CD工法在公山尾隧道洞口段施工中應用

楊相如

(福建船政交通職業學院 福建福州 350007)

0 引言

由于受八山一水一分田特有地形的限制，福建省公路建設中，隧道所占比重較大，現有公路隧道中，斷面面積大于100m2的特大扁平斷面隧道相對較少[1]。根據太沙基土拱效應原理，隧道斷面大，圍巖形成穩定的塌落拱對應的深度增大[2]。對于超大斷面隧道洞口段往往處于淺埋偏壓狀態，工程地質條件復雜，施工空間效應影響明顯，施工控制難度大，稍有不慎就會引發坍塌冒頂等工程事故[3]。

目前國內外大斷面隧道常用施工方法包括雙側壁導坑法、中隔墻法(CD法)或交叉中隔墻法(CRD法)、臺階法、全斷面法或其組合方法，具體根據工程地質條件決定[4]，其中CD工法主要適用于地層較差和不穩定巖體，且地面沉降要求嚴格的地下工程施工。CRD工法優于CD工法(前者比后者減少地面沉降近50%)，但CRD工法施工工序復雜，隔墻拆除困難，成本較高，進度較慢[5]。本文針對公山尾隧道工程地質條件，結合施工監控量測結果論證CD法在偏壓淺埋超大斷面隧道施工中的可行性。

1 公山尾隧道工程地質條件分析

公山尾隧道為單向分離式隧道，斷面面積150m2以上，屬于超大斷面隧道。其中，右洞里程樁號為YK15+153～YK16+091，長938m，YK16+091(洞門)～YK16+061段為明洞。

隧道地處剝蝕丘陵地貌，地表植被發育，地形起伏變化大。進口段地面高程45m～55m，坡度約為15°～30°，上覆坡殘積粘性土-強化砂巖，未見基巖出露，坡體較穩定。左洞進口位于沖溝底部，極易受雨季洪水影響。出口處地面高程50m～65m，坡度約10°～20°，上覆5m左右的坡積土層，坡體較穩定。

路線區域上主要受福安-南靖(北東向)深斷裂帶及廈門-南靖(東西向)斷裂帶的影響，區域內構造運動較為強烈。隧道主要斷裂帶有：

(1)K15+308～K15+335，寬約15m～18m，受區域北東向斷層影響，發育節理密集帶，帶內巖體極破碎，裂隙面鐵錳質渲染嚴重。

(2)K15+413～K15+443，寬約10m～13m，受區域北東向斷層影響，發育節理密集帶，帶內巖體極破碎，裂隙面鐵錳質渲染嚴重。

(3)K15+501～K15+537，寬約20m～25m，受區域北東向斷層影響，發育節理密集帶，帶內巖體極破碎。

(4)K15+640～K15+668，寬約30m～35m，為壓性斷裂，上盤為漳平組粉砂巖，下盤為梨山組砂巖、粉砂巖，帶內巖體擠壓破碎，礦物已出現擠壓蝕變，呈土狀-破碎塊，夾雜構造角礫，有炭化及綠泥石化現象。

(5)K15+760～K15+881，寬約15m～20m，帶內巖體擠壓破碎，節理裂隙發育，巖體呈碎塊狀，有石英晶體充填，水蝕現象明顯。

根據鉆孔揭示，隧址區地表上覆第四系坡積層(Qdl)，下覆基巖為侏羅系中統漳平組(J2z)粉砂巖、砂巖及風化層、侏羅系下統梨山組砂巖、粉砂巖及其風化層；進口段巖層產狀為290°∠20°，出口段巖層產狀為130°∠15°。

YK16+090附近長約40m的工程，地質條件差，地層上部以填土和殘積粘土為主，下部為變質粉砂巖及其風化層，局部見花崗斑巖巖脈侵入。地下水與洞頂高程接近，圍巖級別以Ⅴ～VI級為主，穩定性較差。隧道軸線與山體走向斜交，洞口部分存在偏壓。

2 公山尾隧道施工方法

2.1 超前支護

超前支護聯合采用大管棚、小導管注漿、超前錨桿。支護參數如表1所示。

表1 超前支護參數

2.2 CD法施工

CD法又稱中隔壁法，是通過鋼支撐和噴射混凝土的隔壁分割開進行開挖的方法。CD法適用于Ⅳ級、Ⅴ級、Ⅵ級圍巖隧道，地質條件差，圍巖軟弱，覆蓋層薄，含水量大，基底承載力低，跨度大且對圍巖沉降變形控制嚴格等情況。采用CD法，可減少大跨度隧道分部開挖跨度和開挖高度，通過增加中壁墻等臨時支護構件，形成分部開挖初期支護快速封閉環，使分部開挖環環相扣，最后完成全部斷面開挖與初期支護。施工流程具體如圖1所示。

圖1 CD法施工流程

施工中分別開挖斷面的4個部分，單側各自封閉成環，有利于圍巖穩定，保證施工安全，如圖2～圖3所示。

圖2 CD法施工立面圖

圖3 CD法施工縱斷面圖

分部開挖施工，每部分步距為3m，左右部分間距6m，施工工序如下：

(1)先進行①部分開挖，為減少對圍巖擾動，采用人工風鎬開挖或者機械開挖，必要時輔以弱爆破。

(2)施作①部分導坑的初期支護和上部中隔壁。初期支護采用40mm厚C25噴射混凝土、Ф25中空注漿錨桿、Ф22系統砂漿錨桿，掛鋼筋網，全環架設鋼拱架，最后噴射至設計厚度28cm方案，如圖4所示，具體參數如表2所示。

