馬來(lái)西亞某淺埋山嶺隧道洞口段開挖工法研究

蔡偉民

（中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027）

近年來(lái)，隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的大發(fā)展，相應(yīng)的雙線、多線大斷面隧道已經(jīng)修建了很多，各類施工方法的技術(shù)分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也都積累了不少。但分析多是依托單個(gè)工程實(shí)例及數(shù)值模擬計(jì)算，主要集中在各種施工方法的施工特點(diǎn)、薄弱環(huán)節(jié)和注意事項(xiàng)等方面。這主要是由于各隧道所處地質(zhì)情況千差萬(wàn)別。即使現(xiàn)有設(shè)計(jì)規(guī)范也并未明確界定什么地質(zhì)條件應(yīng)選用哪種施工方法[1]。因此，在隧道施工方法選擇時(shí)，因地制宜就非常重要。該文以馬來(lái)西亞某淺埋山嶺隧道洞口開挖實(shí)施為例，主要對(duì)洞口段開挖使用的CRD法沉降觀測(cè)進(jìn)行分析，同時(shí)與轉(zhuǎn)換后的三臺(tái)階七步開挖工法進(jìn)行比照，以便為馬來(lái)西亞地區(qū)類似地質(zhì)的大斷面淺埋隧道洞口段開挖工法選擇提供參考。

1 工程概況

KG.SENTOSA_TUNNEL_3隧道位于西馬彭亨州，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度525m，全隧為軟弱圍巖。Ⅳ級(jí)圍巖占比17.1%，Ⅴ級(jí)圍巖占比82.9%，兩端明洞部分各16m，最大埋深50m，一般開挖斷面設(shè)計(jì)為123.9m2。洞身圍巖主要為完全風(fēng)化~中度風(fēng)化白堊系-侏羅系（K-J）砂巖，局部段落夾強(qiáng)風(fēng)化~中度風(fēng)化泥巖，淺埋段共261m（進(jìn)口163m、出口98m），為大斷面淺埋山嶺地質(zhì)。隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用英標(biāo)結(jié)合中方標(biāo)準(zhǔn)。隧道進(jìn)、出口段各130m圍巖Q值小于0.11，對(duì)應(yīng)鐵標(biāo)Ⅴ級(jí)圍巖，采用復(fù)合式襯砌，初支采用噴錨加鋼架支護(hù)，二襯采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，全環(huán)等厚，均為50cm。

隧道采用進(jìn)口單向掘進(jìn)施工，進(jìn)口暗洞開挖起始里程為CH391+342。進(jìn)口邊仰坡刷坡后，揭示隧道明暗分界附近掌子面主要為粉質(zhì)黏土，紅褐色，硬塑~堅(jiān)硬，局部偶見砂巖碎塊，掌子面干燥無(wú)水。導(dǎo)向墻兩側(cè)基礎(chǔ)開挖揭示圍巖為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，對(duì)應(yīng)洞內(nèi)圍巖掌子面開挖線3.6m以下為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，設(shè)計(jì)為中等富水區(qū)。洞口CH391+342~382共40m設(shè)計(jì)圍巖等級(jí)Ⅴ級(jí)，采用D6型復(fù)合式襯砌支護(hù)，開挖工法設(shè)計(jì)為CRD法，拱部140°采用直徑108mm大管棚超前支護(hù)，管棚內(nèi)設(shè)鋼筋籠并注漿加固。

CRD工法雖然地表沉降控制效果好，但是其施工成本高，進(jìn)度較慢，施工單位多希望進(jìn)行工法變更，采用施工更為快捷的三臺(tái)階七步施工法組織施工[2]。該隧道所在項(xiàng)目受制于成本及工期壓力，采用CRD工法較難滿足施工進(jìn)度和成本控制要求。綜合考慮圍巖條件、人員機(jī)械配置及周邊環(huán)境，并與設(shè)計(jì)、監(jiān)理單位聯(lián)合研究后，決定暗洞進(jìn)口段采用CRD法先行施工約13m，對(duì)地質(zhì)條件進(jìn)行充分驗(yàn)證后，再視情況決定是否采用三臺(tái)階七步施工法進(jìn)行剩余27m的施工。

