CD工法在公山尾隧道洞口段施工中应用

杨相如

(福建船政交通职业学院 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，福建省公路建设中，隧道所占比重较大，现有公路隧道中，断面面积大于100m2的特大扁平断面隧道相对较少[1]。根据太沙基土拱效应原理，隧道断面大，围岩形成稳定的塌落拱对应的深度增大[2]。对于超大断面隧道洞口段往往处于浅埋偏压状态，工程地质条件复杂，施工空间效应影响明显，施工控制难度大，稍有不慎就会引发坍塌冒顶等工程事故[3]。

目前国内外大断面隧道常用施工方法包括双侧壁导坑法、中隔墙法(CD法)或交叉中隔墙法(CRD法)、台阶法、全断面法或其组合方法，具体根据工程地质条件决定[4]，其中CD工法主要适用于地层较差和不稳定岩体，且地面沉降要求严格的地下工程施工。CRD工法优于CD工法(前者比后者减少地面沉降近50%)，但CRD工法施工工序复杂，隔墙拆除困难，成本较高，进度较慢[5]。本文针对公山尾隧道工程地质条件，结合施工监控量测结果论证CD法在偏压浅埋超大断面隧道施工中的可行性。

1 公山尾隧道工程地质条件分析

公山尾隧道为单向分离式隧道，断面面积150m2以上，属于超大断面隧道。其中，右洞里程桩号为YK15+153～YK16+091，长938m，YK16+091(洞门)～YK16+061段为明洞。

隧道地处剥蚀丘陵地貌，地表植被发育，地形起伏变化大。进口段地面高程45m～55m，坡度约为15°～30°，上覆坡残积粘性土-强化砂岩，未见基岩出露，坡体较稳定。左洞进口位于冲沟底部，极易受雨季洪水影响。出口处地面高程50m～65m，坡度约10°～20°，上覆5m左右的坡积土层，坡体较稳定。

路线区域上主要受福安-南靖(北东向)深断裂带及厦门-南靖(东西向)断裂带的影响，区域内构造运动较为强烈。隧道主要断裂带有：

(1)K15+308～K15+335，宽约15m～18m，受区域北东向断层影响，发育节理密集带，带内岩体极破碎，裂隙面铁锰质渲染严重。

(2)K15+413～K15+443，宽约10m～13m，受区域北东向断层影响，发育节理密集带，带内岩体极破碎，裂隙面铁锰质渲染严重。

(3)K15+501～K15+537，宽约20m～25m，受区域北东向断层影响，发育节理密集带，带内岩体极破碎。

(4)K15+640～K15+668，宽约30m～35m，为压性断裂，上盘为漳平组粉砂岩，下盘为梨山组砂岩、粉砂岩，带内岩体挤压破碎，矿物已出现挤压蚀变，呈土状-破碎块，夹杂构造角砾，有炭化及绿泥石化现象。

(5)K15+760～K15+881，宽约15m～20m，带内岩体挤压破碎，节理裂隙发育，岩体呈碎块状，有石英晶体充填，水蚀现象明显。

根据钻孔揭示，隧址区地表上覆第四系坡积层(Qdl)，下覆基岩为侏罗系中统漳平组(J2z)粉砂岩、砂岩及风化层、侏罗系下统梨山组砂岩、粉砂岩及其风化层；进口段岩层产状为290°∠20°，出口段岩层产状为130°∠15°。

YK16+090附近长约40m的工程，地质条件差，地层上部以填土和残积粘土为主，下部为变质粉砂岩及其风化层，局部见花岗斑岩岩脉侵入。地下水与洞顶高程接近，围岩级别以Ⅴ～VI级为主，稳定性较差。隧道轴线与山体走向斜交，洞口部分存在偏压。

2 公山尾隧道施工方法

2.1 超前支护

超前支护联合采用大管棚、小导管注浆、超前锚杆。支护参数如表1所示。

表1 超前支护参数

2.2 CD法施工

CD法又称中隔壁法，是通过钢支撑和喷射混凝土的隔壁分割开进行开挖的方法。CD法适用于Ⅳ级、Ⅴ级、Ⅵ级围岩隧道，地质条件差，围岩软弱，覆盖层薄，含水量大，基底承载力低，跨度大且对围岩沉降变形控制严格等情况。采用CD法，可减少大跨度隧道分部开挖跨度和开挖高度，通过增加中壁墙等临时支护构件，形成分部开挖初期支护快速封闭环，使分部开挖环环相扣，最后完成全部断面开挖与初期支护。施工流程具体如图1所示。

图1 CD法施工流程

施工中分别开挖断面的4个部分，单侧各自封闭成环，有利于围岩稳定，保证施工安全，如图2～图3所示。

图2 CD法施工立面图

图3 CD法施工纵断面图

分部开挖施工，每部分步距为3m，左右部分间距6m，施工工序如下：

(1)先进行①部分开挖，为减少对围岩扰动，采用人工风镐开挖或者机械开挖，必要时辅以弱爆破。

(2)施作①部分导坑的初期支护和上部中隔壁。初期支护采用40mm厚C25喷射混凝土、Ф25中空注浆锚杆、Ф22系统砂浆锚杆，挂钢筋网，全环架设钢拱架，最后喷射至设计厚度28cm方案，如图4所示，具体参数如表2所示。

