将军沟隧道破碎围岩 CRD工法施工技术

孙宪魁

(新疆维吾尔自治区交通建设管理局)

1 工程概况

将军沟隧道是国家公路主干线 G 045(连云港至霍尔果斯)线新疆“赛 -果”段高速公路中里程最长、地质条件最复杂的隧道工程。该隧道为左右分离式隧道,其中左线长1 450m,右线长 1 524m。隧道净宽 11.12m,净高 5.56m,设计行车速度 80 km/h。隧道支护结构按新奥法原理设计,衬砌采用复合式衬砌。初期支护采用锚喷支护,二次衬砌采用模筑混凝土。根据将军沟隧道地质勘察报告的描述,隧道穿越区为构造剥蚀高山区,主山脊近南北走向,地势总体东高西低,沿隧道轴向地形呈锯齿状起伏变化,两侧低,中部高。标高 1 875.00～2 198.00m,高差约 223.0m,隧道进口地形较陡,表层为第四系残坡积碎石土,植被较发育,地形沿路线起伏变化植被发育。隧道穿越区地层主要为第四系洪积的角砾土、碎石土、亚粘土及寒武系的石灰岩,地质构造相对简单,无断裂带存在,岩相单一,主要为石灰岩。关于水文地质条件,隧址基岩裂隙比较发育,存在基岩裂隙水,根据钻孔抽水试验计算结果,隧道洞身开挖后最大涌水量为7 745.75m3/d,为中等富水区。

然而实际开挖揭示的地质条件与原设计差别很大,将军沟隧道左线 ZK 582+317～ZK 582+197段原设计为 II级围岩,施工至 ZK 582+317时,开挖揭露围岩为含碎屑的炭质泥岩,岩体因受构造挤压而呈破碎状,在岩体中可见明显断层错动擦痕。受此地质构造影响,该段围岩中网状节理、裂隙发育。隧道开挖中掌子面有地下水出漏,受水侵泡后围岩呈泥状流塑状态,自稳性极差,揭露即出现坍塌。为V级偏差围岩。

根据该段隧道以上特点,初期支护按 V级支护施作,“三台阶七步”开挖法进行施工掘进。隧道在初次支护后即出现持续变形,最大断面变形量超过 70 cm,致使初期支护大段侵限。根据 TSP203和地质雷达超前预报分析,隧道该类围岩在可预报范围内无明显好转迹象,为确保隧道施工安全,及二次衬砌质量,经参建各方多次讨论,决定隧道该类围岩地段按 CRD法施工。

2 工艺原理

CRD法就是在隧道掘进施工中,通过设置中隔壁和临时仰拱(两者交叉)将开挖断面分成 4个部分,然后再根据围岩情况细分部进行开挖,国内外许多软岩隧道工程中采用该工艺均取得成功。此法是以新奥法的基本原理为依据,在开挖过程中尽量减少对围岩的扰动,通过超前导管、锚喷网、格栅洞壁支护系统和中隔壁、临时仰拱联结,使断面支护及早闭合,控制围岩的变形,并使之趋于稳定。同时,建立围岩支护结构监控量测系统,随时掌握施工过程中的动态变化,合理安排,调整施工工艺和修改设计参数,确保施工安全。该工法充分利用了中隔壁和临时仰拱的支撑作用,并辅以超前注浆小导管超前支护、挂网和格栅喷混凝土等支护手段,能很好的适应围岩的变化,与围岩形成一个整体,充分发挥围岩的自承能力,对围岩扰动小,能有效的控制围岩变形和地表下沉,提高了施工安全度。与此同时,本工法采用分部开挖,其超前导坑可以起到超前预报的作用,并应用监控量测等信息化管理方法指导施工,使整个施工过程处于受控状态。

3 施工工艺

根据现场实际情况,首先进行由台阶法向 CRD工法转换的过渡施工,转换段为掌子面至其后 12m。转换段按既定CRD法施作中隔壁和临时仰拱支撑,按 V级加强断面支护参数进行初期支护,形成支护成环封闭,掌子面前方按CRD工法施工。

