將軍溝隧道破碎圍巖 CRD工法施工技術(shù)

孫憲魁

(新疆維吾爾自治區(qū)交通建設(shè)管理局)

1 工程概況

將軍溝隧道是國(guó)家公路主干線 G 045(連云港至霍爾果斯)線新疆“賽 -果”段高速公路中里程最長(zhǎng)、地質(zhì)條件最復(fù)雜的隧道工程。該隧道為左右分離式隧道,其中左線長(zhǎng)1 450m,右線長(zhǎng) 1 524m。隧道凈寬 11.12m,凈高 5.56m,設(shè)計(jì)行車(chē)速度 80 km/h。隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)按新奧法原理設(shè)計(jì),襯砌采用復(fù)合式襯砌。初期支護(hù)采用錨噴支護(hù),二次襯砌采用模筑混凝土。根據(jù)將軍溝隧道地質(zhì)勘察報(bào)告的描述,隧道穿越區(qū)為構(gòu)造剝蝕高山區(qū),主山脊近南北走向,地勢(shì)總體東高西低,沿隧道軸向地形呈鋸齒狀起伏變化,兩側(cè)低,中部高。標(biāo)高 1 875.00～2 198.00m,高差約 223.0m,隧道進(jìn)口地形較陡,表層為第四系殘坡積碎石土,植被較發(fā)育,地形沿路線起伏變化植被發(fā)育。隧道穿越區(qū)地層主要為第四系洪積的角礫土、碎石土、亞粘土及寒武系的石灰?guī)r,地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單,無(wú)斷裂帶存在,巖相單一,主要為石灰?guī)r。關(guān)于水文地質(zhì)條件,隧址基巖裂隙比較發(fā)育,存在基巖裂隙水,根據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果,隧道洞身開(kāi)挖后最大涌水量為7 745.75m3/d,為中等富水區(qū)。

然而實(shí)際開(kāi)挖揭示的地質(zhì)條件與原設(shè)計(jì)差別很大,將軍溝隧道左線 ZK 582+317～ZK 582+197段原設(shè)計(jì)為 II級(jí)圍巖,施工至 ZK 582+317時(shí),開(kāi)挖揭露圍巖為含碎屑的炭質(zhì)泥巖,巖體因受構(gòu)造擠壓而呈破碎狀,在巖體中可見(jiàn)明顯斷層錯(cuò)動(dòng)擦痕。受此地質(zhì)構(gòu)造影響,該段圍巖中網(wǎng)狀節(jié)理、裂隙發(fā)育。隧道開(kāi)挖中掌子面有地下水出漏,受水侵泡后圍巖呈泥狀流塑狀態(tài),自穩(wěn)性極差,揭露即出現(xiàn)坍塌。為V級(jí)偏差圍巖。

根據(jù)該段隧道以上特點(diǎn),初期支護(hù)按 V級(jí)支護(hù)施作,“三臺(tái)階七步”開(kāi)挖法進(jìn)行施工掘進(jìn)。隧道在初次支護(hù)后即出現(xiàn)持續(xù)變形,最大斷面變形量超過(guò) 70 cm,致使初期支護(hù)大段侵限。根據(jù) TSP203和地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)分析,隧道該類(lèi)圍巖在可預(yù)報(bào)范圍內(nèi)無(wú)明顯好轉(zhuǎn)跡象,為確保隧道施工安全,及二次襯砌質(zhì)量,經(jīng)參建各方多次討論,決定隧道該類(lèi)圍巖地段按 CRD法施工。

2 工藝原理

CRD法就是在隧道掘進(jìn)施工中,通過(guò)設(shè)置中隔壁和臨時(shí)仰拱(兩者交叉)將開(kāi)挖斷面分成 4個(gè)部分,然后再根據(jù)圍巖情況細(xì)分部進(jìn)行開(kāi)挖,國(guó)內(nèi)外許多軟巖隧道工程中采用該工藝均取得成功。此法是以新奧法的基本原理為依據(jù),在開(kāi)挖過(guò)程中盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng),通過(guò)超前導(dǎo)管、錨噴網(wǎng)、格柵洞壁支護(hù)系統(tǒng)和中隔壁、臨時(shí)仰拱聯(lián)結(jié),使斷面支護(hù)及早閉合,控制圍巖的變形,并使之趨于穩(wěn)定。同時(shí),建立圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)控量測(cè)系統(tǒng),隨時(shí)掌握施工過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化,合理安排,調(diào)整施工工藝和修改設(shè)計(jì)參數(shù),確保施工安全。該工法充分利用了中隔壁和臨時(shí)仰拱的支撐作用,并輔以超前注漿小導(dǎo)管超前支護(hù)、掛網(wǎng)和格柵噴混凝土等支護(hù)手段,能很好的適應(yīng)圍巖的變化,與圍巖形成一個(gè)整體,充分發(fā)揮圍巖的自承能力,對(duì)圍巖擾動(dòng)小,能有效的控制圍巖變形和地表下沉,提高了施工安全度。與此同時(shí),本工法采用分部開(kāi)挖,其超前導(dǎo)坑可以起到超前預(yù)報(bào)的作用,并應(yīng)用監(jiān)控量測(cè)等信息化管理方法指導(dǎo)施工,使整個(gè)施工過(guò)程處于受控狀態(tài)。