圖4 支護結構立面圖

名稱項目參數噴射混凝土部位全斷面厚度28cm鋼筋網部位拱墻規格Φ8間距28cm × 28cm錨桿部位拱墻長度3.5m間距0.8cm × 0.8cm鋼拱架部位全環類型I20b 型鋼間距0.7m

(3)開挖②部，施工中確保②部與①部間距保持在3m。

(4)施作②部洞室周邊的初期支護和中隔壁，施工參數同①部。

(5)按順序開挖③、④部，并施做初期支護和中隔壁。導坑底部安設鋼架封閉成環，噴射混凝土至設計厚度。

(6)逐步拆除臨時鋼架。

(7)施作仰拱。

3 CD工法施工變形監測

由于隧道開挖斷面超大，右側隧道出口段地質條件復雜，存在淺埋偏壓，為防止施工期間洞內發生塌方、洞口邊、仰坡失穩以及驗證CD法施工效果，在洞內外實施全方位、全過程圍巖和地表變形監測。

現場測試項目包括拱頂下沉量測、周邊收斂量測、地表下沉量測。其中，拱頂下沉和周邊收斂量測，主要針對于初期支護；地表下沉量測則針對于隧道進出口及淺埋段。

3.1 測點布置及量測方法

隧道拱頂下沉和周邊收斂量測，采用反射貼片配合高精度全站儀。在被測斷面拱頂C1及拱肩A1、A2位置布置3個測點，并在拱腰對稱位置B1、B2布置2個測點，測點位置貼反射片，如圖5所示。并在距離測量斷面數十米位置(可選已施作2次襯砌處或襯砌變形已經穩定的位置)，貼反射片作為后視點。然后，利用全站儀測量拱頂下沉量及周邊收斂量并加以記錄。

圖5 拱頂下沉和周邊收斂測點布置

測量地表下沉時，先在隧道進出口及淺埋段的開挖縱橫向3～5倍洞徑外的區域，參照標準水準點埋設2個水準基點，便于互相校核并聯測最近水準點，取得原始高程。然后，根據測量斷面選取7個測點?？紤]到洞室右側靠近坡面上覆巖層較薄，因此，測點布置不采取對稱布置，而采取右多左少的布置方案，如圖6所示。在測點位置挖坑并放入地表測點預埋件，測點四周用混凝土填實，混凝土固結完成后，即可采用水準儀或者高精度全站儀進行量測。

圖6 地表沉降測點布設圖

3.2 量測結果及分析

(1)YK16+061處斷面變形情況

該斷面30d拱頂下沉變化情況如圖7所示，從位移時程曲線可以看出，在隧洞開挖后5～6d這段時間，隧道拱頂有較大沉降，日最大沉降量為3mm。其后，拱頂下沉速率呈現波動式遞減。結合現場情況推測，圍巖和支護工作狀態已經趨于穩定，波動是由于觀測誤差所造成。隧道拱頂在5～6d內完成了75%總沉降量。開挖約1個月后沉降速率小于0.1mm/d，根據《公路隧道施工技術規范》可以判定，圍巖和支護結構已經穩定，此時拱頂下沉量為24mm。

圖7 YK16+061斷面拱頂下沉量測

圖8 YK16+061斷面周邊收斂量測

(2)斷面YK16+061周邊收斂量測結果

如圖8所示，周邊收斂在開挖結束頭2d內呈現線性增加，之后逐漸遞減。最大收斂速率3mm/d；在開挖8d后，收斂速率小于1mm/d；在開挖結束15d時，已產生85.7%總周邊收斂量；開挖一月后，沉降速率小于0.1mm/d。根據《公路隧道施工技術規范》，可以判定圍巖和支護結構已經穩定，對應的周邊收斂量為21mm。

(3)斷面YK16+061地表下沉量測結果

如圖9所示，斷面YK16+061處地表沉降速率在2mm/d ～ -1mm/d之間呈現出波動，最終穩定在0mm/d，這是由于測量誤差造成。開挖1個月后，地表下沉已經趨于穩定。從各測點的總下沉量來看，開挖結束一個月后，各測點的下沉量呈現穩定的趨勢。其中，最大地表下沉量出現在測點3，下沉量為50.0mm。由于測點3恰好處于拱頂位置，其他測點的下沉量呈對稱分布。由此可以說明，隧道受力均勻，圍巖穩定，支護結構工作狀態良好。

圖9 YK16+061斷面地表沉降量測

4 結論

(1)公山尾隧道采用CD法在洞口段施工，開挖一個月后，圍巖和支護結構整體變形已經趨于穩定。由此說明，偏壓淺埋特大斷面隧道洞口段，采用CD法開挖對于控制圍巖變形效果良好。

(2)施工過程中，采用大管棚、超前小導管和超前錨桿等超前支護手段加固圍巖，對隧道結構穩定有利。

(3)該設計施工方案，對公山尾隧道洞口地質薄弱段的處理，行之有效。