马来西亚某浅埋山岭隧道洞口段开挖工法研究

蔡伟民

（中国港湾工程有限责任公司，北京 100027）

近年来，随着我国铁路建设的大发展，相应的双线、多线大断面隧道已经修建了很多，各类施工方法的技术分析和实践经验也都积累了不少。但分析多是依托单个工程实例及数值模拟计算，主要集中在各种施工方法的施工特点、薄弱环节和注意事项等方面。这主要是由于各隧道所处地质情况千差万别。即使现有设计规范也并未明确界定什么地质条件应选用哪种施工方法[1]。因此，在隧道施工方法选择时，因地制宜就非常重要。该文以马来西亚某浅埋山岭隧道洞口开挖实施为例，主要对洞口段开挖使用的CRD法沉降观测进行分析，同时与转换后的三台阶七步开挖工法进行比照，以便为马来西亚地区类似地质的大断面浅埋隧道洞口段开挖工法选择提供参考。

1 工程概况

KG.SENTOSA_TUNNEL_3隧道位于西马彭亨州，设计长度525m，全隧为软弱围岩。Ⅳ级围岩占比17.1%，Ⅴ级围岩占比82.9%，两端明洞部分各16m，最大埋深50m，一般开挖断面设计为123.9m2。洞身围岩主要为完全风化~中度风化白垩系-侏罗系（K-J）砂岩，局部段落夹强风化~中度风化泥岩，浅埋段共261m（进口163m、出口98m），为大断面浅埋山岭地质。隧道结构设计采用英标结合中方标准。隧道进、出口段各130m围岩Q值小于0.11，对应铁标Ⅴ级围岩，采用复合式衬砌，初支采用喷锚加钢架支护，二衬采用钢筋混凝土结构，全环等厚，均为50cm。

隧道采用进口单向掘进施工，进口暗洞开挖起始里程为CH391+342。进口边仰坡刷坡后，揭示隧道明暗分界附近掌子面主要为粉质黏土，红褐色，硬塑~坚硬，局部偶见砂岩碎块，掌子面干燥无水。导向墙两侧基础开挖揭示围岩为强风化砂岩，对应洞内围岩掌子面开挖线3.6m以下为强风化砂岩，设计为中等富水区。洞口CH391+342~382共40m设计围岩等级Ⅴ级，采用D6型复合式衬砌支护，开挖工法设计为CRD法，拱部140°采用直径108mm大管棚超前支护，管棚内设钢筋笼并注浆加固。

CRD工法虽然地表沉降控制效果好，但是其施工成本高，进度较慢，施工单位多希望进行工法变更，采用施工更为快捷的三台阶七步施工法组织施工[2]。该隧道所在项目受制于成本及工期压力，采用CRD工法较难满足施工进度和成本控制要求。综合考虑围岩条件、人员机械配置及周边环境，并与设计、监理单位联合研究后，决定暗洞进口段采用CRD法先行施工约13m，对地质条件进行充分验证后，再视情况决定是否采用三台阶七步施工法进行剩余27m的施工。

2 CRD和三台阶七步施工法

2.1 CRD施工法

CRD施工法又称交叉中隔壁法，该法与台阶法施工的区别是在施工过程中充分利用中隔壁及临时仰拱的支撑和分隔作用，将隧道断面分为上下左右6个部分（也有根据情况分为4个部分开挖的），如图1所示，顺序进行开挖并及时闭合成环。

2.1.1 CRD法施工工艺

CRD法施工工艺主要包括以下10个步骤，参照图1进行说明：1）施工超前支护。2）开挖1部土体。3）及时施作初期及临时支护（包括临时横撑及上部中隔壁），1部形成闭环并打设锁脚锚杆。4）1部施工适当距离后，同样方式开始施工2部，及时施作初期及临时支护，打设锁脚锚杆。5）1部和2部向前推进一定距离后，再以同样方式顺序施工3部和4部一定距离。6）随后开挖5部土体，施作初期仰拱支护，并延长中隔壁与初期支护形成闭环。7）滞后适当距离，开挖6部土体，施作剩余仰拱，隧道全断面初期支护形成闭环。8）分段拆除已闭合成环段的底部中隔壁临时支护，施作仰拱二衬及仰拱填充。9）分段拆除已施作仰拱填充段的其余临时支护。10）施作拱墙二次衬砌。

