石质大断面扩挖隧道CRD开挖方法优化探讨

【摘 要】CRD交叉中隔壁开挖方法在大断面软弱围岩隧道施工中应用广泛，该施工方法成熟安全，但对于需要采取大规模爆破作业的石质隧道施工存在较多制约，本文通过福州市二环路金鸡山拓宽改造工程金鸡山隧道拓宽为实例，对石质大断面扩挖隧道CRD开挖方法进行优化，在隧道支护变形稳定的前提下，适当调整CRD各工序间施做顺序，充分发挥机械效率，大大加快了施工进度，为复杂环境下石质大断面扩挖隧道施工积累成功经验。

【关键词】 石质 大断面扩挖隧道 开挖方法优化

中图分类号： C35 文献标识码： A

1、前言

福州市二环路金鸡山隧道位于福州市主城区，是福州市二环线的一部分，是城区通往火车站的主要通道。金鸡山既有隧道为分离两车道市政公路隧道，为满足通行要求将原有隧道拆除扩建为四车道，该隧道扩建工程是大跨度小间距既有隧道拓宽工程，该隧道施工技术难度大、安全风险高、工程工期紧、社会影响大。由于隧道穿越地层地质主要为强风化-中风化花岗岩，岩体受原隧道施工应力释放后破碎程度进一步加强，属中硬岩，开挖时需要分断面钻爆作业。原设计开挖方案为CRD（交叉中隔壁）开挖方案。CRD开挖的临时支撑对上下台阶交通干扰影响，爆破作业对临时竖撑和横撑的破坏，对隧道整体安全产生较大影响，按照原方案施工作业难以开展。为能解决上述问题，针对原设计的CRD开挖方法进行优化，总结出适合类似岩层大断面隧道开挖方法。

2、原设计开挖方案

隧道原设计开挖方法为：V级、V级加强段采用交叉中隔壁（CRD）施工法施工，IV级段采用中隔壁（CD）法施工，中隔壁及临时仰拱均采用I14工字钢+18cm厚C25喷射混凝土，其中IV级围岩地段不设临时仰拱， V级围岩地段交叉中隔壁原设计开挖施工工序详见下图：

3、原设计开挖方案存在的制约

1、按照原设计先开挖既有隧道侧，上台阶临时中隔壁I14工字钢拱脚落在既有隧道初期支护背后围岩松散区，该处由于围岩出现不同程度松散，在竖向荷载作用下下沉变形大，不利于中隔壁稳定，为此我部经优化后将临时中隔壁置于既有隧道衬砌混凝土上，能提高临时中隔壁竖向承力能力有效控制初期支护沉降量。同时若按照设计弧度设置中隔壁，对既有衬砌产生水平向围岩推力，由于背后有松散空洞区，容易将衬砌混凝土推裂造成中隔壁失稳，为此将原设计弧形中隔壁调整为垂直中隔壁，有利于竖向荷载的传递。优化方案如下图所示：

2、本隧道均为石质围岩，需要进行爆破作业，爆破时对已完成的临时支撑影响极大，极易造成对已施工的永久支护松动脱落，造成重大安全风险。

3、原方案中上台阶开挖支护时就安装临时仰拱，临时将上下台阶分隔成两个空间，机械设备无法到作业掌子面施工，各作业面仅能靠人工开挖及支护，施工效率低下，一般土质隧道CRD方法开挖月进尺30米左右。石质隧道若没有大型设备出渣，施工进度将比土质隧道CRD开挖方法慢的多，工程进度难以保障。