3 施工工藝

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,首先進(jìn)行由臺(tái)階法向 CRD工法轉(zhuǎn)換的過(guò)渡施工,轉(zhuǎn)換段為掌子面至其后 12m。轉(zhuǎn)換段按既定CRD法施作中隔壁和臨時(shí)仰拱支撐,按 V級(jí)加強(qiáng)斷面支護(hù)參數(shù)進(jìn)行初期支護(hù),形成支護(hù)成環(huán)封閉,掌子面前方按CRD工法施工。

將軍溝隧道 CRD法隧道開(kāi)挖分 1、3、5、7四部分進(jìn)行,每部中分兩臺(tái)階開(kāi)挖,以防止側(cè)壁因開(kāi)挖過(guò)高而出現(xiàn)坍塌。每分部施作中上下臺(tái)階步距 2～3m,每部開(kāi)挖步距 3～5m。CRD法施工中 1、3部開(kāi)挖采用人工配合小型機(jī)械進(jìn)行,5、7部采用人工配合小型機(jī)械施作,大型機(jī)械輔助。

將軍溝隧道CRD法施工段隧道開(kāi)挖超前支護(hù)采用注漿小導(dǎo)管,注漿漿液為雙液漿。隧道初期支護(hù)采用格柵鋼架、噴 C25混凝土、掛鋼筋網(wǎng);支護(hù)中錨桿采用中空注漿錨桿,中隔壁及臨時(shí)仰拱采用 I18工字鋼、掛鋼筋網(wǎng)噴 C25混凝土支護(hù)。CRD開(kāi)挖施工工藝流程見(jiàn)圖 1。

3.1 開(kāi)挖及支護(hù)程序

開(kāi)挖順序:1部先開(kāi)挖,隨即依次開(kāi)挖 3部 -5部 -7部;1部、3部采用人工配合小型機(jī)具開(kāi)挖,架子車(chē)運(yùn)土至下臺(tái);5部、7部采用人工開(kāi)挖兩側(cè)邊墻,中間采用裝載機(jī)(挖掘機(jī))開(kāi)挖,自卸車(chē)出渣。開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺與設(shè)計(jì)鋼架間距相同(0.5m/榀),即每次開(kāi)挖進(jìn)尺為 0.5m。

圖 1 CRD工法施工工藝流程

3.2 施作工序

(1)先開(kāi)挖 1部上臺(tái)階,開(kāi)挖單循環(huán) 0.5m;開(kāi)挖后初噴3～5 cm混凝土,掛鋼筋網(wǎng),架設(shè)拱部及中隔壁鋼架,施工系統(tǒng)及鎖腳錨桿,最后復(fù)噴至設(shè)計(jì)厚度。

(2)1部上臺(tái)階施工 2～3 m后,開(kāi)挖 1部下臺(tái)階,每循環(huán)進(jìn)尺 0.5m;開(kāi)挖后初噴 3～5 cm混凝土,掛鋼筋網(wǎng),架設(shè)上邊墻、中隔壁、及臨時(shí)仰拱鋼架,施工系統(tǒng)及鎖腳錨桿,最后復(fù)噴至設(shè)計(jì)厚度。

(3)1部下臺(tái)階施工 2～3m后,開(kāi)挖 3部上臺(tái)階,每循環(huán)進(jìn)尺 0.5m,開(kāi)挖后初噴 3～5 cm混凝土,掛鋼筋網(wǎng),架設(shè)下邊墻、中隔壁鋼架,施工系統(tǒng)及鎖腳錨桿,最后復(fù)噴至設(shè)計(jì)厚度。