图4 支护结构立面图

名称项目参数喷射混凝土部位全断面厚度28cm钢筋网部位拱墙规格Φ8间距28cm × 28cm锚杆部位拱墙长度3.5m间距0.8cm × 0.8cm钢拱架部位全环类型I20b 型钢间距0.7m

(3)开挖②部，施工中确保②部与①部间距保持在3m。

(4)施作②部洞室周边的初期支护和中隔壁，施工参数同①部。

(5)按顺序开挖③、④部，并施做初期支护和中隔壁。导坑底部安设钢架封闭成环，喷射混凝土至设计厚度。

(6)逐步拆除临时钢架。

(7)施作仰拱。

3 CD工法施工变形监测

由于隧道开挖断面超大，右侧隧道出口段地质条件复杂，存在浅埋偏压，为防止施工期间洞内发生塌方、洞口边、仰坡失稳以及验证CD法施工效果，在洞内外实施全方位、全过程围岩和地表变形监测。

现场测试项目包括拱顶下沉量测、周边收敛量测、地表下沉量测。其中，拱顶下沉和周边收敛量测，主要针对于初期支护；地表下沉量测则针对于隧道进出口及浅埋段。

3.1 测点布置及量测方法

隧道拱顶下沉和周边收敛量测，采用反射贴片配合高精度全站仪。在被测断面拱顶C1及拱肩A1、A2位置布置3个测点，并在拱腰对称位置B1、B2布置2个测点，测点位置贴反射片，如图5所示。并在距离测量断面数十米位置(可选已施作2次衬砌处或衬砌变形已经稳定的位置)，贴反射片作为后视点。然后，利用全站仪测量拱顶下沉量及周边收敛量并加以记录。

图5 拱顶下沉和周边收敛测点布置

测量地表下沉时，先在隧道进出口及浅埋段的开挖纵横向3～5倍洞径外的区域，参照标准水准点埋设2个水准基点，便于互相校核并联测最近水准点，取得原始高程。然后，根据测量断面选取7个测点。考虑到洞室右侧靠近坡面上覆岩层较薄，因此，测点布置不采取对称布置，而采取右多左少的布置方案，如图6所示。在测点位置挖坑并放入地表测点预埋件，测点四周用混凝土填实，混凝土固结完成后，即可采用水准仪或者高精度全站仪进行量测。

图6 地表沉降测点布设图

3.2 量测结果及分析

(1)YK16+061处断面变形情况

该断面30d拱顶下沉变化情况如图7所示，从位移时程曲线可以看出，在隧洞开挖后5～6d这段时间，隧道拱顶有较大沉降，日最大沉降量为3mm。其后，拱顶下沉速率呈现波动式递减。结合现场情况推测，围岩和支护工作状态已经趋于稳定，波动是由于观测误差所造成。隧道拱顶在5～6d内完成了75%总沉降量。开挖约1个月后沉降速率小于0.1mm/d，根据《公路隧道施工技术规范》可以判定，围岩和支护结构已经稳定，此时拱顶下沉量为24mm。

图7 YK16+061断面拱顶下沉量测

图8 YK16+061断面周边收敛量测

(2)断面YK16+061周边收敛量测结果

如图8所示，周边收敛在开挖结束头2d内呈现线性增加，之后逐渐递减。最大收敛速率3mm/d；在开挖8d后，收敛速率小于1mm/d；在开挖结束15d时，已产生85.7%总周边收敛量；开挖一月后，沉降速率小于0.1mm/d。根据《公路隧道施工技术规范》，可以判定围岩和支护结构已经稳定，对应的周边收敛量为21mm。

(3)断面YK16+061地表下沉量测结果

如图9所示，断面YK16+061处地表沉降速率在2mm/d ～ -1mm/d之间呈现出波动，最终稳定在0mm/d，这是由于测量误差造成。开挖1个月后，地表下沉已经趋于稳定。从各测点的总下沉量来看，开挖结束一个月后，各测点的下沉量呈现稳定的趋势。其中，最大地表下沉量出现在测点3，下沉量为50.0mm。由于测点3恰好处于拱顶位置，其他测点的下沉量呈对称分布。由此可以说明，隧道受力均匀，围岩稳定，支护结构工作状态良好。

图9 YK16+061断面地表沉降量测

4 结论

(1)公山尾隧道采用CD法在洞口段施工，开挖一个月后，围岩和支护结构整体变形已经趋于稳定。由此说明，偏压浅埋特大断面隧道洞口段，采用CD法开挖对于控制围岩变形效果良好。

(2)施工过程中，采用大管棚、超前小导管和超前锚杆等超前支护手段加固围岩，对隧道结构稳定有利。

(3)该设计施工方案，对公山尾隧道洞口地质薄弱段的处理，行之有效。