土质隧道CRD施工照片

4、针对制约问题优化后的施工方案

开挖方案优化原则：在保证隧道质量、安全的前提下，以监控量测数据为依据，对隧道原设计CRD工法进行了局部优化。保证优化后的方案能满足结构安全要求，能有效控制隧道拱顶及两侧收敛，同时便于大型设备施工，以提高工作效率。首先对临时支护进行调整，将原设计弧形临时支撑优化为直线型，使型钢能较好的传递竖向或水平荷载；其次对开挖顺序进行优化，先后开挖施工上台阶两个导洞，再开挖施工下台阶两个导洞；由于下台阶爆破作业时是采取松动抬爆，对临时横撑造成冲击从而对整个初期支护造成影响。若上台阶开挖施工时完成上台阶竖向支撑体系施工但不施工临时仰拱，临时横撑待下台阶开挖支护一段后再施工，能保证上下台阶交通畅通，发挥大型设备的工作效率，施工工期能满足要求。若按原设计的CRD施工方法，上台阶仅能靠人工进行开挖出碴工效低，若为土质围岩人工开挖施工可以实施，但本隧道围岩均为石质人工无法开挖。

优化后施工顺序为：

⑴先扩挖既有隧道侧上台阶，并完成初期支护及临时竖撑及横撑施工，紧靠临时支护侧多开挖30-50cm，使临时竖撑施工完毕后扩挖侧岩壁与竖撑留有30-50cm空间，防止扩挖侧爆破时冲击临时竖撑。洞口30m范围内尽量采用机械开挖，若有机械难以开挖的局部松动爆破后再使用机械开挖。

⑵滞后既有隧道上台阶10米左右开挖扩挖隧道上台阶部分，并完成上台阶初期支护施工，此时隧道初期支护两侧拱脚垂直落底具有较好的承力能力。临时竖撑能有效支撑拱顶位置，减少拱顶下沉收敛。两侧钢支撑在竖向压力下产生水平向外的推力，能有较好的抵抗两侧围岩向内收敛。建议临时横撑不施工喷射混凝土，左侧导洞增加2排纵向I14工字钢连接，右侧导洞增加3排工字钢连接。以减轻临时横撑重量。

⑶既有隧道上台阶进尺30米左右后，开始开挖既有隧道侧下台阶。洞口段开挖逐榀开挖逐榀支护，待洞口段支护5-10米后可进入正常开挖支护，正常每次保持在2-3榀一次。下台阶钢架拱脚加长30cm，拱脚深入隧底基岩内起到临时仰拱作用。下台阶开挖时加强对拱顶及两侧监控量测，一旦发现下沉及收敛过大时停止施工，并采取有效措施进行加固。待洞口段施工30m左右后，通过监控量测观察围岩下沉收敛情况，若初支处于稳定状态，可将临时仰拱滞后至下台阶开挖后再施工。

⑷该侧下台阶开挖5米后开挖另一侧下台阶并完成支护。

⑸滞后左侧台阶5米左右开挖左侧隧底，施工隧底支护并将竖撑接长至隧底，使左侧导洞封闭成环。洞口段隧底开挖一次控制在2-3榀，洞内段控制在3米左右。 临时竖撑在仰拱及填充段内不施做喷射混凝土，施工仰拱时将工字钢浇筑在仰拱及填充内。

⑹滞后右侧5米左右开挖既有隧道侧隧底并完成隧底支护，隧底开挖一次控制在3米以内，开挖后立即完成隧底支护，使隧道支护封闭成环。

⑺待隧道初期支护落底成环后拆除临时横撑，每拆除6-9米后利用仰拱栈桥分幅浇筑仰拱及填充。

⑻待仰拱填充完成一段后，开始逐榀拆除临时支撑，临时支撑拆除要逐步推进，及时完成防水板、钢筋布设，并立即浇筑衬砌混凝土，要求拆除的临时至已完成的二衬混凝土距离不超过20米。同时加大对临时支撑拆除段支护监控量测频率，一旦发现支护下沉收敛加剧后立即停止拆除，并采用刚度较大的300*6的钢管支撑，并对支护后围岩进行注浆加固。

优化后方案对施工顺序导洞开挖顺序、中隔壁进行了优化，同时根据洞口段施工情况再适当调整临时横撑的施工时间，即洞口段开挖上台阶后施工临时横撑，待施工30米后且围岩变形收敛趋于稳定时，将临时横撑滞后至下台阶开挖后再施做，有利于上下台阶通行，使得上台阶能充分利用机械设备。能大大加快施工进度同时隧道施工安全也能得到保证。