2 CRD和三臺(tái)階七步施工法

2.1 CRD施工法

CRD施工法又稱交叉中隔壁法，該法與臺(tái)階法施工的區(qū)別是在施工過(guò)程中充分利用中隔壁及臨時(shí)仰拱的支撐和分隔作用，將隧道斷面分為上下左右6個(gè)部分（也有根據(jù)情況分為4個(gè)部分開挖的），如圖1所示，順序進(jìn)行開挖并及時(shí)閉合成環(huán)。

2.1.1 CRD法施工工藝

CRD法施工工藝主要包括以下10個(gè)步驟，參照?qǐng)D1進(jìn)行說(shuō)明：1）施工超前支護(hù)。2）開挖1部土體。3）及時(shí)施作初期及臨時(shí)支護(hù)（包括臨時(shí)橫撐及上部中隔壁），1部形成閉環(huán)并打設(shè)鎖腳錨桿。4）1部施工適當(dāng)距離后，同樣方式開始施工2部，及時(shí)施作初期及臨時(shí)支護(hù)，打設(shè)鎖腳錨桿。5）1部和2部向前推進(jìn)一定距離后，再以同樣方式順序施工3部和4部一定距離。6）隨后開挖5部土體，施作初期仰拱支護(hù)，并延長(zhǎng)中隔壁與初期支護(hù)形成閉環(huán)。7）滯后適當(dāng)距離，開挖6部土體，施作剩余仰拱，隧道全斷面初期支護(hù)形成閉環(huán)。8）分段拆除已閉合成環(huán)段的底部中隔壁臨時(shí)支護(hù)，施作仰拱二襯及仰拱填充。9）分段拆除已施作仰拱填充段的其余臨時(shí)支護(hù)。10）施作拱墻二次襯砌。

圖1 CRD工法施工分部示意圖

2.1.2 優(yōu)點(diǎn)

通過(guò)臨時(shí)支撐的分隔作用及開挖工序的合理安排，將大斷面隧道轉(zhuǎn)換為單個(gè)小部斷面逐個(gè)開挖，能有效控制軟弱圍巖隧道開挖過(guò)程中的變形，從而更好地保障施工安全。

2.1.3 缺點(diǎn)

不足之處有4條：1）臨時(shí)支撐多，施工較為煩瑣。2）單個(gè)分隔斷面小，多數(shù)情況下只能使用人工進(jìn)行開挖且施工過(guò)程中各分部工序之間很可能會(huì)互相干擾，將進(jìn)一步降低現(xiàn)場(chǎng)工效。3）臨時(shí)支撐用的鋼架、噴射混凝土及鎖腳錨桿等，使用后即須廢棄，耗費(fèi)大。4）研究表明，CRD法施工的大部分圍巖變形，都發(fā)生在臨時(shí)支撐拆除時(shí)，對(duì)拆除時(shí)的施工控制要求嚴(yán)格，拆除耗時(shí)較多且不利于隧道的穩(wěn)定。

2.2 三臺(tái)階七步施工法

該法將隧道斷面分為上中下3個(gè)臺(tái)階，各臺(tái)階間的開挖和支護(hù)保持一定距離。該法施工工序常規(guī)，在此不再贅述。

與CRD法相比，該方法優(yōu)點(diǎn)有3個(gè)：①施工空間相對(duì)較大，中、下臺(tái)階較為方便采用機(jī)械化施工。②可以多作業(yè)面平行施工，易于配合和形成流水作業(yè)，施工速度相對(duì)較快。③便于轉(zhuǎn)換施工工序。該方法不足主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：①臺(tái)階開挖分部多，每臺(tái)階開挖，都可能隨著較大的變形，對(duì)變形控制不利。②受臺(tái)階分布限制，仰拱閉合面距掌子面距離較遠(yuǎn)，可能導(dǎo)致下沉和收斂值進(jìn)一步加大[3]。

3 施工過(guò)程中的監(jiān)控量測(cè)