图1 CRD工法施工分部示意图

2.1.2 优点

通过临时支撑的分隔作用及开挖工序的合理安排，将大断面隧道转换为单个小部断面逐个开挖，能有效控制软弱围岩隧道开挖过程中的变形，从而更好地保障施工安全。

2.1.3 缺点

不足之处有4条：1）临时支撑多，施工较为烦琐。2）单个分隔断面小，多数情况下只能使用人工进行开挖且施工过程中各分部工序之间很可能会互相干扰，将进一步降低现场工效。3）临时支撑用的钢架、喷射混凝土及锁脚锚杆等，使用后即须废弃，耗费大。4）研究表明，CRD法施工的大部分围岩变形，都发生在临时支撑拆除时，对拆除时的施工控制要求严格，拆除耗时较多且不利于隧道的稳定。

2.2 三台阶七步施工法

该法将隧道断面分为上中下3个台阶，各台阶间的开挖和支护保持一定距离。该法施工工序常规，在此不再赘述。

与CRD法相比，该方法优点有3个：①施工空间相对较大，中、下台阶较为方便采用机械化施工。②可以多作业面平行施工，易于配合和形成流水作业，施工速度相对较快。③便于转换施工工序。该方法不足主要体现在2个方面：①台阶开挖分部多，每台阶开挖，都可能随着较大的变形，对变形控制不利。②受台阶分布限制，仰拱闭合面距掌子面距离较远，可能导致下沉和收敛值进一步加大[3]。

3 施工过程中的监控量测

该隧道暗洞起始里程CH391+342，洞口40m范围设计采用φ108mm大管棚超前支护、CRD工法开挖。其中，大管棚内设钢筋笼并带压注浆以提高钢管刚度并加固管周边围岩，由此在隧道拱部140°范围内预先形成一纵向连续的伞状管棚，这样在单次进尺开挖时，管棚即可结合未开挖或已支护部分，对开挖部分的上覆土体提供一定的承载力，从而减小或消除因开挖引起的沉降，进而保障隧道施工安全。经对围岩条件、资源配置及工期要求等综合研究后，决定CRD工法先行施工进洞前13m。

3.1 CRD施工段落的拱顶沉降观测

隧道第一处观测点里程为CH391+345，后续每间隔5m设置一处。CRD施工区段内两处观测点拱顶沉降观测结果如图2、图3所示。

图2 CH391+345拱顶沉降观测示意图

图3 CH391+350拱顶沉降观测示意图

3.2 CRD段落拱顶沉降与施工过程对比分析

隧道自2020年11月6日开始暗洞开挖，2021年2月4日、5日两天完成13mCRD临时支撑拆除。其中CH391+345处拱顶沉降的累计观测值为7.6mm，CH391+350处累计值为18.5mm。进一步结合施工过程记录对沉降观测结果进行对比，结果见表1、表2。

表1 CH391+345处拱顶沉降与CRD施工过程比照

表2 CH391+350处拱顶沉降与CRD施工过程比照

从以上沉降观测点结果以及对比表可得出下面3点结论：1）CRD法施工段落2个观测点的拱顶总沉降都较小。2）在CRD施工过程中，观测到的沉降主要发生在观测点附近里程的2部、3部、4部以及仰拱等分部。3）2个观测点沉降发生的施工部位具有大致相同的规律，但又具有一定的随机性，两处观测点沉降发生的施工部位并不一一对应，这也说明CRD施工中的沉降，除与CRD工法自身特点相关外，还与隧道围岩状况以及施工过程中各工序的控制质量及施作时机高度相关。

