城市淺埋富水軟弱圍巖隧道開(kāi)挖工法的研究與選擇

林 峰

(中鐵十六局集團(tuán)第二工程有限公司，天津 300162)

隨著城市交通路網(wǎng)的飛速發(fā)展，城市路網(wǎng)布局型式越來(lái)越靈活多變。下穿主要道路、大型房屋建筑隧道越來(lái)越多。城市隧道多有埋深淺、地質(zhì)復(fù)雜，圍巖軟弱，富含孔隙、裂隙水等特點(diǎn)，因此淺埋富水軟弱圍巖隧道開(kāi)挖工法的研究與選擇極為重要，對(duì)施工質(zhì)量、安全、進(jìn)度、效益具有重要意義。

1 工程簡(jiǎn)介(圖1)

環(huán)島路(鰲山路-高殿二號(hào)路段)工程Ⅰ標(biāo)起訖點(diǎn)樁號(hào)為K0+160～K1+740，共長(zhǎng)1.58km，是廈門(mén)市環(huán)島路封閉成型的最后一環(huán)，也是關(guān)鍵一環(huán)。

本項(xiàng)目暗挖隧道工程是整個(gè)項(xiàng)目的控制性工程，也是制約整個(gè)項(xiàng)目工期的節(jié)點(diǎn)工程。本項(xiàng)目暗挖隧道起止里程如后。左線ZK1+490～ZK1+738，暗洞段長(zhǎng)248m；右線YK1+497～YK1+740，暗洞段長(zhǎng)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(shè)計(jì)情況

2.1 設(shè)計(jì)地質(zhì)概況

隧道圍巖由殘積砂質(zhì)粘性土、全風(fēng)化花崗巖、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化花崗巖、孤石等組成，主要為Ⅴ級(jí)圍巖及少量Ⅳ圍巖。隧道頂部圍巖多為強(qiáng)～中風(fēng)化花崗巖，巖層裂隙發(fā)育，巖體完整性差，頂板厚度薄，隧道成洞穩(wěn)定性差，圍巖有孔隙水、裂隙水滲出。

2.2 設(shè)計(jì)開(kāi)挖工法(圖2～4)

主線暗挖隧道開(kāi)挖支護(hù)采用CRD法施工，按照新奧法的基本原理，以“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”的施工原則為指導(dǎo)。

CRD法開(kāi)挖的每一步都各自封閉成環(huán)，施工通過(guò)設(shè)置中隔壁及臨時(shí)仰拱將開(kāi)挖斷面分4個(gè)部分，自上而下，分塊成環(huán)，隨挖隨撐，及時(shí)做好初期支護(hù)，并待初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的沉降和收斂基本穩(wěn)定后，自上而下拆除初期支護(hù)結(jié)構(gòu)中的臨時(shí)中隔壁及臨時(shí)仰拱，再進(jìn)行后續(xù)施工。

圖2 CRD開(kāi)挖工法步距圖

2.3 設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)

(1)超前支護(hù)措施：拱部150°范圍設(shè)置Φ159mm×6mm超前長(zhǎng)管棚，管棚長(zhǎng)40m，環(huán)向間距0.3m；拱部150°范圍設(shè)置Φ42mm×3.5mm超前小導(dǎo)管，L=4.5m，縱向間距3.0m，環(huán)向間距0.3m。

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

(3)臨時(shí)支護(hù)參數(shù)：采用Ⅰ18工字鋼支撐，縱向間距50cm；φ8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格20cm×20cm；Φ25×5中空注漿錨桿，L=3.0m，環(huán)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(shí)支護(hù)斷面圖

3 現(xiàn)場(chǎng)先行段施工情況

通過(guò)綜合考慮本項(xiàng)目設(shè)計(jì)地質(zhì)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(shè)計(jì)CRD工法施工，待順利通過(guò)鐵路鹽專線后，根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及先行段施工實(shí)際情況，確定后續(xù)段開(kāi)挖工法。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)圍巖揭露情況(圖5～6)

左線隧道開(kāi)挖至ZK1+520處，掌子面圍巖主要揭露為中風(fēng)化花崗巖，呈淺灰黃、灰色，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體整體性破碎，圍巖兩側(cè)有局部裂隙水滲出。

右線隧道開(kāi)挖至YK1+512處，掌子面圍巖揭露為砂礫狀強(qiáng)～中風(fēng)化花崗巖，呈褐黃色、灰白色，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體整體破碎，與上部全風(fēng)化巖呈漸變過(guò)渡關(guān)系，沒(méi)有明顯的地質(zhì)分界線，圍巖兩側(cè)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(zhì)預(yù)報(bào)情況

