高速鐵路超大斷面隧道CRD施工技術(shù)

劉光唯，丁志亮

(中鐵一局集團哈大客運專線項目經(jīng)理部，遼寧 瓦房店 116300)

0 引言

隨著國家對基礎(chǔ)建設(shè)的逐步完善，我國的高速鐵路建設(shè)又進入了一個新的大發(fā)展時期。目前，國內(nèi)大力發(fā)展的鐵路客運專線基本上都是一次建成雙線，同時考慮工程技術(shù)作業(yè)空間、內(nèi)部配件空間、安全空間、救援通道以及考慮空氣動力學的影響，客運專線單洞雙線隧道開挖斷面積均在150 m2以上，最大開挖寬度15 m，開挖高度13 m左右，屬超大斷面隧道［1］。目前在建的客運專線隧道開挖尺寸見表1。

表1 國內(nèi)客運專線隧道開挖尺寸

目前世界上對大斷面隧道采用的施工方法主要有雙側(cè)壁導坑法、三臺階七步開挖法、CD法和CRD法。根據(jù)高速鐵路大斷面隧道自身的力學特征，結(jié)合以往類似工程施工經(jīng)驗，CRD工法適用于特別破碎的巖石、碎石土、卵石土、圓礫土、角礫土及黃土組成的 V級圍巖和軟塑狀黏性土、潮濕的粉細砂組成的Ⅵ 級圍巖及較差圍巖中的洞口段、偏壓段和淺埋段等［2］。哈大客運專線筆架山隧道，地層條件為石質(zhì)，設(shè)計采用CRD法施工。在施工過程中該工藝對需要爆破的圍巖存在一定的不適應性。本文對哈大客運專線筆架山隧道CRD施工工藝及其優(yōu)化改進措施進行了介紹，以供同仁們商榷和探討。

1 工程概況

新建鐵路哈爾濱至大連客運專線是我國在東北地區(qū)修建的第一條客運專線，設(shè)計時速350 km/h。由中鐵一局承建的筆架山隧道是全線4座重點隧道之一，該隧道起訖里程為DK67+255～DK67+600，全長345 m，埋深30 m，開挖面積209 m2，是當今國內(nèi)高速鐵路最大斷面積隧道。隧道采用CRD法施工，相關(guān)尺寸詳見圖1。本隧道所處位置地表覆蓋0.5～2.0 m細角礫土，下部為頁巖和石英砂巖，其中Ⅲ級圍巖159 m，Ⅳ級圍巖186 m，設(shè)計按Ⅳ級圍巖防護，隧道襯砌支護參數(shù)見表2。

表2 筆架山隧道襯砌支護參數(shù)

圖1 CRD工序橫斷面示意(單位:cm)

2 原設(shè)計CRD施工工藝及不適應性

2.1 原設(shè)計CRD施工工藝

CRD施工工藝見圖2。

2.2 施工中存在問題

施工初期按照原設(shè)計進行施工，但是施工進度較慢，主要原因是該隧道屬于山嶺隧道，地層為巖石，開挖需要爆破作業(yè)，使得整個施工環(huán)節(jié)處于單工序作業(yè)。由此造成大量的人員、機械、設(shè)備處于閑置狀態(tài)。按照全斷面計算平均每月最多進尺20.5 m，嚴重影響施工進度。此施工工藝主要暴露的問題有:

1)各斷面施工工序間距小

原設(shè)計各斷面施工工序間距為15 m，每次爆破時，其它斷面的操作人員及施工機械都要撤離，停止施工，造成施工不連續(xù)。同時大型機械操作空間狹小，施工效率低。

