里程如后。左线ZK1+490～ZK1+738，暗洞段长248m；右线YK1+497～YK1+740，暗洞段长243m。暗挖隧道覆盖层厚约7m至13.3m，埋深浅，地下水位高，围岩软弱，且主要下穿铁路盐专线、嘉禾路、北溪引水渠等，属于典型的城市浅埋富水软弱围岩隧道。

图1 隧道平面示意图

2 施工图设计情况

2.1 设计地质概况

隧道围岩由残积砂质粘性土、全风化花岗岩、砂土状强风化岩、中风化花岗岩、孤石等组成，主要为Ⅴ级围岩及少量Ⅳ围岩。隧道顶部围岩多为强～中风化花岗岩，岩层裂隙发育，岩体完整性差，顶板厚度薄，隧道成洞稳定性差，围岩有孔隙水、裂隙水渗出。

2.2 设计开挖工法(图2～4)

主线暗挖隧道开挖支护采用CRD法施工，按照新奥法的基本原理，以“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的施工原则为指导。

CRD法开挖的每一步都各自封闭成环，施工通过设置中隔壁及临时仰拱将开挖断面分4个部分，自上而下，分块成环，随挖随撑，及时做好初期支护，并待初期支护结构的沉降和收敛基本稳定后，自上而下拆除初期支护结构中的临时中隔壁及临时仰拱，再进行后续施工。

图2 CRD开挖工法步距图

2.3 设计支护参数

(1)超前支护措施：拱部150°范围设置Φ159mm×6mm超前长管棚，管棚长40m，环向间距0.3m；拱部150°范围设置Φ42mm×3.5mm超前小导管，L=4.5m，纵向间距3.0m，环向间距0.3m。

(2)初期支护参数：边墙Φ25×5中空注浆锚杆，L=4.5m，100×50cm；双层φ8钢筋网，拱墙、仰拱Ⅰ22b工字钢，纵向间距50cm；C25喷射砼厚28cm。

(3)临时支护参数：采用Ⅰ18工字钢支撑，纵向间距50cm；φ8钢筋网，网格20cm×20cm；Φ25×5中空注浆锚杆，L=3.0m，环向间距1.0m；C25喷射砼厚22cm。

图3 主线隧道衬砌断面图

图4 主线隧道临时支护断面图

3 现场先行段施工情况

通过综合考虑本项目设计地质水文情况及CRD工法操作面受限、步距小、施工工效低等因素，确定洞口下穿铁路盐专线段(ZK1+490～ZK1+520/YK1+497～YK1+527)为隧道先行施工段，按设计CRD工法施工，待顺利通过铁路盐专线后，根据超前地质预报及先行段施工实际情况，确定后续段开挖工法。

3.1 现场围岩揭露情况(图5～6)

左线隧道开挖至ZK1+520处，掌子面围岩主要揭露为中风化花岗岩，呈浅灰黄、灰色，岩体节理裂隙较发育，岩体整体性破碎，围岩两侧有局部裂隙水渗出。

右线隧道开挖至YK1+512处，掌子面围岩揭露为砂砾状强～中风化花岗岩，呈褐黄色、灰白色，岩体节理裂隙发育，岩体整体破碎，与上部全风化岩呈渐变过渡关系，没有明显的地质分界线，围岩两侧有局部裂隙水渗出。

图5 ZK1+520处掌子面围岩

图6 YK1+512处掌子面围岩

3.2 超前地质预报情况

施工时采用地质调查、地质素描综合判断，通过采用地质雷达和超前地质水平钻孔等综合超前地质预报手段，对隧道工作面前方围岩的水文地质情况进行探测。

依据雷达探测结果及现场实际地质情况，左线隧道ZK1+520～ZK1+550及右线隧道YK1+512～YK1+542范围内，分别推断前方围岩主要为中风化花岗岩和强～中风化花岗岩，左右线岩体整体完整性较好，节理较发育，局部岩体破碎，有少量岩溶裂隙水存在，建议加强支护，按Ⅳ级围岩进行施工。

3.3 地质钻探情况

为进一步弄清地质情况，委托福建省水文地质勘察研究院对现场进行地质竖向钻探，于ZK1+527钻孔2处、YK1+527钻孔2处。根据ZK1+527处钻探揭露情况，岩土体的分布及埋藏顺序为：素填土，层厚约2.8m；残积砂质粘性土，层厚约2.1m；全风化花岗岩，层厚约2.5m；砂砾状强风化花岗岩，层厚约2.9m；中风化花岗岩层厚约14.8m；孔内见水。右线情况与左线相仿。

钻探处拱顶中风化花岗岩岩层厚约1.4m，根据钻探地质分析，推测本段里程隧道围岩较好，初期支护封闭成环后，可有效的控制沉降。

3.4 监控量测情况

现场严格按照设计要求执行监控量测日报制度，对地表沉降、拱顶下沉、周边收敛等进行监控量测工作。经过数据分析，拱顶下沉、地表沉降变形速率趋于稳定，且左、右线隧道地表沉降变化速率、地表沉降累计变化量，拱顶沉降变化速率、拱顶沉降累计变化量均未超出设计值。

