淺析CD法及臺階法在淺埋偏壓隧道施工中的綜合運用

摘要 山區(qū)隧道工程多因為山體斜度較大和巖石節(jié)理發(fā)育的問題，形成偏壓隧道，并且部分區(qū)段屬于淺埋段，為了解決西南地區(qū)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境條件下的淺埋偏壓隧道進(jìn)洞和洞身段施工，以成渝高速鐵路郭家寺隧道為例，通過CD法進(jìn)洞施工和分臺階預(yù)留核心土帶臨時仰拱的方法，解決了Ⅴ級軟弱圍巖下的隧道進(jìn)洞和洞身施工難題，基于特殊工藝及特點解決施工中的重難點和注意事項，為類似項目提供借鑒。

關(guān)鍵詞 淺埋偏壓;CD法;臺階法

中圖分類號 U455.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）12-0144-03

收稿日期：2022-06-02

作者簡介：辜文兵（1970—），男，本科，工程師，研究方向：軌道交通工程施工。

0 引言

高速鐵路沿線的隧道在西南山區(qū)時，淺埋偏壓效應(yīng)均比較常見，在復(fù)雜地質(zhì)條件下進(jìn)行隧道施工會面臨圍巖壓力、襯砌結(jié)構(gòu)受力影響等施工的重難點，施工方法選擇不當(dāng)，會造成隧道塌方的事故不斷出現(xiàn)，給隧道施工帶來影響，同時對施工企業(yè)也會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。山區(qū)的隧道一般有礦山法和新奧法等工藝，解決偏壓隧道的施工方法一般通過設(shè)計管棚支護(hù)、錨桿支護(hù)等，該文結(jié)合設(shè)計與現(xiàn)場的施工環(huán)境，提出一種CD法進(jìn)出洞口，正臺階法施工洞身的方法，通過實際施工對工藝進(jìn)行研究探討。

1 工程概況

郭家寺隧道位于四川省內(nèi)江市東興區(qū)的郭北鎮(zhèn)郭家村，郭家寺隧道的里程DK160+525.00～DK161+005.00，全長480 m，為單洞雙線隧道，旅客列車設(shè)計時速250 km，設(shè)計使用年限為100年，洞內(nèi)采用Ⅲ型板式無砟軌道，鋪設(shè)60 kg/m鋼軌，軌道結(jié)構(gòu)高度742 mm。隧道主體結(jié)構(gòu)位于丘陵地帶，地表上面是覆蓋的第四系全新的坡洪積軟土、松軟土和殘積的粉質(zhì)粘土。底層的基巖為侏羅系的泥夾砂巖，隧道區(qū)域位于川中山坳，主體結(jié)構(gòu)位于華鎣山斷裂帶，在斷裂帶以西。屬于單斜巖石構(gòu)造。隧道區(qū)域的地表水主要是山川的溝水，或者是坡面的暫時流水，地下水位第四系土層孔隙水及基巖裂隙水。洞身的土質(zhì)主要是泥巖和夾砂巖，隧道圍巖均為Ⅴ級。

郭家寺隧道的地形處于一個斜交狀態(tài)，洞口拱頂覆蓋層厚度只有3～8 m，埋深淺，屬于標(biāo)準(zhǔn)淺埋隧道。隧道兩邊山體覆蓋厚度不一樣，并且山坡坡面斜度大，覆土厚度差距有較大的懸殊，洞口兩側(cè)相對高程差距達(dá)到22 m，地形超級不對稱，造成隧道兩邊的荷載不對稱，形成偏壓地層，屬于典型的淺埋偏壓隧道。

2 工藝介紹

2.1 CD法

CD法是以臺階法作為基礎(chǔ)演變而來的。在行業(yè)內(nèi)CD法通常稱為中隔壁法（Center Diaphragm），其施工方法是將隧道的設(shè)計斷面分為左右兩個部分，同時上下臺階也進(jìn)行分開，開挖后每個區(qū)域都形成一個獨立的閉合區(qū)間，CD法在軟弱圍巖的施工中，均先采用機(jī)械開挖一個單元，然后進(jìn)行中隔墻施工，逐步開挖對稱一側(cè)。每個單元封閉的時間較短，結(jié)構(gòu)受力均勻穩(wěn)定，整體變形和沉降也比較小，施工過程中容易進(jìn)行質(zhì)量和安全控制，施工的總體原則就是將大跨調(diào)整為小跨，逐步封閉。開挖時候擾動土層的范圍相對較小，封閉時間短，結(jié)構(gòu)在較短的時間內(nèi)就達(dá)到較好的整體受力狀態(tài)。臨時仰拱和中隔墻對于結(jié)構(gòu)剛度同時起到增強(qiáng)作用，減弱結(jié)構(gòu)變形。CD法適用于地質(zhì)較差和地質(zhì)復(fù)雜的隧道，如：采用人工開挖，或者是人工加機(jī)械開挖的Ⅴ級圍巖、淺埋偏壓隧道和洞口段。但是CD法的缺點是分解的單元多，工序相對來說比較復(fù)雜，整體進(jìn)度較為緩慢，臨時結(jié)構(gòu)的施工和拆除更為困難，成本上來說不占優(yōu)勢[1]。