(4)3部上臺(tái)階施工 2～3m后,開(kāi)挖 3部下臺(tái)階,每循環(huán)進(jìn)尺 0.5m,開(kāi)挖后初噴 3～5 cm混凝土,掛鋼筋網(wǎng),架設(shè)下邊墻、中隔壁及仰拱鋼架,施工系統(tǒng)及鎖腳錨桿,最后復(fù)噴至設(shè)計(jì)厚度。

(5)3部下臺(tái)階施工后,開(kāi)挖 5部上臺(tái)階,開(kāi)挖后初噴 3～5 cm混凝土,掛鋼筋網(wǎng),架設(shè)拱部及中隔壁鋼架,施工系統(tǒng)及鎖腳錨桿,最后復(fù)噴至設(shè)計(jì)厚度。

(6)5部上臺(tái)階施工 2～3m后,開(kāi)挖 5部下臺(tái)階,每循環(huán)進(jìn)尺 0.5m,開(kāi)挖后初噴 3～5 cm混凝土,掛鋼筋網(wǎng),架設(shè)上邊墻、中隔壁、及臨時(shí)仰拱鋼架,施工系統(tǒng)及鎖腳錨桿,最后復(fù)噴至設(shè)計(jì)厚度。

(7)5部下臺(tái)階施工 2～3m后,開(kāi)挖 7部上臺(tái)階,每循環(huán)進(jìn)尺 0.5m,開(kāi)挖后初噴 3～5 cm混凝土,掛鋼筋網(wǎng),架設(shè)下邊墻、中隔壁鋼架,施工系統(tǒng)及鎖腳錨桿,最后復(fù)噴至設(shè)計(jì)厚度。

(8)7部上臺(tái)階施工 2～3m后,開(kāi)挖 7部下臺(tái)階,每循環(huán)進(jìn)尺 0.5m,開(kāi)挖后初噴 3～5 cm混凝土,掛鋼筋網(wǎng),架設(shè)下邊墻、中隔壁、仰拱鋼架,施工系統(tǒng)及鎖腳錨桿,最后復(fù)噴至設(shè)計(jì)厚度。仰拱鋼架每 3m封閉一次。

(9)7部下臺(tái)階仰拱初期支護(hù)封閉完成,超前設(shè)計(jì)仰拱6～8m后,僅靠設(shè)計(jì)仰拱端拆除底部中隔墻噴射混凝土及工字鋼架,拆除長(zhǎng)度 5 m,實(shí)際拆除時(shí)根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果調(diào)整拆除長(zhǎng)度,然后施工仰拱及填充。

(10)二次襯砌施工。在施作二次襯砌前,拆除中隔墻及臨時(shí)仰拱,然后鋪設(shè)防水層。二次襯砌為模筑鋼筋混凝土,采用整體定型鋼模臺(tái)車(chē),配備混凝土輸送泵灌注混凝土。仰拱及填充超前 5m后,二次襯砌施作一環(huán),襯砌灌注 10～20 h后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)?；炷翉?qiáng)度達(dá)到規(guī)范要求強(qiáng)度后拆模,施作下一循環(huán)。

3.3 施工注意事項(xiàng)

(1)施工 1、3、5、7部上斷面時(shí),要做好鋼架鎖腳導(dǎo)管,并注漿加固,初期支護(hù)及中隔壁鋼架底部墊設(shè)混凝土預(yù)制塊,防止出現(xiàn)過(guò)大收斂和沉降變形。

(2)7部下臺(tái)階仰拱初期支護(hù),每 3m封閉一次,以便中心排水管施工。

4 監(jiān)控量測(cè)

為能在施工過(guò)程中動(dòng)態(tài)掌握隧道圍巖變形情況,保證施工安全,在施工過(guò)程中對(duì)隧道從行以下方面進(jìn)行監(jiān)控量測(cè):

(1)地質(zhì)及支護(hù)狀態(tài)觀察。對(duì)開(kāi)挖掌子面進(jìn)行觀察、地質(zhì)素描,對(duì)圍巖及初期支護(hù)表面進(jìn)行觀察。

(2)拱頂下沉量測(cè),在中隔壁的兩側(cè)即 1部、5部的開(kāi)挖拱頂,各設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn),采用水平儀測(cè)其下沉量。