2)中隔壁的設(shè)置將左右兩洞隔離開，造成機械轉(zhuǎn)場頻繁，利用率低。

3)施工仰拱前，設(shè)計要求僅拆除中隔壁下部鋼支撐，仰拱施工中的這段時間，中隔壁長時間懸空，存在較大的安全隱患。

4)中隔壁拆除困難，需要爆破，影響了其它工序的作業(yè)。

5)開挖①部或③部后即刻安裝中隔壁水平橫撐，影響上部機械通行、下部爆破和機械開挖。

3 CRD工法局部優(yōu)化措施

在保證隧道質(zhì)量和施工安全的前提下，以監(jiān)控量測數(shù)據(jù)為依據(jù)，對原設(shè)計CRD工法進行了局部優(yōu)化。

3.1 臨時支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1)為方便拆除中隔壁，隧道巖石地段，在能保證側(cè)壁圍巖不坍塌的前提下，取消中隔壁噴射混凝土。加強鋼拱架的縱向連接(加密連接鋼筋或采用其它的較強連接方式)。在軟弱圍巖處加強初期支護，必要時加長和加密超前小導管，保證開挖面的臨時穩(wěn)定。

2)中隔壁豎向弧形支撐改為垂直支撐，以提高臨時支撐的豎向承載力。

3)中隔壁臨時弧形仰拱改為水平支撐，由原來的I18型鋼加強為I20型鋼，縱向每側(cè)采用2根I18型鋼通過焊接連接，將水平支撐連為整體。

3.2 臨時支撐拆除順序優(yōu)化

為避免仰拱施工時中隔壁長時間懸空，中隔壁水平和豎向支撐一次性全部拆除，拆除范圍不超過2 m，初期支護封閉成環(huán)后繼續(xù)拆下一段不超過2 m的臨時支護，待支護封閉達到6 m后立即施作襯砌仰拱。

3.3 中隔壁增設(shè)臨時施工通道

CRD法原設(shè)計以中隔壁為界將隧道分成左右兩部分，隧道左右側(cè)形成兩個單獨向前掘進的坑道。為使隧道左右側(cè)資源共享，加快施工進度，在中隔壁上下兩道橫撐間增設(shè)橫向施工通道［3］。每80 m設(shè)一處通道，凈寬6 m，高度到拱頂。施工時首先拆除中隔壁豎撐，然后在每榀初支鋼拱架下加一套拱，噴射混凝土，以提高此處鋼拱架的承載力。

3.4 施工工序步距優(yōu)化

1)各部施工順序調(diào)整

為加快施工進度，減小各工序之間相互干擾，各部按圖3的①、③、②、④的順序進行施工［4］。為減少相鄰作業(yè)面爆破作業(yè)干擾，隧道開挖①和③工序之間、②和④工序之間間隔10 m。①和③部施工50～80 m后進行②、④部的開挖。為保證①和③部爆破作業(yè)時鉆孔臺架安全，以及機械裝渣有一個平臺，①和②、③和④部上下臺階間距最短距離按20 m進行控制。

2)施工坡道長度和坡度

根據(jù)機械的爬坡能力，上下①和③部施工坡道長度按20 m，坡度按25%控制。

3)中隔壁水平橫撐與掌子面距離

①和③部施工時不架設(shè)中隔壁水平橫撐，開挖50～80 m后，進行上臺階底部松動爆破，然后再架設(shè)水平橫撐，為保證機械上下坡空間，②和④部開挖時中隔壁水平橫撐與掌子面距離按不大于40 m進行控制。

4)二次襯砌距離下臺階掌子面宜控制在30～50 m范圍。

優(yōu)化后的各施工工序詳見圖3。

4 施工控制要點及注意事項

圖3 CRD施工工序縱斷面(單位:m)

1)施工中須嚴格按照優(yōu)化后的工序間距進行，各部每一循環(huán)進尺控制在1.5 m以內(nèi)，堅持“管超前、弱爆破、短開挖、強支護、早封閉、勤測量、及時襯砌”的原則，同時加強超前地質(zhì)預報和監(jiān)控量測工作，為及時調(diào)整施工方法和修正初支參數(shù)提供依據(jù)。