2.2 臺階法

臺階施工法對于隧道施工也是較為常見的，就是將隧道的上斷面先進(jìn)行開挖，開挖打一定距離后，開挖下斷面，上下的斷面臺階同步施工，兩個臺階的開挖距離長度基本是根據(jù)地質(zhì)條件來確定的，主要是初期支護(hù)的時間，以及封閉成環(huán)的速度，其次就是斷面開挖、支護(hù)和出渣的機(jī)械設(shè)備操作空間，地質(zhì)較差的圍巖隧道，主要考慮支護(hù)和封閉成環(huán)的因素。

從大的范圍劃分，臺階法是屬于礦山法的一種類型。其結(jié)構(gòu)傳力的原理是利用圍巖結(jié)構(gòu)的自身承載性能和圍護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用來形成總體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。臺階法上下臺階錯開同時施工，同時對仰拱、二襯緊跟施工，下面一個臺階的土體是落后于上面一個臺階的，相對與掌子面的距離比較短，為后面的仰拱施工、襯砌施工形成比較好的空間作業(yè)環(huán)境，非常適合于圍巖情況不好的初期支護(hù)施工，可以促進(jìn)二次襯砌和封閉成環(huán)。這種施工工藝在隧道或者地下工程應(yīng)用的最為廣泛，并且相對變化的方法有很多，如二臺階法、三臺階法、多步開挖或者環(huán)形開挖預(yù)留核心土法。斷面較高的可以用多臺階方法施工，每層臺階可以選擇高度為3.5～4.5 m，或根據(jù)人工、機(jī)械設(shè)備方便操作的臺階高度進(jìn)行控制。施工過程中根據(jù)圍巖的變化，適當(dāng)調(diào)整臺階延長或者縮短的長度，確保開挖、支護(hù)和施工的安全穩(wěn)定為基本原則[2]。

3 施工方法

3.1 進(jìn)出洞口施工

項目經(jīng)過充分的技術(shù)研究，進(jìn)洞采用CD法進(jìn)行施工，適應(yīng)郭家寺隧道Ⅴ級圍巖破碎及淺埋段DK160+550～570、DK160+900～980。CD法施工斷面圖見圖1，CD法施工工藝流程圖見圖2。

CD法進(jìn)洞具體施工工序為：

工序1：（1）利用前一個環(huán)架，施作隧道側(cè)壁及導(dǎo)坑，隧道的側(cè)壁采用φ42 mm小導(dǎo)管超前支護(hù)。小導(dǎo)管根據(jù)項目情況，選擇在現(xiàn)場進(jìn)行加工，采用氣動鑿巖機(jī)進(jìn)行鉆孔，成孔后采用鑿巖機(jī)將小導(dǎo)管頂推入孔并灌注水泥漿，小導(dǎo)管前端做成尖錐形。

（2）開挖斷面圖中單元①的土體。

（3）施作單元①導(dǎo)坑周邊的初期支護(hù)和臨時支護(hù)，再進(jìn)行初噴施工，初噴混凝土的厚度為40 mm，將事先制作好的鋼筋網(wǎng)片進(jìn)行安裝，安裝完之后將鋼架和工字鋼安裝好，安裝鎖腳錨桿。

（4）沿著隧道的徑向鉆孔，安裝錨桿，之后噴射混凝土至設(shè)計厚度。

工序2：類似工序的施工方法開挖單元②的土體，接長鋼架和I18的臨時鋼架，施工完成徑向錨桿后，再次噴射混凝土到設(shè)計厚度。

工序3：同樣滯后于單元②一段的距離之后，再開挖單元③的土體。

工序4：在單元③開挖一段距離后，再開挖單元④。并且進(jìn)行導(dǎo)坑之間的初期支護(hù)進(jìn)行施工。施工步驟與工序1一致。

工序5：開挖單元⑤和單元⑥的土體，施工步驟和工序同工序2和工序3.

工序6：監(jiān)控量測隧道變形的數(shù)值，初期支護(hù)驗收合格后拆除臨時鋼架結(jié)構(gòu)和灌注單元Ⅶ邊墻基礎(chǔ)與仰拱，灌注仰拱填充Ⅷ部至設(shè)計高程。

3.2 洞身施工

郭家寺隧道的淺埋偏壓特性非常強(qiáng)，項目部針對原設(shè)計的施工工藝進(jìn)行優(yōu)化，采用臺階法帶臨時仰拱法進(jìn)行施工。先開挖隧道的上面斷面，開挖到一定的距離之后，再進(jìn)行下一個斷面開挖，上下斷面同時進(jìn)行的施工方法。施工工藝流程見圖3。

臺階法主要施工工序為：

工序1：開挖單元①后，隨即進(jìn)行上臺階的噴錨支護(hù)施工，架設(shè)鋼架后再次噴射混凝土到設(shè)計厚度，形成穩(wěn)定的承載拱。

鋼筋網(wǎng)片在加工棚進(jìn)行加工，人工掛設(shè)，鋼筋網(wǎng)片的掛設(shè)在初噴混凝土施工完成后進(jìn)行，并與鋼格柵固定牢固，鋼筋網(wǎng)片與噴射的混凝土面保持3 cm的距離。

