城市淺埋富水軟弱圍巖隧道開挖工法的研究與選擇

林 峰

(中鐵十六局集團第二工程有限公司，天津 300162)

隨著城市交通路網的飛速發展，城市路網布局型式越來越靈活多變。下穿主要道路、大型房屋建筑隧道越來越多。城市隧道多有埋深淺、地質復雜，圍巖軟弱，富含孔隙、裂隙水等特點，因此淺埋富水軟弱圍巖隧道開挖工法的研究與選擇極為重要，對施工質量、安全、進度、效益具有重要意義。

1 工程簡介(圖1)

環島路(鰲山路-高殿二號路段)工程Ⅰ標起訖點樁號為K0+160～K1+740，共長1.58km，是廈門市環島路封閉成型的最后一環，也是關鍵一環。

本項目暗挖隧道工程是整個項目的控制性工程，也是制約整個項目工期的節點工程。本項目暗挖隧道起止里程如后。左線ZK1+490～ZK1+738，暗洞段長248m；右線YK1+497～YK1+740，暗洞段長243m。暗挖隧道覆蓋層厚約7m至13.3m，埋深淺，地下水位高，圍巖軟弱，且主要下穿鐵路鹽專線、嘉禾路、北溪引水渠等，屬于典型的城市淺埋富水軟弱圍巖隧道。

圖1 隧道平面示意圖

2 施工圖設計情況

2.1 設計地質概況

隧道圍巖由殘積砂質粘性土、全風化花崗巖、砂土狀強風化巖、中風化花崗巖、孤石等組成，主要為Ⅴ級圍巖及少量Ⅳ圍巖。隧道頂部圍巖多為強～中風化花崗巖，巖層裂隙發育，巖體完整性差，頂板厚度薄，隧道成洞穩定性差，圍巖有孔隙水、裂隙水滲出。

2.2 設計開挖工法(圖2～4)

主線暗挖隧道開挖支護采用CRD法施工，按照新奧法的基本原理，以“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、早封閉、勤量測”的施工原則為指導。

CRD法開挖的每一步都各自封閉成環，施工通過設置中隔壁及臨時仰拱將開挖斷面分4個部分，自上而下，分塊成環，隨挖隨撐，及時做好初期支護，并待初期支護結構的沉降和收斂基本穩定后，自上而下拆除初期支護結構中的臨時中隔壁及臨時仰拱，再進行后續施工。

圖2 CRD開挖工法步距圖

2.3 設計支護參數

(1)超前支護措施：拱部150°范圍設置Φ159mm×6mm超前長管棚，管棚長40m，環向間距0.3m；拱部150°范圍設置Φ42mm×3.5mm超前小導管，L=4.5m，縱向間距3.0m，環向間距0.3m。

(2)初期支護參數：邊墻Φ25×5中空注漿錨桿，L=4.5m，100×50cm；雙層φ8鋼筋網，拱墻、仰拱Ⅰ22b工字鋼，縱向間距50cm；C25噴射砼厚28cm。

(3)臨時支護參數：采用Ⅰ18工字鋼支撐，縱向間距50cm；φ8鋼筋網，網格20cm×20cm；Φ25×5中空注漿錨桿，L=3.0m，環向間距1.0m；C25噴射砼厚22cm。

圖3 主線隧道襯砌斷面圖

圖4 主線隧道臨時支護斷面圖

3 現場先行段施工情況

通過綜合考慮本項目設計地質水文情況及CRD工法操作面受限、步距小、施工工效低等因素，確定洞口下穿鐵路鹽專線段(ZK1+490～ZK1+520/YK1+497～YK1+527)為隧道先行施工段，按設計CRD工法施工，待順利通過鐵路鹽專線后，根據超前地質預報及先行段施工實際情況，確定后續段開挖工法。

3.1 現場圍巖揭露情況(圖5～6)

左線隧道開挖至ZK1+520處，掌子面圍巖主要揭露為中風化花崗巖，呈淺灰黃、灰色，巖體節理裂隙較發育，巖體整體性破碎，圍巖兩側有局部裂隙水滲出。

右線隧道開挖至YK1+512處，掌子面圍巖揭露為砂礫狀強～中風化花崗巖，呈褐黃色、灰白色，巖體節理裂隙發育，巖體整體破碎，與上部全風化巖呈漸變過渡關系，沒有明顯的地質分界線，圍巖兩側有局部裂隙水滲出。

圖5 ZK1+520處掌子面圍巖

圖6 YK1+512處掌子面圍巖

3.2 超前地質預報情況

施工時采用地質調查、地質素描綜合判斷，通過采用地質雷達和超前地質水平鉆孔等綜合超前地質預報手段，對隧道工作面前方圍巖的水文地質情況進行探測。

依據雷達探測結果及現場實際地質情況，左線隧道ZK1+520～ZK1+550及右線隧道YK1+512～YK1+542范圍內，分別推斷前方圍巖主要為中風化花崗巖和強～中風化花崗巖，左右線巖體整體完整性較好，節理較發育，局部巖體破碎，有少量巖溶裂隙水存在，建議加強支護，按Ⅳ級圍巖進行施工。

3.3 地質鉆探情況

為進一步弄清地質情況，委托福建省水文地質勘察研究院對現場進行地質豎向鉆探，于ZK1+527鉆孔2處、YK1+527鉆孔2處。根據ZK1+527處鉆探揭露情況，巖土體的分布及埋藏順序為：素填土，層厚約2.8m；殘積砂質粘性土，層厚約2.1m；全風化花崗巖，層厚約2.5m；砂礫狀強風化花崗巖，層厚約2.9m；中風化花崗巖層厚約14.8m；孔內見水。右線情況與左線相仿。

