淺埋暗挖隧道CRD工法施工技術(shù)研究

張積海

(湖南省湘西公路橋梁建設(shè)有限公司，湖南吉首 416000)

隧道施工過程中采用兩方面指標(biāo)衡量其穩(wěn)定性，一是施工成洞穩(wěn)定指標(biāo);二是地表下沉量［1，2］。暗挖隧道無論埋深大小，都不可避免地擾動土體，破壞了地下土體原有平衡狀態(tài)，勢必引起地表沉降變形，而淺埋隧道，尤其在市區(qū)內(nèi)施工，難度風(fēng)險極大。城市淺埋暗挖隧道施工極易引起管線破裂、周邊構(gòu)筑物沉降等問題。

淺埋暗挖法是在新奧法基礎(chǔ)上針對城市淺埋隧道發(fā)展起來的一種施工技術(shù)，采用強初期支護，先注漿后開挖，其開挖支護包括錨噴、大管棚超前支護、小導(dǎo)管注漿和二次襯砌等施工技術(shù)［3－5］。當(dāng)前對淺埋暗挖隧道技術(shù)研究重點包含三個方向:①淺埋暗挖隧道開挖支護技術(shù);②淺埋暗挖隧道地表下沉規(guī)律;③淺埋暗挖隧道CRD施工技術(shù)。CRD法(十字隔墻法)針對大跨度超淺埋隧道的一種施工方法［6，7］，該工法把大斷面化成小斷面，步步成環(huán)，每個階段施工都是一個完整的受力體系，受力明確，變形小，沉降量小。

本文依托南京地鐵建設(shè)項目鼓－玄區(qū)間渡線隧道，對淺埋暗挖隧道CRD施工關(guān)鍵技術(shù)開展研究，通過數(shù)值計算研究結(jié)構(gòu)受力變形特征，并依據(jù)測試數(shù)據(jù)分析隧道施工對地表沉降變形的影響。

1 淺埋暗挖隧道CRD施工技術(shù)

1.1 施工原則

巖體是隧道結(jié)構(gòu)體系中的主要承載單元，施工原則應(yīng)充分保護巖體，盡量減少對它的擾動。為充分發(fā)揮巖體承載力，一方面允許巖體發(fā)生一定程度的變形，使圍巖形成承載環(huán);另一方面又不能使巖體變形過大以致松弛而喪失承載力。為此，施工中采用與圍巖密貼、及時砌筑又可隨時加強的柔性支護結(jié)構(gòu)，如錨噴等。通過調(diào)整支護結(jié)構(gòu)的強度、剛度和工作時間來控制巖體的變形。

1.2 CRD法施工方案

CRD分四步開挖，各步之間的步距為5m。超前注漿小導(dǎo)管外插角30°。隧道上斷面拱腳采用42×3.5mm、L=3.5m鋼管作為鎖腳錨管。隧道臨時支撐每次拆除長度6m。預(yù)埋注漿管，初期支護及二襯后回填注漿。底板回填層與仰拱的混凝土同時施工。臨時鋼架拆除后鋪設(shè)防水層。鼓－玄區(qū)間淺埋暗挖隧道A6斷面施工順序如圖1所示。

圖1 隧道斷面開挖順序

1.3 開挖支護施工技術(shù)

1.3.1 洞口圍護

隧道斷面位于粘性土的粉砂層中，呈不穩(wěn)定狀態(tài)。為保證淺埋暗挖隧道兩端土體穩(wěn)定，明挖施工結(jié)束前，隧道兩端設(shè)置鉆孔灌注樁，樁間距1.8m，樁徑1.0m，樁底標(biāo)高為 10.25m，距地表 9.55m，隧道端頭樁外側(cè)設(shè)3排樁徑0.6m高壓旋噴樁，樁伸入隧道底板下2m，作止水帷幕。

1.3.2 大管棚超前支護

考慮隧道圍巖條件差，為防止開挖時地表下沉量過大，鼓－玄區(qū)間淺埋暗挖隧道采用大管棚超前支護，以有效將縱向土體約束成整體承受開挖圍巖壓力。隧道管棚間距0.3m。先設(shè)置鉆孔樁之間位置的管棚，再分步設(shè)置樁身范圍管棚，共埋設(shè)76根。設(shè)計參數(shù)為:熱軋無縫鋼管160mm，壁厚8mm，節(jié)長4m;施工仰角1°，與中線平行;管棚上下錯層搭接，分段安裝，用絲扣連接，絲扣長15cm，管箍長20cm;注漿固結(jié)半徑0.5m，分段注漿。

1.3.3 超前小導(dǎo)管

開挖斷面周圍用超前小導(dǎo)管注漿，小導(dǎo)管采用熱軋無縫鋼管，管徑 42mm，間距 0.5m，長度3.5m，與水平成30°角，全斷面布置，小導(dǎo)管底部和鋼拱架焊接，以保持穩(wěn)定，周圍設(shè)10mm泄?jié){孔。注漿參數(shù):水泥與水玻璃體積比1∶0.5，水灰比為1∶1，水玻璃濃度 30 ～35Be，注漿壓力 1.0 ～2.0 MPa。