施工時(shí)采用地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)素描綜合判斷，通過(guò)采用地質(zhì)雷達(dá)和超前地質(zhì)水平鉆孔等綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段，對(duì)隧道工作面前方圍巖的水文地質(zhì)情況進(jìn)行探測(cè)。

依據(jù)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)情況，左線隧道ZK1+520～ZK1+550及右線隧道YK1+512～YK1+542范圍內(nèi)，分別推斷前方圍巖主要為中風(fēng)化花崗巖和強(qiáng)～中風(fēng)化花崗巖，左右線巖體整體完整性較好，節(jié)理較發(fā)育，局部巖體破碎，有少量巖溶裂隙水存在，建議加強(qiáng)支護(hù)，按Ⅳ級(jí)圍巖進(jìn)行施工。

3.3 地質(zhì)鉆探情況

為進(jìn)一步弄清地質(zhì)情況，委托福建省水文地質(zhì)勘察研究院對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行地質(zhì)豎向鉆探，于ZK1+527鉆孔2處、YK1+527鉆孔2處。根據(jù)ZK1+527處鉆探揭露情況，巖土體的分布及埋藏順序?yàn)椋核靥钔?，層厚約2.8m；殘積砂質(zhì)粘性土，層厚約2.1m；全風(fēng)化花崗巖，層厚約2.5m；砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，層厚約2.9m；中風(fēng)化花崗巖層厚約14.8m；孔內(nèi)見(jiàn)水。右線情況與左線相仿。

鉆探處拱頂中風(fēng)化花崗巖巖層厚約1.4m，根據(jù)鉆探地質(zhì)分析，推測(cè)本段里程隧道圍巖較好，初期支護(hù)封閉成環(huán)后，可有效的控制沉降。

3.4 監(jiān)控量測(cè)情況

現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求執(zhí)行監(jiān)控量測(cè)日?qǐng)?bào)制度，對(duì)地表沉降、拱頂下沉、周邊收斂等進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)工作。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析，拱頂下沉、地表沉降變形速率趨于穩(wěn)定，且左、右線隧道地表沉降變化速率、地表沉降累計(jì)變化量，拱頂沉降變化速率、拱頂沉降累計(jì)變化量均未超出設(shè)計(jì)值。

4 開(kāi)挖工法優(yōu)化

對(duì)先行段施工情況進(jìn)行分析，可知本暗挖隧道工程超前支護(hù)措施充分，掌子面穩(wěn)定性較好，拱頂雖埋深較淺，但拱頂中風(fēng)化巖層層厚較厚且穩(wěn)定性較好，在充分考慮質(zhì)量安全的前提下，結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)情況，經(jīng)與設(shè)計(jì)院溝通，且經(jīng)過(guò)專家論證，建議對(duì)原有CRD開(kāi)挖工法進(jìn)行優(yōu)化，改為短臺(tái)階法，取消中支撐、臨時(shí)仰拱等臨時(shí)支護(hù)體系，原有超前支護(hù)措施不變，并加強(qiáng)初期支護(hù)措施。暫定適應(yīng)范圍為左線ZK1+520～ZK1+560段、右線YK1+512～YK1+567。下穿嘉禾路段根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)條件及前段監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)另行確認(rèn)是否繼續(xù)采用該工法

4.1 短臺(tái)階法施工(圖7～8)

嚴(yán)格遵循“管超前、短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、緊封閉、勤量測(cè)”的原則進(jìn)行施工。短臺(tái)階法分上、下兩個(gè)部位施工，預(yù)留核心土施工，及時(shí)封閉，上下臺(tái)階保持一定的安全步距。

圖7 短臺(tái)階法施工步序示意圖一

在超前支護(hù)完成并達(dá)到強(qiáng)度后按下列順序進(jìn)行各步開(kāi)挖。(1)開(kāi)挖上部臺(tái)階；(2)上部臺(tái)階拱部初期支護(hù)(噴、錨、網(wǎng)、鋼架)；(3)開(kāi)挖下部臺(tái)階左側(cè)(預(yù)留核心土)；(4)完成左側(cè)邊墻初期支護(hù)(噴、錨、網(wǎng)、鋼架)；(5)開(kāi)挖下部臺(tái)階右側(cè)(預(yù)留核心土)，左右兩側(cè)步距錯(cuò)開(kāi)3～5m；(6)完成右側(cè)邊墻初期支護(hù)(噴、錨、網(wǎng)、鋼架)；(7)開(kāi)挖預(yù)留核心土；(8)施作仰拱初期支護(hù)；(9)澆注仰拱二次襯砌混凝土；(10)澆筑仰拱填充混凝土；⑾進(jìn)行邊墻、拱部二次模注砼的澆注。

