將軍溝隧道破碎圍巖 CRD工法施工技術

孫憲魁

(新疆維吾爾自治區交通建設管理局)

1 工程概況

將軍溝隧道是國家公路主干線 G 045(連云港至霍爾果斯)線新疆“賽 -果”段高速公路中里程最長、地質條件最復雜的隧道工程。該隧道為左右分離式隧道,其中左線長1 450m,右線長 1 524m。隧道凈寬 11.12m,凈高 5.56m,設計行車速度 80 km/h。隧道支護結構按新奧法原理設計,襯砌采用復合式襯砌。初期支護采用錨噴支護,二次襯砌采用模筑混凝土。根據將軍溝隧道地質勘察報告的描述,隧道穿越區為構造剝蝕高山區,主山脊近南北走向,地勢總體東高西低,沿隧道軸向地形呈鋸齒狀起伏變化,兩側低,中部高。標高 1 875.00～2 198.00m,高差約 223.0m,隧道進口地形較陡,表層為第四系殘坡積碎石土,植被較發育,地形沿路線起伏變化植被發育。隧道穿越區地層主要為第四系洪積的角礫土、碎石土、亞粘土及寒武系的石灰巖,地質構造相對簡單,無斷裂帶存在,巖相單一,主要為石灰巖。關于水文地質條件,隧址基巖裂隙比較發育,存在基巖裂隙水,根據鉆孔抽水試驗計算結果,隧道洞身開挖后最大涌水量為7 745.75m3/d,為中等富水區。

然而實際開挖揭示的地質條件與原設計差別很大,將軍溝隧道左線 ZK 582+317～ZK 582+197段原設計為 II級圍巖,施工至 ZK 582+317時,開挖揭露圍巖為含碎屑的炭質泥巖,巖體因受構造擠壓而呈破碎狀,在巖體中可見明顯斷層錯動擦痕。受此地質構造影響,該段圍巖中網狀節理、裂隙發育。隧道開挖中掌子面有地下水出漏,受水侵泡后圍巖呈泥狀流塑狀態,自穩性極差,揭露即出現坍塌。為V級偏差圍巖。

根據該段隧道以上特點,初期支護按 V級支護施作,“三臺階七步”開挖法進行施工掘進。隧道在初次支護后即出現持續變形,最大斷面變形量超過 70 cm,致使初期支護大段侵限。根據 TSP203和地質雷達超前預報分析,隧道該類圍巖在可預報范圍內無明顯好轉跡象,為確保隧道施工安全,及二次襯砌質量,經參建各方多次討論,決定隧道該類圍巖地段按 CRD法施工。

2 工藝原理

CRD法就是在隧道掘進施工中,通過設置中隔壁和臨時仰拱(兩者交叉)將開挖斷面分成 4個部分,然后再根據圍巖情況細分部進行開挖,國內外許多軟巖隧道工程中采用該工藝均取得成功。此法是以新奧法的基本原理為依據,在開挖過程中盡量減少對圍巖的擾動,通過超前導管、錨噴網、格柵洞壁支護系統和中隔壁、臨時仰拱聯結,使斷面支護及早閉合,控制圍巖的變形,并使之趨于穩定。同時,建立圍巖支護結構監控量測系統,隨時掌握施工過程中的動態變化,合理安排,調整施工工藝和修改設計參數,確保施工安全。該工法充分利用了中隔壁和臨時仰拱的支撐作用,并輔以超前注漿小導管超前支護、掛網和格柵噴混凝土等支護手段,能很好的適應圍巖的變化,與圍巖形成一個整體,充分發揮圍巖的自承能力,對圍巖擾動小,能有效的控制圍巖變形和地表下沉,提高了施工安全度。與此同時,本工法采用分部開挖,其超前導坑可以起到超前預報的作用,并應用監控量測等信息化管理方法指導施工,使整個施工過程處于受控狀態。

3 施工工藝

根據現場實際情況,首先進行由臺階法向 CRD工法轉換的過渡施工,轉換段為掌子面至其后 12m。轉換段按既定CRD法施作中隔壁和臨時仰拱支撐,按 V級加強斷面支護參數進行初期支護,形成支護成環封閉,掌子面前方按CRD工法施工。