該隧道暗洞起始里程CH391+342，洞口40m范圍設(shè)計(jì)采用φ108mm大管棚超前支護(hù)、CRD工法開挖。其中，大管棚內(nèi)設(shè)鋼筋籠并帶壓注漿以提高鋼管剛度并加固管周邊圍巖，由此在隧道拱部140°范圍內(nèi)預(yù)先形成一縱向連續(xù)的傘狀管棚，這樣在單次進(jìn)尺開挖時(shí)，管棚即可結(jié)合未開挖或已支護(hù)部分，對(duì)開挖部分的上覆土體提供一定的承載力，從而減小或消除因開挖引起的沉降，進(jìn)而保障隧道施工安全。經(jīng)對(duì)圍巖條件、資源配置及工期要求等綜合研究后，決定CRD工法先行施工進(jìn)洞前13m。

3.1 CRD施工段落的拱頂沉降觀測(cè)

隧道第一處觀測(cè)點(diǎn)里程為CH391+345，后續(xù)每間隔5m設(shè)置一處。CRD施工區(qū)段內(nèi)兩處觀測(cè)點(diǎn)拱頂沉降觀測(cè)結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 CH391+345拱頂沉降觀測(cè)示意圖

圖3 CH391+350拱頂沉降觀測(cè)示意圖

3.2 CRD段落拱頂沉降與施工過(guò)程對(duì)比分析

隧道自2020年11月6日開始暗洞開挖，2021年2月4日、5日兩天完成13mCRD臨時(shí)支撐拆除。其中CH391+345處拱頂沉降的累計(jì)觀測(cè)值為7.6mm，CH391+350處累計(jì)值為18.5mm。進(jìn)一步結(jié)合施工過(guò)程記錄對(duì)沉降觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表1、表2。

表1 CH391+345處拱頂沉降與CRD施工過(guò)程比照

表2 CH391+350處拱頂沉降與CRD施工過(guò)程比照

從以上沉降觀測(cè)點(diǎn)結(jié)果以及對(duì)比表可得出下面3點(diǎn)結(jié)論：1）CRD法施工段落2個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的拱頂總沉降都較小。2）在CRD施工過(guò)程中，觀測(cè)到的沉降主要發(fā)生在觀測(cè)點(diǎn)附近里程的2部、3部、4部以及仰拱等分部。3）2個(gè)觀測(cè)點(diǎn)沉降發(fā)生的施工部位具有大致相同的規(guī)律，但又具有一定的隨機(jī)性，兩處觀測(cè)點(diǎn)沉降發(fā)生的施工部位并不一一對(duì)應(yīng)，這也說(shuō)明CRD施工中的沉降，除與CRD工法自身特點(diǎn)相關(guān)外，還與隧道圍巖狀況以及施工過(guò)程中各工序的控制質(zhì)量及施作時(shí)機(jī)高度相關(guān)。

對(duì)該隧道來(lái)說(shuō)，CRD施工段落雖然位于淺埋洞口段，但是在超前大管棚的支護(hù)作用下，采用CRD法施工很好地控制了施工沉降，說(shuō)明CRD法可以滿足施工需要。另一方面，兩處CRD觀測(cè)點(diǎn)的拱頂總沉降值和各分部施工過(guò)程中的觀測(cè)沉降值都相對(duì)較小，CH391+345處在拆除CRD臨時(shí)支撐過(guò)程中的拱頂沉降只有1.3mm，甚至CH391+350處在拆除CRD臨時(shí)支撐的過(guò)程中未觀測(cè)到沉降。這反映出本應(yīng)在CRD施工體系中承受較大作用力的中隔墻支撐[4]，在該隧道CRD施工過(guò)程中及完成后并未承受大的軸力或彎矩。這說(shuō)明該淺埋隧道洞口，在超前管棚支護(hù)下，圍巖總體穩(wěn)定，并不必須要選用CRD施工法。這一點(diǎn)通過(guò)工序轉(zhuǎn)換后采用的三臺(tái)階7步施工法的施工沉降觀測(cè)結(jié)果也可以佐證。CRD與三臺(tái)階七步施工法在里程CH391+355處進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在CH391+355~382段落采用三臺(tái)階七步施工法的拱頂沉降觀測(cè)中，最大拱頂總沉降為5.1mm。