将军沟隧道 CRD法隧道开挖分 1、3、5、7四部分进行,每部中分两台阶开挖,以防止侧壁因开挖过高而出现坍塌。每分部施作中上下台阶步距 2～3m,每部开挖步距 3～5m。CRD法施工中 1、3部开挖采用人工配合小型机械进行,5、7部采用人工配合小型机械施作,大型机械辅助。

将军沟隧道CRD法施工段隧道开挖超前支护采用注浆小导管,注浆浆液为双液浆。隧道初期支护采用格栅钢架、喷 C25混凝土、挂钢筋网;支护中锚杆采用中空注浆锚杆,中隔壁及临时仰拱采用 I18工字钢、挂钢筋网喷 C25混凝土支护。CRD开挖施工工艺流程见图 1。

3.1 开挖及支护程序

开挖顺序:1部先开挖,随即依次开挖 3部 -5部 -7部;1部、3部采用人工配合小型机具开挖,架子车运土至下台;5部、7部采用人工开挖两侧边墙,中间采用装载机(挖掘机)开挖,自卸车出渣。开挖循环进尺与设计钢架间距相同(0.5m/榀),即每次开挖进尺为 0.5m。

图 1 CRD工法施工工艺流程

3.2 施作工序

(1)先开挖 1部上台阶,开挖单循环 0.5m;开挖后初喷3～5 cm混凝土,挂钢筋网,架设拱部及中隔壁钢架,施工系统及锁脚锚杆,最后复喷至设计厚度。

(2)1部上台阶施工 2～3 m后,开挖 1部下台阶,每循环进尺 0.5m;开挖后初喷 3～5 cm混凝土,挂钢筋网,架设上边墙、中隔壁、及临时仰拱钢架,施工系统及锁脚锚杆,最后复喷至设计厚度。

(3)1部下台阶施工 2～3m后,开挖 3部上台阶,每循环进尺 0.5m,开挖后初喷 3～5 cm混凝土,挂钢筋网,架设下边墙、中隔壁钢架,施工系统及锁脚锚杆,最后复喷至设计厚度。

(4)3部上台阶施工 2～3m后,开挖 3部下台阶,每循环进尺 0.5m,开挖后初喷 3～5 cm混凝土,挂钢筋网,架设下边墙、中隔壁及仰拱钢架,施工系统及锁脚锚杆,最后复喷至设计厚度。

(5)3部下台阶施工后,开挖 5部上台阶,开挖后初喷 3～5 cm混凝土,挂钢筋网,架设拱部及中隔壁钢架,施工系统及锁脚锚杆,最后复喷至设计厚度。

(6)5部上台阶施工 2～3m后,开挖 5部下台阶,每循环进尺 0.5m,开挖后初喷 3～5 cm混凝土,挂钢筋网,架设上边墙、中隔壁、及临时仰拱钢架,施工系统及锁脚锚杆,最后复喷至设计厚度。

(7)5部下台阶施工 2～3m后,开挖 7部上台阶,每循环进尺 0.5m,开挖后初喷 3～5 cm混凝土,挂钢筋网,架设下边墙、中隔壁钢架,施工系统及锁脚锚杆,最后复喷至设计厚度。

(8)7部上台阶施工 2～3m后,开挖 7部下台阶,每循环进尺 0.5m,开挖后初喷 3～5 cm混凝土,挂钢筋网,架设下边墙、中隔壁、仰拱钢架,施工系统及锁脚锚杆,最后复喷至设计厚度。仰拱钢架每 3m封闭一次。

(9)7部下台阶仰拱初期支护封闭完成,超前设计仰拱6～8m后,仅靠设计仰拱端拆除底部中隔墙喷射混凝土及工字钢架,拆除长度 5 m,实际拆除时根据监控量测结果调整拆除长度,然后施工仰拱及填充。

(10)二次衬砌施工。在施作二次衬砌前,拆除中隔墙及临时仰拱,然后铺设防水层。二次衬砌为模筑钢筋混凝土,采用整体定型钢模台车,配备混凝土输送泵灌注混凝土。仰拱及填充超前 5m后,二次衬砌施作一环,衬砌灌注 10～20 h后进行养护。混凝土强度达到规范要求强度后拆模,施作下一循环。