4 开挖工法优化

对先行段施工情况进行分析，可知本暗挖隧道工程超前支护措施充分，掌子面稳定性较好，拱顶虽埋深较浅，但拱顶中风化岩层层厚较厚且稳定性较好，在充分考虑质量安全的前提下，结合超前地质预报情况，经与设计院沟通，且经过专家论证，建议对原有CRD开挖工法进行优化，改为短台阶法，取消中支撑、临时仰拱等临时支护体系，原有超前支护措施不变，并加强初期支护措施。暂定适应范围为左线ZK1+520～ZK1+560段、右线YK1+512～YK1+567。下穿嘉禾路段根据现场实际地质条件及前段监控量测数据另行确认是否继续采用该工法

4.1 短台阶法施工(图7～8)

严格遵循“管超前、短进尺、弱爆破、强支护、紧封闭、勤量测”的原则进行施工。短台阶法分上、下两个部位施工，预留核心土施工，及时封闭，上下台阶保持一定的安全步距。

图7 短台阶法施工步序示意图一

在超前支护完成并达到强度后按下列顺序进行各步开挖。(1)开挖上部台阶；(2)上部台阶拱部初期支护(喷、锚、网、钢架)；(3)开挖下部台阶左侧(预留核心土)；(4)完成左侧边墙初期支护(喷、锚、网、钢架)；(5)开挖下部台阶右侧(预留核心土)，左右两侧步距错开3～5m；(6)完成右侧边墙初期支护(喷、锚、网、钢架)；(7)开挖预留核心土；(8)施作仰拱初期支护；(9)浇注仰拱二次衬砌混凝土；(10)浇筑仰拱填充混凝土；⑾进行边墙、拱部二次模注砼的浇注。

图8 短台阶法施工步序示意图二

4.2 短台阶法施工注意事项及保障措施

(1)严格按设计要求施作超前大管棚、超前小导管等超前支护措施施工；

(2)短台阶法上台阶长度不大于10～15m，每循环进尺不大于1.0m；下台阶左右两侧开挖面错开3～5m，每循环进尺不大于1.5m；

(3)开挖一环后应立即喷混凝土3～5cm，及时按设计施作锚杆，挂网，架立钢架，随后分层喷混凝土至设计厚度。

(4)认真做好初期支护，及时封闭成环。加强锁脚锚管的施作，在原设计的基础上各部位增加两根锁脚锚管。

(5)加强隧道地质超前预报及监控量测工作。在施作超前长管棚或钻孔打眼时应注意提前预判地质情况，结合监控量测数据及时调整支护或者工法。

(6)抓好钻爆开挖施工，采用微震爆破、小炮、机械或人工开挖，爆破作业采用周边不耦合装药光面爆破，以减小对围岩的扰动，严格控制装药量，降低爆破震动效应。

(7)初期支护局部注浆止水，当围岩孔隙水、裂隙水发育，初期支护表面出现明显集中渗漏水情况时，采取注浆止水措施。

(8)隧道掌子面超前预注浆，当隧道在通过局部断层破碎带时易出现涌水地段，掌子面采取超前预注浆加固。

(9)根据地表沉降、拱顶下沉、净空收敛等监控量测数据，以及现场实际情况，对隧道穿越既有房屋、厂房以及既有道路段落，为控制地表沉降，封堵地下裂隙水，根据实际情况采取地表注浆措施进行加固处理。

(10)根据围岩监控量测结果，适时施作边墙、拱部二次衬砌。

5 两种开挖工法的效益分析

CRD工法施工，通过设置中隔壁及临时仰拱将开挖断面分4个部分，各部位施工相互干扰，尤其是①部与②部、③部与④部施工干扰严重，几乎不能同时施工，隧道各部施工不能形成循环作业；每个部位洞室断面小，隧道洞渣只能采用小型挖掘机扒渣，工效低；钻爆法施工不能利用固定台架，只能重复搭设、拆除脚手架，大大降低了施工工效；仰拱施工时，隧道各部开挖处于停滞状态，故CRD工法施工工效极低。

在采取相应的措施保证安全质量的前提下，采用短台阶法施工，上下台阶各部位之间几乎无干扰，分层平行循环施工作业；采用固定台架钻爆施工，挖掘机配合自卸车出渣，大大的提高了施工工效；仰拱施工采用栈桥，掌子面开挖、仰拱施工互不干扰，极大的提高了施工工效；根据工法特点，优化资源配置，台阶法施工进度效益是CRD工法的2～3倍。

6 结 语

本文主要通过工程实际，简要介绍了CRD工法与短台阶工法在城市浅埋富水软弱围岩隧道中的应用对比。通过超前地质预报及现场围岩实际情况，及时对开挖工法进行优化，辅以充分超前支护及初期支护，加强超前地质预报及监控量测工作，采取掌子面超前预注浆等措施，确保了短台阶法在城市浅埋富水软弱围岩隧道中安全应用，大大提高了施工工效，缩短了施工工期，节约了施工成本。