噴射混凝土從下往上進(jìn)行施工，分片分層進(jìn)行施工，噴射前清理雜物和積水，保持受噴面干凈。

工序2：在單元①開挖施工10～15 m后，進(jìn)行單元②開挖，施工初期支護(hù)。

工序3：在單元②開挖施工10～15 m后開挖單元③，進(jìn)行仰拱施工，填充混凝土，封閉成環(huán)。

工序4：根據(jù)圍巖量測結(jié)果，適時施作二次襯砌，二次襯砌采用泵送混凝土施工，混凝土灌注過程中，用附著式及插入式振搗器振搗，在預(yù)埋件位置應(yīng)該尤其注意混凝土施工質(zhì)量，并且在鋼筋密集的位置，事先進(jìn)行預(yù)防處理，不允許漏振或者不振。

4 監(jiān)控量測

隧道施工過程中及時進(jìn)行監(jiān)控量測，監(jiān)控的內(nèi)容主要是拱頂沉降、凈空變化等情況，監(jiān)測的項目設(shè)置在同一個斷面，測量斷面的間距要求和觀測點的數(shù)量根據(jù)圍巖的等級和隧道埋深進(jìn)行確定，其監(jiān)測的內(nèi)容見表1[3]。

隧道內(nèi)部拱頂下沉和洞身收斂量測的數(shù)據(jù)3～6 h內(nèi)完成，最遲不得超過24 h，在下一個循環(huán)開挖施工前必須監(jiān)測讀取完成[4]。另外，測量的點位應(yīng)該清楚牢固，并且注意保護(hù)不得破壞。隧道上方有建筑物的時候，需要對建筑物也要進(jìn)行觀測，觀測建筑物在隧道施工期間的沉降值。

現(xiàn)場測量的數(shù)據(jù)及時歸檔和整理，同時根據(jù)已測數(shù)據(jù)與時間的關(guān)系進(jìn)行分析，分析現(xiàn)有的測量數(shù)據(jù)，預(yù)測后續(xù)隧道開挖可能的位移、收斂和拱頂沉降，以及地表沉降的最終數(shù)值，對下一階段的隧道施工提供指導(dǎo)。

5 施工注意事項

（1）偏壓隧道進(jìn)洞施工前，進(jìn)行偏壓結(jié)構(gòu)處理，可以采取施工反壓墻等結(jié)構(gòu)，減少或者削弱偏壓后再進(jìn)行隧道進(jìn)洞施工。

（2）臨時的中隔壁墻必須在初期支護(hù)和仰拱施工完成后，并且隧道測量變形穩(wěn)定之后才能進(jìn)行。

（3）對于臨時的中隔壁墻施工，必須采用2.5 m以上的錨桿，沿著隧道的橫軸線方向布置，底部設(shè)置橫撐臨時結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)支護(hù)的強(qiáng)度，在工序轉(zhuǎn)換的時候，設(shè)置鎖腳錨桿，用以減少鋼架的下沉。

（4）鋼架和縱向連接的鋼筋在開挖之后應(yīng)該立即施工，保證連接牢固，在臨時鋼架的端頭，豎向支撐的底部設(shè)置槽鋼，作為縱向的托梁。

（5）對于二次襯砌施工，根據(jù)監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)進(jìn)行確定，澆筑混凝土的時間根據(jù)規(guī)范指導(dǎo)進(jìn)行。

（6）仰拱的施工進(jìn)度需要跟進(jìn)，不得停留超過規(guī)范允許的時間，尤其是軟弱圍巖的施工期間，必須保證進(jìn)行施工仰拱，仰拱距離開挖面不得大于35 m。

（7）施工過程中如果遇到破碎帶，盡量采用人工開挖，減少對圍巖的擾動，并且遵循短進(jìn)尺、快封閉的原則。

6 結(jié)束語

郭家寺隧道的洞口處于嚴(yán)重偏壓的狀態(tài)，圍巖為遇水容易風(fēng)化崩解的軟弱圍巖，工程地質(zhì)環(huán)境差，施工方法和施工過程控制是項目成功的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過項目實踐表明，項目采用CD法施工洞口，臺階帶臨時仰拱的方法施工洞身，是科學(xué)的施工工藝，保質(zhì)保量地完成了項目履約，也證明在項目初期，結(jié)合項目施工環(huán)境、地質(zhì)條件等綜合情況進(jìn)行技術(shù)方案優(yōu)化對于隧道安全施工是有必要的。

參考文獻(xiàn)

[1]劉會. 偏壓淺埋隧道洞口施工技術(shù)[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)， 2008（4）： 44-47.

[2]高波. 高速鐵路隧道設(shè)計[M]. 北京： 中國鐵道出版社， 2010.

[3]高速鐵路隧道工程施工技術(shù)指南. 鐵建設(shè)〔2010〕241號.

[4]高速鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)： TB10753-2010J1149-2011[S]. 北京：中國鐵道出版社， 2010.