將軍溝隧道 CRD法隧道開挖分 1、3、5、7四部分進行,每部中分兩臺階開挖,以防止側壁因開挖過高而出現坍塌。每分部施作中上下臺階步距 2～3m,每部開挖步距 3～5m。CRD法施工中 1、3部開挖采用人工配合小型機械進行,5、7部采用人工配合小型機械施作,大型機械輔助。

將軍溝隧道CRD法施工段隧道開挖超前支護采用注漿小導管,注漿漿液為雙液漿。隧道初期支護采用格柵鋼架、噴 C25混凝土、掛鋼筋網;支護中錨桿采用中空注漿錨桿,中隔壁及臨時仰拱采用 I18工字鋼、掛鋼筋網噴 C25混凝土支護。CRD開挖施工工藝流程見圖 1。

3.1 開挖及支護程序

開挖順序:1部先開挖,隨即依次開挖 3部 -5部 -7部;1部、3部采用人工配合小型機具開挖,架子車運土至下臺;5部、7部采用人工開挖兩側邊墻,中間采用裝載機(挖掘機)開挖,自卸車出渣。開挖循環進尺與設計鋼架間距相同(0.5m/榀),即每次開挖進尺為 0.5m。

圖 1 CRD工法施工工藝流程

3.2 施作工序

(1)先開挖 1部上臺階,開挖單循環 0.5m;開挖后初噴3～5 cm混凝土,掛鋼筋網,架設拱部及中隔壁鋼架,施工系統及鎖腳錨桿,最后復噴至設計厚度。

(2)1部上臺階施工 2～3 m后,開挖 1部下臺階,每循環進尺 0.5m;開挖后初噴 3～5 cm混凝土,掛鋼筋網,架設上邊墻、中隔壁、及臨時仰拱鋼架,施工系統及鎖腳錨桿,最后復噴至設計厚度。

(3)1部下臺階施工 2～3m后,開挖 3部上臺階,每循環進尺 0.5m,開挖后初噴 3～5 cm混凝土,掛鋼筋網,架設下邊墻、中隔壁鋼架,施工系統及鎖腳錨桿,最后復噴至設計厚度。

(4)3部上臺階施工 2～3m后,開挖 3部下臺階,每循環進尺 0.5m,開挖后初噴 3～5 cm混凝土,掛鋼筋網,架設下邊墻、中隔壁及仰拱鋼架,施工系統及鎖腳錨桿,最后復噴至設計厚度。

(5)3部下臺階施工后,開挖 5部上臺階,開挖后初噴 3～5 cm混凝土,掛鋼筋網,架設拱部及中隔壁鋼架,施工系統及鎖腳錨桿,最后復噴至設計厚度。

(6)5部上臺階施工 2～3m后,開挖 5部下臺階,每循環進尺 0.5m,開挖后初噴 3～5 cm混凝土,掛鋼筋網,架設上邊墻、中隔壁、及臨時仰拱鋼架,施工系統及鎖腳錨桿,最后復噴至設計厚度。

(7)5部下臺階施工 2～3m后,開挖 7部上臺階,每循環進尺 0.5m,開挖后初噴 3～5 cm混凝土,掛鋼筋網,架設下邊墻、中隔壁鋼架,施工系統及鎖腳錨桿,最后復噴至設計厚度。

(8)7部上臺階施工 2～3m后,開挖 7部下臺階,每循環進尺 0.5m,開挖后初噴 3～5 cm混凝土,掛鋼筋網,架設下邊墻、中隔壁、仰拱鋼架,施工系統及鎖腳錨桿,最后復噴至設計厚度。仰拱鋼架每 3m封閉一次。

(9)7部下臺階仰拱初期支護封閉完成,超前設計仰拱6～8m后,僅靠設計仰拱端拆除底部中隔墻噴射混凝土及工字鋼架,拆除長度 5 m,實際拆除時根據監控量測結果調整拆除長度,然后施工仰拱及填充。

(10)二次襯砌施工。在施作二次襯砌前,拆除中隔墻及臨時仰拱,然后鋪設防水層。二次襯砌為模筑鋼筋混凝土,采用整體定型鋼模臺車,配備混凝土輸送泵灌注混凝土。仰拱及填充超前 5m后,二次襯砌施作一環,襯砌灌注 10～20 h后進行養護。混凝土強度達到規范要求強度后拆模,施作下一循環。