3.3 施工注意事项

(1)施工 1、3、5、7部上断面时,要做好钢架锁脚导管,并注浆加固,初期支护及中隔壁钢架底部垫设混凝土预制块,防止出现过大收敛和沉降变形。

(2)7部下台阶仰拱初期支护,每 3m封闭一次,以便中心排水管施工。

4 监控量测

为能在施工过程中动态掌握隧道围岩变形情况,保证施工安全,在施工过程中对隧道从行以下方面进行监控量测:

(1)地质及支护状态观察。对开挖掌子面进行观察、地质素描,对围岩及初期支护表面进行观察。

(2)拱顶下沉量测,在中隔壁的两侧即 1部、5部的开挖拱顶,各设一个测点,采用水平仪测其下沉量。

(3)周边收敛量测,在洞内拱脚、最大跨度线、边墙角等处布设水平基线,采用收敛仪量测。

(4)拆除中隔墙及临时仰拱过程拱顶下沉及周边收敛量测监控。量测拱顶下沉、收敛全部测点均埋设在同一断面。

(5)二衬应力,钢拱架内力和锚杆轴力。

(6)根据两侧数据,整理、绘制回归曲线并及时反馈,以采取相应的技术措施。

5 CRD法施工关键技术及作业要点

(1)保持各分部开挖断面和各部的纵向间距,分部开挖要严格按预定尺寸放线,开挖遵循“宁欠勿超”的原则(局部欠挖采用风稿修正),断面开挖力求圆顺,以减少出现应力集中现象。

(2)每块小断面开挖长度 3～5m,及时设置临时仰拱封闭、步步成环,尽量缩短成环时间,必要时进行掌子面喷射混凝土临时支护。

(3)中隔壁设置为弧形临时支护,隧道左右开挖小断面底部临时仰拱保持在同一断面上,各节点的连接一定要对齐,螺栓连接牢固,并及时施作锁脚锚管。

(4)必须保证中隔壁和临时仰拱钢架的规格数量和喷射混凝土的厚度,钢架之间纵向连接钢筋及时施作并连接牢固。

(5)为减小支护结构对地基的压力,提高地基的承载能力,对型钢拱架的底部设置 40×40×20 cm的预制垫块。

(6)初期支护稳定后分段拆除中隔壁临时支护,拆除长度应根据变形监控量测信息和仰拱浇筑长度确定(一般为 4～6m)。但一次拆除长度不宜超过 15m,并加强拆除过程监控量测。

(7)中隔壁混凝土拆除时,要防止对初期支护系统形成大的振动和扰动。可采用风镐由上至下逐榀拆除钢支撑之间的喷射混凝土,以及临时支护与初期支护连接部位附着在钢架上的喷射混凝土,临时钢构件采用气焊烧断。

(8)临时支护拆除后及时施作隧道仰拱和二次衬砌。

(9)加强对围岩的量测监控。

6 结 论

CRD工法是隧道穿越极差围岩区域时所采取的一种比较有效的施工工艺。该种工艺通过设置中隔壁和临时仰拱(两者交叉)将开挖断面分成 4个部分,然后再根据围岩情况细分部进行开挖,在开挖过程中尽量减少对围岩的扰动,通过超前导管、锚喷网、格栅洞壁支护系统和中隔壁、临时仰拱联结,使断面支护及早闭合,控制围岩的变形,并使之趋于稳定。通过前后分区开挖,减小了开挖断面,有效减弱了围岩对支护结构的形变压力,对保证施工安全有显著的意义。同时,该工法充分利用了中隔壁和临时仰拱的支撑作用,并辅以超前注浆小导管超前支护、挂网和格栅喷混凝土等支护手段,能很好的适应围岩的变化,与围岩形成一个整体,充分发挥围岩的自承能力,对围岩扰动小,能有效的控制围岩变形和地表下沉,提高了施工安全。

[1] 董淑练,黄明琦,丰传东.软弱地质条件下隧道开挖新方法探讨[J].隧道建设,2009,(2):157-161.

[2] 孙振川.海底隧道长距离全—强风化地层CRD施工方法研究[J].隧道建设,2008,(1):15-18.