5、优缺点比较

安全风险比较：原设计方案为标准隧道CRD开挖方法，对于土质软岩隧道更为适合，能有效控制软弱围岩下沉量及收敛，但对需爆破的石质隧道来说，临时横撑及竖撑紧贴岩面使得原有岩体临空面封闭增加爆破难度，临时支撑紧贴待爆破岩面，爆破时爆破能量及震动直接通过岩体作用到临时支撑上，极易造成临时支撑移位、变形甚至破坏，从而导致永久支护松动损坏，对安全不利。优化后方案临时支撑没有与岩面接触，不受爆破施工影响，另外竖向支撑自开挖至隧道初期支护成环始终能保持竖向持力，对控制隧道拱顶下沉较为有利，隧道开挖下台阶边墙收敛最不利时及时加上横撑，能有效控制隧道边墙收敛值。

施工进度比较：原方案受临时横撑影响将隧道上下台阶隔断，上台阶与下台阶无法通行交通，上台阶施工仅能依靠人工和小设备施工，正常土质隧道全断面施工进度在20-30米/月，石质隧道施工进度将更受制约，按30米每月计算，右线隧道V级围岩423米，IV级围岩144米，按照原设计方法隧道双头掘进V级围岩需要7个多月，IV级围岩需要1个月，开挖施工需要近9个月时间。优化后方案上下台阶间能够通行，大型设备可在掌子面作业，施工较为便利，除洞口段施工进度在40米左右外，洞内施工进度在60-90米/月（V级与IV级基本一致），双头掘进隧道5个月能实现贯通。

社会和经济性比较：原方案上台阶支护材料均需要人工从下台阶搬运至上台阶，上台阶出渣需要小型机具倒运至下台阶处再装运，增加多次倒运费用，且由于上台阶不能使用大型设备仅靠人工和小型机具作业，施工效率极低。若采用原方案施工，施工费用将成倍增加，且施工工期也成倍增加，对于原本拥堵的市区内环线将形成很不好的社会影响，施工单位、建设单位、交通主管部门和政府等各级部门压力极大。

6、实际施工效果

围岩下沉收敛情况：右幅隧道开挖支护已完成，监控周报显示各监测断面拱顶下沉速率在0.15mm/d左右，周边收敛速率在0.2mm/d左右，地表下沉最大速率在0.4mm/d左右，其中累计拱顶最大下沉50mm、累计周边最大收敛均小于25mm。说明优化后施工顺序较为合理，能有效控制隧道支护的下沉及收敛。

施工进度情况：该隧道自2014年4月19日开始爆破作业，在出口因拆迁问题8月份开始爆破，仅进口端掘进的前提下，通过7月份中间开口后，于9月10日上台阶全部贯通，下台阶于9月20日全部贯通，各个作业面每月全断面掘进进度在70米左右，大大缩短了施工工期。

经济效益情况：通过优化方案隧道上下台阶各个作业面都能按照正常爆破作业，大型设备出渣，不存在人工出渣和倒运材料的情况，大大提高了工作效率，工程施工成本得到有效控制。

7、结束语

通过对金鸡山隧道扩建CRD开挖方法进行优化，找出了石质大断面隧道采用传统CRD开挖方法的不足，通过优化使得隧道施工更安全、高效，在不到5个月的时间完成576米隧道开挖支护，取得了良好的经济和社会效益。通过该隧道的施工探寻了石质大断面隧道开挖方法的一些规律，为今后该类隧道施工起到一定的参考作用。

参考文献：

【1】赵鹏社《关于大断面隧道施工CRD工法的优化》 铁道建筑 2010年第8期

【2】钱东升《公路隧道施工技术》人民交通出版社

【3】吴焕通 崔永军《隧道施工及组织管理指南》人民交通出版社

【4】郑宏利 《大断面小净距改扩建公路隧道》