对该隧道来说，CRD施工段落虽然位于浅埋洞口段，但是在超前大管棚的支护作用下，采用CRD法施工很好地控制了施工沉降，说明CRD法可以满足施工需要。另一方面，两处CRD观测点的拱顶总沉降值和各分部施工过程中的观测沉降值都相对较小，CH391+345处在拆除CRD临时支撑过程中的拱顶沉降只有1.3mm，甚至CH391+350处在拆除CRD临时支撑的过程中未观测到沉降。这反映出本应在CRD施工体系中承受较大作用力的中隔墙支撑[4]，在该隧道CRD施工过程中及完成后并未承受大的轴力或弯矩。这说明该浅埋隧道洞口，在超前管棚支护下，围岩总体稳定，并不必须要选用CRD施工法。这一点通过工序转换后采用的三台阶7步施工法的施工沉降观测结果也可以佐证。CRD与三台阶七步施工法在里程CH391+355处进行转换。在CH391+355~382段落采用三台阶七步施工法的拱顶沉降观测中，最大拱顶总沉降为5.1mm。

综合洞口段40m的拱顶沉降观测结果看，CRD法施工段拱顶各点累计最大沉降并不比三台阶七步法施工段小。分析原因：一方面是因为前13m为初始进洞，隧道埋深更浅，围岩状况相对更差；但更重要的原因是CRD法与三台阶七步法相比分部更多，单次开挖断面更小，理论上更有利于减少沉降，但前提是各部在开挖后应尽快完成初支及临时支撑施工，尽快使支撑体系受力。否则，分部多反而不利于沉降控制。该隧道受新冠疫情影响，中方熟练技术工人入境马来西亚申请批复时间长，导致前期各工序人员配置不足，也不均衡，只能招聘一些外劳搭配使用。近年来，马来西亚境内隧道施工极少，外劳基本不具备隧道施工经验。这些因素导致现场整体施工安排不够紧凑，支撑体系受力较迟。

支撑体系受力具有一定的延后性，在其发挥作用时，围岩实际已经产生了一定的松弛和变形。这也是后期拆除临时支护时，2个拱顶观测点仅观测到很小或未观测到沉降的主要原因。CRD法的主要设计理念就是通过中隔壁及临时横撑等将大断面分隔为小断面进行开挖施作，从而更好地控制沉降。通过该隧道的施工实践可知，如果要利用CRD法的特点，就需要把握开挖后初期及临时支护的施作时机，应合理组织资源，安排现场紧凑施工，使支护体系尽快发挥应有的作用，切忌开挖后长时间支护跟不上的情况。总的来说，在超前大管棚的支护下，该隧道的CRD临时支护体系主要是起到了支撑储备的作用，并未起到预期的作用。这也从另一方面说明了CRD法转换为三台阶七步法的合理性。

综上所述，虽然CRD法与三台阶七步施工法相比沉降控制效果更好，但是须满足一定的前提条件。另一方面，CRD法因为施工分部多，更为费工费时，临时支撑设置所需的钢架、喷射混凝土以及锁脚锚管等不可重复使用的材料消耗也更大。根据大致测算，受限于工作面及项目人员配置及人工工效影响，该项目CRD法施工每月进尺约13m，而三台阶七步施工法每月进尺约25m；隧道初期支护综合施工成本方面，与CRD法相比，三台阶七步施工法每米可节约60%左右。

4 结语

KG.SENTOSA_TUNNEL_3隧道的施工实践说明，进口段40m在大管棚支护作用下，具备采用三台阶七步施工法的条件。该隧道所在线路尚有33处隧道洞口段设计采用CRD法且大多与该隧道地质条件相似。通过该隧道的施工实践说明，针对类似的地质条件，工法变更为三台阶七步施工法完全可行。对比CRD法，三台阶七步施工法将节约一半工期，同时将节省大量临时中隔壁支撑的消耗，对项目的总体施工安排及成本控制具有重要意义。

隧道工程作为一门实践性很强的学科，由于各地地质条件的千差万别，当前规范无法做到完全的科学合理，为尽量保障施工安全，规范要求必然偏保守。因此，在选择施工方法时，业主、设计、监理及施工方均应在科学理念的指导下，实事求是，这样才能尽可能地选择出更符合现场进度、安全及成本等要求的施工方法。