圖8 短臺(tái)階法施工步序示意圖二

4.2 短臺(tái)階法施工注意事項(xiàng)及保障措施

(1)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求施作超前大管棚、超前小導(dǎo)管等超前支護(hù)措施施工；

(2)短臺(tái)階法上臺(tái)階長(zhǎng)度不大于10～15m，每循環(huán)進(jìn)尺不大于1.0m；下臺(tái)階左右兩側(cè)開(kāi)挖面錯(cuò)開(kāi)3～5m，每循環(huán)進(jìn)尺不大于1.5m；

(3)開(kāi)挖一環(huán)后應(yīng)立即噴混凝土3～5cm，及時(shí)按設(shè)計(jì)施作錨桿，掛網(wǎng)，架立鋼架，隨后分層噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

(4)認(rèn)真做好初期支護(hù)，及時(shí)封閉成環(huán)。加強(qiáng)鎖腳錨管的施作，在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上各部位增加兩根鎖腳錨管。

(5)加強(qiáng)隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)及監(jiān)控量測(cè)工作。在施作超前長(zhǎng)管棚或鉆孔打眼時(shí)應(yīng)注意提前預(yù)判地質(zhì)情況，結(jié)合監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整支護(hù)或者工法。

(6)抓好鉆爆開(kāi)挖施工，采用微震爆破、小炮、機(jī)械或人工開(kāi)挖，爆破作業(yè)采用周邊不耦合裝藥光面爆破，以減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)，嚴(yán)格控制裝藥量，降低爆破震動(dòng)效應(yīng)。

(7)初期支護(hù)局部注漿止水，當(dāng)圍巖孔隙水、裂隙水發(fā)育，初期支護(hù)表面出現(xiàn)明顯集中滲漏水情況時(shí)，采取注漿止水措施。

(8)隧道掌子面超前預(yù)注漿，當(dāng)隧道在通過(guò)局部斷層破碎帶時(shí)易出現(xiàn)涌水地段，掌子面采取超前預(yù)注漿加固。

(9)根據(jù)地表沉降、拱頂下沉、凈空收斂等監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)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(jù)實(shí)際情況采取地表注漿措施進(jìn)行加固處理。

(10)根據(jù)圍巖監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，適時(shí)施作邊墻、拱部二次襯砌。

5 兩種開(kāi)挖工法的效益分析

CRD工法施工，通過(guò)設(shè)置中隔壁及臨時(shí)仰拱將開(kāi)挖斷面分4個(gè)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(yán)重，幾乎不能同時(shí)施工，隧道各部施工不能形成循環(huán)作業(yè)；每個(gè)部位洞室斷面小，隧道洞渣只能采用小型挖掘機(jī)扒渣，工效低；鉆爆法施工不能利用固定臺(tái)架，只能重復(fù)搭設(shè)、拆除腳手架，大大降低了施工工效；仰拱施工時(shí)，隧道各部開(kāi)挖處于停滯狀態(tài)，故CRD工法施工工效極低。

在采取相應(yīng)的措施保證安全質(zhì)量的前提下，采用短臺(tái)階法施工，上下臺(tái)階各部位之間幾乎無(wú)干擾，分層平行循環(huán)施工作業(yè)；采用固定臺(tái)架鉆爆施工，挖掘機(jī)配合自卸車(chē)出渣，大大的提高了施工工效；仰拱施工采用棧橋，掌子面開(kāi)挖、仰拱施工互不干擾，極大的提高了施工工效；根據(jù)工法特點(diǎn)，優(yōu)化資源配置，臺(tái)階法施工進(jìn)度效益是CRD工法的2～3倍。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文主要通過(guò)工程實(shí)際，簡(jiǎn)要介紹了CRD工法與短臺(tái)階工法在城市淺埋富水軟弱圍巖隧道中的應(yīng)用對(duì)比。通過(guò)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及現(xiàn)場(chǎng)圍巖實(shí)際情況，及時(shí)對(duì)開(kāi)挖工法進(jìn)行優(yōu)化，輔以充分超前支護(hù)及初期支護(hù)，加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及監(jiān)控量測(cè)工作，采取掌子面超前預(yù)注漿等措施，確保了短臺(tái)階法在城市淺埋富水軟弱圍巖隧道中安全應(yīng)用，大大提高了施工工效，縮短了施工工期，節(jié)約了施工成本。