鉆探處拱頂中風化花崗巖巖層厚約1.4m，根據鉆探地質分析，推測本段里程隧道圍巖較好，初期支護封閉成環后，可有效的控制沉降。

3.4 監控量測情況

現場嚴格按照設計要求執行監控量測日報制度，對地表沉降、拱頂下沉、周邊收斂等進行監控量測工作。經過數據分析，拱頂下沉、地表沉降變形速率趨于穩定，且左、右線隧道地表沉降變化速率、地表沉降累計變化量，拱頂沉降變化速率、拱頂沉降累計變化量均未超出設計值。

4 開挖工法優化

對先行段施工情況進行分析，可知本暗挖隧道工程超前支護措施充分，掌子面穩定性較好，拱頂雖埋深較淺，但拱頂中風化巖層層厚較厚且穩定性較好，在充分考慮質量安全的前提下，結合超前地質預報情況，經與設計院溝通，且經過專家論證，建議對原有CRD開挖工法進行優化，改為短臺階法，取消中支撐、臨時仰拱等臨時支護體系，原有超前支護措施不變，并加強初期支護措施。暫定適應范圍為左線ZK1+520～ZK1+560段、右線YK1+512～YK1+567。下穿嘉禾路段根據現場實際地質條件及前段監控量測數據另行確認是否繼續采用該工法

4.1 短臺階法施工(圖7～8)

嚴格遵循“管超前、短進尺、弱爆破、強支護、緊封閉、勤量測”的原則進行施工。短臺階法分上、下兩個部位施工，預留核心土施工，及時封閉，上下臺階保持一定的安全步距。

圖7 短臺階法施工步序示意圖一

在超前支護完成并達到強度后按下列順序進行各步開挖。(1)開挖上部臺階；(2)上部臺階拱部初期支護(噴、錨、網、鋼架)；(3)開挖下部臺階左側(預留核心土)；(4)完成左側邊墻初期支護(噴、錨、網、鋼架)；(5)開挖下部臺階右側(預留核心土)，左右兩側步距錯開3～5m；(6)完成右側邊墻初期支護(噴、錨、網、鋼架)；(7)開挖預留核心土；(8)施作仰拱初期支護；(9)澆注仰拱二次襯砌混凝土；(10)澆筑仰拱填充混凝土；⑾進行邊墻、拱部二次模注砼的澆注。

圖8 短臺階法施工步序示意圖二

4.2 短臺階法施工注意事項及保障措施

(1)嚴格按設計要求施作超前大管棚、超前小導管等超前支護措施施工；

(2)短臺階法上臺階長度不大于10～15m，每循環進尺不大于1.0m；下臺階左右兩側開挖面錯開3～5m，每循環進尺不大于1.5m；

(3)開挖一環后應立即噴混凝土3～5cm，及時按設計施作錨桿，掛網，架立鋼架，隨后分層噴混凝土至設計厚度。

(4)認真做好初期支護，及時封閉成環。加強鎖腳錨管的施作，在原設計的基礎上各部位增加兩根鎖腳錨管。

(5)加強隧道地質超前預報及監控量測工作。在施作超前長管棚或鉆孔打眼時應注意提前預判地質情況，結合監控量測數據及時調整支護或者工法。

(6)抓好鉆爆開挖施工，采用微震爆破、小炮、機械或人工開挖，爆破作業采用周邊不耦合裝藥光面爆破，以減小對圍巖的擾動，嚴格控制裝藥量，降低爆破震動效應。

(7)初期支護局部注漿止水，當圍巖孔隙水、裂隙水發育，初期支護表面出現明顯集中滲漏水情況時，采取注漿止水措施。

(8)隧道掌子面超前預注漿，當隧道在通過局部斷層破碎帶時易出現涌水地段，掌子面采取超前預注漿加固。

(9)根據地表沉降、拱頂下沉、凈空收斂等監控量測數據，以及現場實際情況，對隧道穿越既有房屋、廠房以及既有道路段落，為控制地表沉降，封堵地下裂隙水，根據實際情況采取地表注漿措施進行加固處理。

(10)根據圍巖監控量測結果，適時施作邊墻、拱部二次襯砌。

5 兩種開挖工法的效益分析

CRD工法施工，通過設置中隔壁及臨時仰拱將開挖斷面分4個部分，各部位施工相互干擾，尤其是①部與②部、③部與④部施工干擾嚴重，幾乎不能同時施工，隧道各部施工不能形成循環作業；每個部位洞室斷面小，隧道洞渣只能采用小型挖掘機扒渣，工效低；鉆爆法施工不能利用固定臺架，只能重復搭設、拆除腳手架，大大降低了施工工效；仰拱施工時，隧道各部開挖處于停滯狀態，故CRD工法施工工效極低。

在采取相應的措施保證安全質量的前提下，采用短臺階法施工，上下臺階各部位之間幾乎無干擾，分層平行循環施工作業；采用固定臺架鉆爆施工，挖掘機配合自卸車出渣，大大的提高了施工工效；仰拱施工采用棧橋，掌子面開挖、仰拱施工互不干擾，極大的提高了施工工效；根據工法特點，優化資源配置，臺階法施工進度效益是CRD工法的2～3倍。

6 結 語

本文主要通過工程實際，簡要介紹了CRD工法與短臺階工法在城市淺埋富水軟弱圍巖隧道中的應用對比。通過超前地質預報及現場圍巖實際情況，及時對開挖工法進行優化，輔以充分超前支護及初期支護，加強超前地質預報及監控量測工作，采取掌子面超前預注漿等措施，確保了短臺階法在城市淺埋富水軟弱圍巖隧道中安全應用，大大提高了施工工效，縮短了施工工期，節約了施工成本。