3.3 施工注意事項

(1)施工 1、3、5、7部上斷面時,要做好鋼架鎖腳導管,并注漿加固,初期支護及中隔壁鋼架底部墊設混凝土預制塊,防止出現過大收斂和沉降變形。

(2)7部下臺階仰拱初期支護,每 3m封閉一次,以便中心排水管施工。

4 監控量測

為能在施工過程中動態掌握隧道圍巖變形情況,保證施工安全,在施工過程中對隧道從行以下方面進行監控量測:

(1)地質及支護狀態觀察。對開挖掌子面進行觀察、地質素描,對圍巖及初期支護表面進行觀察。

(2)拱頂下沉量測,在中隔壁的兩側即 1部、5部的開挖拱頂,各設一個測點,采用水平儀測其下沉量。

(3)周邊收斂量測,在洞內拱腳、最大跨度線、邊墻角等處布設水平基線,采用收斂儀量測。

(4)拆除中隔墻及臨時仰拱過程拱頂下沉及周邊收斂量測監控。量測拱頂下沉、收斂全部測點均埋設在同一斷面。

(5)二襯應力,鋼拱架內力和錨桿軸力。

(6)根據兩側數據,整理、繪制回歸曲線并及時反饋,以采取相應的技術措施。

5 CRD法施工關鍵技術及作業要點

(1)保持各分部開挖斷面和各部的縱向間距,分部開挖要嚴格按預定尺寸放線,開挖遵循“寧欠勿超”的原則(局部欠挖采用風稿修正),斷面開挖力求圓順,以減少出現應力集中現象。

(2)每塊小斷面開挖長度 3～5m,及時設置臨時仰拱封閉、步步成環,盡量縮短成環時間,必要時進行掌子面噴射混凝土臨時支護。

(3)中隔壁設置為弧形臨時支護,隧道左右開挖小斷面底部臨時仰拱保持在同一斷面上,各節點的連接一定要對齊,螺栓連接牢固,并及時施作鎖腳錨管。

(4)必須保證中隔壁和臨時仰拱鋼架的規格數量和噴射混凝土的厚度,鋼架之間縱向連接鋼筋及時施作并連接牢固。

(5)為減小支護結構對地基的壓力,提高地基的承載能力,對型鋼拱架的底部設置 40×40×20 cm的預制墊塊。

(6)初期支護穩定后分段拆除中隔壁臨時支護,拆除長度應根據變形監控量測信息和仰拱澆筑長度確定(一般為 4～6m)。但一次拆除長度不宜超過 15m,并加強拆除過程監控量測。

(7)中隔壁混凝土拆除時,要防止對初期支護系統形成大的振動和擾動?？刹捎蔑L鎬由上至下逐榀拆除鋼支撐之間的噴射混凝土,以及臨時支護與初期支護連接部位附著在鋼架上的噴射混凝土,臨時鋼構件采用氣焊燒斷。

(8)臨時支護拆除后及時施作隧道仰拱和二次襯砌。

(9)加強對圍巖的量測監控。

6 結 論

CRD工法是隧道穿越極差圍巖區域時所采取的一種比較有效的施工工藝。該種工藝通過設置中隔壁和臨時仰拱(兩者交叉)將開挖斷面分成 4個部分,然后再根據圍巖情況細分部進行開挖,在開挖過程中盡量減少對圍巖的擾動,通過超前導管、錨噴網、格柵洞壁支護系統和中隔壁、臨時仰拱聯結,使斷面支護及早閉合,控制圍巖的變形,并使之趨于穩定。通過前后分區開挖,減小了開挖斷面,有效減弱了圍巖對支護結構的形變壓力,對保證施工安全有顯著的意義。同時,該工法充分利用了中隔壁和臨時仰拱的支撐作用,并輔以超前注漿小導管超前支護、掛網和格柵噴混凝土等支護手段,能很好的適應圍巖的變化,與圍巖形成一個整體,充分發揮圍巖的自承能力,對圍巖擾動小,能有效的控制圍巖變形和地表下沉,提高了施工安全。

[1] 董淑練,黃明琦,豐傳東.軟弱地質條件下隧道開挖新方法探討[J].隧道建設,2009,(2):157-161.

[2] 孫振川.海底隧道長距離全—強風化地層CRD施工方法研究[J].隧道建設,2008,(1):15-18.