(3)周邊收斂量測(cè),在洞內(nèi)拱腳、最大跨度線、邊墻角等處布設(shè)水平基線,采用收斂?jī)x量測(cè)。

(4)拆除中隔墻及臨時(shí)仰拱過(guò)程拱頂下沉及周邊收斂量測(cè)監(jiān)控。量測(cè)拱頂下沉、收斂全部測(cè)點(diǎn)均埋設(shè)在同一斷面。

(5)二襯應(yīng)力,鋼拱架內(nèi)力和錨桿軸力。

(6)根據(jù)兩側(cè)數(shù)據(jù),整理、繪制回歸曲線并及時(shí)反饋,以采取相應(yīng)的技術(shù)措施。

5 CRD法施工關(guān)鍵技術(shù)及作業(yè)要點(diǎn)

(1)保持各分部開(kāi)挖斷面和各部的縱向間距,分部開(kāi)挖要嚴(yán)格按預(yù)定尺寸放線,開(kāi)挖遵循“寧欠勿超”的原則(局部欠挖采用風(fēng)稿修正),斷面開(kāi)挖力求圓順,以減少出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(2)每塊小斷面開(kāi)挖長(zhǎng)度 3～5m,及時(shí)設(shè)置臨時(shí)仰拱封閉、步步成環(huán),盡量縮短成環(huán)時(shí)間,必要時(shí)進(jìn)行掌子面噴射混凝土臨時(shí)支護(hù)。

(3)中隔壁設(shè)置為弧形臨時(shí)支護(hù),隧道左右開(kāi)挖小斷面底部臨時(shí)仰拱保持在同一斷面上,各節(jié)點(diǎn)的連接一定要對(duì)齊,螺栓連接牢固,并及時(shí)施作鎖腳錨管。

(4)必須保證中隔壁和臨時(shí)仰拱鋼架的規(guī)格數(shù)量和噴射混凝土的厚度,鋼架之間縱向連接鋼筋及時(shí)施作并連接牢固。

(5)為減小支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)地基的壓力,提高地基的承載能力,對(duì)型鋼拱架的底部設(shè)置 40×40×20 cm的預(yù)制墊塊。

(6)初期支護(hù)穩(wěn)定后分段拆除中隔壁臨時(shí)支護(hù),拆除長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)變形監(jiān)控量測(cè)信息和仰拱澆筑長(zhǎng)度確定(一般為 4～6m)。但一次拆除長(zhǎng)度不宜超過(guò) 15m,并加強(qiáng)拆除過(guò)程監(jiān)控量測(cè)。

(7)中隔壁混凝土拆除時(shí),要防止對(duì)初期支護(hù)系統(tǒng)形成大的振動(dòng)和擾動(dòng)。可采用風(fēng)鎬由上至下逐榀拆除鋼支撐之間的噴射混凝土,以及臨時(shí)支護(hù)與初期支護(hù)連接部位附著在鋼架上的噴射混凝土,臨時(shí)鋼構(gòu)件采用氣焊燒斷。

(8)臨時(shí)支護(hù)拆除后及時(shí)施作隧道仰拱和二次襯砌。

(9)加強(qiáng)對(duì)圍巖的量測(cè)監(jiān)控。

6 結(jié) 論

CRD工法是隧道穿越極差圍巖區(qū)域時(shí)所采取的一種比較有效的施工工藝。該種工藝通過(guò)設(shè)置中隔壁和臨時(shí)仰拱(兩者交叉)將開(kāi)挖斷面分成 4個(gè)部分,然后再根據(jù)圍巖情況細(xì)分部進(jìn)行開(kāi)挖,在開(kāi)挖過(guò)程中盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng),通過(guò)超前導(dǎo)管、錨噴網(wǎng)、格柵洞壁支護(hù)系統(tǒng)和中隔壁、臨時(shí)仰拱聯(lián)結(jié),使斷面支護(hù)及早閉合,控制圍巖的變形,并使之趨于穩(wěn)定。通過(guò)前后分區(qū)開(kāi)挖,減小了開(kāi)挖斷面,有效減弱了圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的形變壓力,對(duì)保證施工安全有顯著的意義。同時(shí),該工法充分利用了中隔壁和臨時(shí)仰拱的支撐作用,并輔以超前注漿小導(dǎo)管超前支護(hù)、掛網(wǎng)和格柵噴混凝土等支護(hù)手段,能很好的適應(yīng)圍巖的變化,與圍巖形成一個(gè)整體,充分發(fā)揮圍巖的自承能力,對(duì)圍巖擾動(dòng)小,能有效的控制圍巖變形和地表下沉,提高了施工安全。

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