2)中隔壁對隧道施工過程的圍巖穩(wěn)定性起到十分重要的作用，它能有效地控制洞周變形和地表沉降，因此在施工過程中應嚴格控制豎向鋼架的垂直度，防止底部托空，加密鋼架的縱向連接筋，提高鋼架間整體受力能力，以確保鋼支撐的安裝質(zhì)量。同時為減小下臺階開挖爆破時對中隔壁水平橫撐的擾動，橫撐安裝時應高出②和④部約50 cm。

3)中隔壁拆除前須確保初支變形趨于穩(wěn)定，每2 m分段拆除，分段閉合，仰拱及時跟進。拆除過程中加強監(jiān)控量測，如有變形突變現(xiàn)象，停止拆除，并進行加固。

4)為加強開挖時初期支護的穩(wěn)定性，在原設(shè)計原則上每腳增設(shè)2根鎖腳錨管。

5 監(jiān)控量測數(shù)據(jù)綜合分析

為驗證優(yōu)化后的CRD工藝的可靠性，有必要進行施工監(jiān)控量測，采集隧道開挖后圍巖的變形規(guī)律，實測圍巖壓力與支護接觸壓力情況、錨桿受力情況、鋼拱架受力情況和初期支護環(huán)向應力情況。根據(jù)現(xiàn)場試驗和數(shù)值分析結(jié)果，及時調(diào)整支護參數(shù)，為優(yōu)化提供理論依據(jù)。

5.1 監(jiān)控量測內(nèi)容

根據(jù)實際情況，在隧道施工過程中選取 DK67+391和DK67+492兩個斷面進行監(jiān)控量測。在圖4的①、③、②、④部各布置一條水平收斂基線。在拱腳以上均勻布置9個測點，每個測點位設(shè)置初期支護圍巖壓力、初期支護和中隔壁鋼架應力、噴射混凝土應力、二次襯砌接觸壓力、錨桿軸力監(jiān)控元件，其中1點未布置錨桿軸力計。監(jiān)控量測的項目及頻率［5］如表3所示，監(jiān)控點的布置如圖4所示。

表3 監(jiān)測項目及頻率

圖4 監(jiān)控量測點布置

5.2 監(jiān)控量測數(shù)據(jù)綜合分析

1)施工工序優(yōu)化對初期支護壓力、應力的影響分析。選取DK67+391斷面1、2、3觀測點，以初支圍巖壓力、噴射混凝土應力、鋼支架應力與時間關(guān)系曲線進行分析(見圖5)。下臺階及仰拱開挖均對初期支護壓力、應力產(chǎn)生一定影響，也即壓力、應力及位移時間曲線在開始階段出現(xiàn)波動，而在仰拱封閉及施作二次襯砌后逐漸趨于穩(wěn)定。施工期間噴射混凝土最大壓應力4.2 MPa，鋼架最大壓應力95.8 MPa，均未超過材料的極限強度。

2)臨時鋼支撐拆除順序的優(yōu)化對初支應力、位移的影響。由圖5、圖6可知，臨時支撐在仰拱施工前全部拆除，拆除前后初支應力、位移變化不大，仰拱封閉后逐漸趨于穩(wěn)定。

6 結(jié)語

1)通過監(jiān)控量測結(jié)果表明，初期支護、襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，變形情況得到控制，表明優(yōu)化后的工藝可行，不僅可以提高施工工效，同時還可以保證施工安全。

圖5 初期支護量測項目與施工工序關(guān)系

圖6 拱頂下沉—時間曲線

2)隨著我國高速鐵路大斷面隧道的不斷建設(shè)，必將面臨許多新的課題。通過筆架山隧道CRD工藝的優(yōu)化，積累了山嶺隧道石質(zhì)地層地段CRD法的施工經(jīng)驗，對今后高速鐵路特大斷面隧道設(shè)計施工具有指導借鑒意義。

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