綜合洞口段40m的拱頂沉降觀測(cè)結(jié)果看，CRD法施工段拱頂各點(diǎn)累計(jì)最大沉降并不比三臺(tái)階七步法施工段小。分析原因：一方面是因?yàn)榍?3m為初始進(jìn)洞，隧道埋深更淺，圍巖狀況相對(duì)更差；但更重要的原因是CRD法與三臺(tái)階七步法相比分部更多，單次開挖斷面更小，理論上更有利于減少沉降，但前提是各部在開挖后應(yīng)盡快完成初支及臨時(shí)支撐施工，盡快使支撐體系受力。否則，分部多反而不利于沉降控制。該隧道受新冠疫情影響，中方熟練技術(shù)工人入境馬來(lái)西亞申請(qǐng)批復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致前期各工序人員配置不足，也不均衡，只能招聘一些外勞搭配使用。近年來(lái)，馬來(lái)西亞境內(nèi)隧道施工極少，外勞基本不具備隧道施工經(jīng)驗(yàn)。這些因素導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)整體施工安排不夠緊湊，支撐體系受力較遲。

支撐體系受力具有一定的延后性，在其發(fā)揮作用時(shí)，圍巖實(shí)際已經(jīng)產(chǎn)生了一定的松弛和變形。這也是后期拆除臨時(shí)支護(hù)時(shí)，2個(gè)拱頂觀測(cè)點(diǎn)僅觀測(cè)到很小或未觀測(cè)到沉降的主要原因。CRD法的主要設(shè)計(jì)理念就是通過(guò)中隔壁及臨時(shí)橫撐等將大斷面分隔為小斷面進(jìn)行開挖施作，從而更好地控制沉降。通過(guò)該隧道的施工實(shí)踐可知，如果要利用CRD法的特點(diǎn)，就需要把握開挖后初期及臨時(shí)支護(hù)的施作時(shí)機(jī)，應(yīng)合理組織資源，安排現(xiàn)場(chǎng)緊湊施工，使支護(hù)體系盡快發(fā)揮應(yīng)有的作用，切忌開挖后長(zhǎng)時(shí)間支護(hù)跟不上的情況?？偟膩?lái)說(shuō)，在超前大管棚的支護(hù)下，該隧道的CRD臨時(shí)支護(hù)體系主要是起到了支撐儲(chǔ)備的作用，并未起到預(yù)期的作用。這也從另一方面說(shuō)明了CRD法轉(zhuǎn)換為三臺(tái)階七步法的合理性。

綜上所述，雖然CRD法與三臺(tái)階七步施工法相比沉降控制效果更好，但是須滿足一定的前提條件。另一方面，CRD法因?yàn)槭┕し植慷?，更為費(fèi)工費(fèi)時(shí)，臨時(shí)支撐設(shè)置所需的鋼架、噴射混凝土以及鎖腳錨管等不可重復(fù)使用的材料消耗也更大。根據(jù)大致測(cè)算，受限于工作面及項(xiàng)目人員配置及人工工效影響，該項(xiàng)目CRD法施工每月進(jìn)尺約13m，而三臺(tái)階七步施工法每月進(jìn)尺約25m；隧道初期支護(hù)綜合施工成本方面，與CRD法相比，三臺(tái)階七步施工法每米可節(jié)約60%左右。

4 結(jié)語(yǔ)

KG.SENTOSA_TUNNEL_3隧道的施工實(shí)踐說(shuō)明，進(jìn)口段40m在大管棚支護(hù)作用下，具備采用三臺(tái)階七步施工法的條件。該隧道所在線路尚有33處隧道洞口段設(shè)計(jì)采用CRD法且大多與該隧道地質(zhì)條件相似。通過(guò)該隧道的施工實(shí)踐說(shuō)明，針對(duì)類似的地質(zhì)條件，工法變更為三臺(tái)階七步施工法完全可行。對(duì)比CRD法，三臺(tái)階七步施工法將節(jié)約一半工期，同時(shí)將節(jié)省大量臨時(shí)中隔壁支撐的消耗，對(duì)項(xiàng)目的總體施工安排及成本控制具有重要意義。

隧道工程作為一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，由于各地地質(zhì)條件的千差萬(wàn)別，當(dāng)前規(guī)范無(wú)法做到完全的科學(xué)合理，為盡量保障施工安全，規(guī)范要求必然偏保守。因此，在選擇施工方法時(shí)，業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理及施工方均應(yīng)在科學(xué)理念的指導(dǎo)下，實(shí)事求是，這樣才能盡可能地選擇出更符合現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度、安全及成本等要求的施工方法。