1.3.4 巖柱加固

K19+156～340段為小間距連體隧道，隧道間距1.55～2.05m。為防止中間巖柱承載力不足導(dǎo)致圍巖變形超限，施工中對隧道中間巖柱進行了加固。加固措施包括打設(shè)小導(dǎo)管注漿與對拉錨管:從隧道兩側(cè)向中間巖柱打入雙排的42×3.5mm導(dǎo)管，導(dǎo)管尾部用φ6鋼筋與鋼拱架箍連，以保證導(dǎo)管穩(wěn)定。小導(dǎo)管注漿采用水泥—水玻璃雙液漿，注漿壓力0.5～1.0MPa。對中間巖柱注漿后，用對拉錨管再次加固。首先通過錨管對中間巖柱進行二次注漿，達到一定強度后，對錨管進行雙向張拉。錨管為熱軋無縫鋼管 42mm，壁厚 3.5mm;1.0m ×1.0m梅花型布置。注漿壓力0.3～0.5MPa。

2 淺埋暗挖隧道開挖支護力學(xué)分析

CRD工法工序較為復(fù)雜，本文擬采用數(shù)值模型對其進行力學(xué)分析。

2.1 數(shù)值模型建立

計算模型對大管棚超前支護和小導(dǎo)管超前預(yù)注漿采用以下方法模擬:①管棚超前支護的效果可視為開挖面圍巖形成1.0m厚加固頂板與邊墻。②小導(dǎo)管注漿效果可視為在矩形開挖面周圍圍巖中形成0.8m厚加固頂板和邊墻。上述兩種模擬均通過改變這一區(qū)域圍巖材料參數(shù)進行等效。有限元單元的選擇。模型采用的本構(gòu)模型和單元:①混凝土襯砌、臨時支撐采用實體單元模擬;②鎖腳錨管采用錨桿單元模擬;③圍巖采用摩爾－庫倫材料模型。

模型劃分為5479個網(wǎng)格單元，15253個網(wǎng)格點，其中開挖區(qū)域進行網(wǎng)格加密。側(cè)面限制水平移動，底部限制垂直移動。見圖2。

圖2 隧道開挖三維模型

模型具體參數(shù)指標(biāo)如表1、表2所示。

2.2 計算結(jié)果分析

通過數(shù)值模擬分析，得到淺埋暗挖隧道變形受力情況。主要分析結(jié)果如下。

表1 模型地基參數(shù)

表2 支護結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2.1 沉降變形

如圖3所示，施工過程中，豎向位移主要出現(xiàn)在隧道洞體左右和中間土體上，呈V字型分布，最大值為17.5mm;最大水平位移出現(xiàn)在地表交界面上，為3.4mm。

為防止隧道開挖造成地表過大下沉，設(shè)置監(jiān)測點，得到其位移變化曲線如圖4所示，可知隧道頂部地表累積水平位移 1.65mm，累積最大沉降16.2mm。

圖3 水平與豎向位移云圖

圖4 地表監(jiān)測點水平豎向位移曲線

2.2.2 應(yīng)力應(yīng)變分析

計算得到應(yīng)力分布如圖5所示，隨開挖施工的進行，應(yīng)力逐漸增大，襯砌完成后，應(yīng)力變化趨于穩(wěn)定。洞體最大水平壓應(yīng)力出現(xiàn)在在洞體交界處為169.4kPa，最大水平拉應(yīng)力出現(xiàn)在仰拱底部為799.8kPa。

圖5 應(yīng)力分布云圖

施工階段剪應(yīng)變?nèi)鐖D6所示。圍巖最大的剪應(yīng)變出現(xiàn)在開挖洞體拱腳，最大剪應(yīng)變?yōu)?.44×10－4。

圖6 剪應(yīng)變分布云圖

3 現(xiàn)場施工監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

設(shè)計計算主要用于預(yù)測隧道的變形受力，在施工現(xiàn)場必須采取嚴(yán)密的監(jiān)測，以保證隧道施工安全以及周邊建筑物的安全。

3.1 監(jiān)測方案

工程現(xiàn)場監(jiān)測方案如表3所示，其中地表沉降觀測需設(shè)置監(jiān)測點，通過在地表埋設(shè)鋼筋條，并混凝土澆筑，采取適當(dāng)措施保護其不受干擾。

表3 淺埋暗挖隧道監(jiān)測方案

3.2 測試結(jié)果分析

3.2.1 地表沉降

測試得到鼓－玄區(qū)間渡線隧道K19+156～340斷面地表沉降曲線圖。由圖7可知:各點曲線趨勢基本相同，隨距離隧道中線越遠，沉降越小。結(jié)合現(xiàn)場施工，出現(xiàn)第一反彎點始于斷面開挖，監(jiān)測點距掌子面的距離為24m。第二反彎點的時間為5月15號，監(jiān)測點距掌子面距為5m。第三反彎點時掌子面超過監(jiān)測斷面4m。地表沉降速度加大主要是由于地層縱向移動引起。隨著掌子面向前推進，地表沉降速度加大，這時地表沉降主要是由地層垂直移動引起，到臨時支撐拆除前，地表沉降速度逐漸減小。到二次襯砌澆筑完成，地表基本達到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 沉降變形曲線

3.2.2 支護變形

水平收斂最直接反映圍巖應(yīng)力狀態(tài)變化，量測水平位移可為判斷隧道空間穩(wěn)定性提供可靠依據(jù)。圖8為隧道左線收斂曲線圖，由曲線可知:斷面收斂監(jiān)測時間較晚;由于隧道圍巖性質(zhì)較差，斷面收斂值較大，最大值達到51.44mm，尤其開挖后一段時期，圍巖收斂速率較大，隨各種支護實施，變形速率逐漸減小并最終收斂達到基本穩(wěn)定。

圖8 隧道左線收斂曲線

4 結(jié)論

本文針對淺埋暗挖隧道這一風(fēng)險較高的施工技術(shù)與CRD施工工法，通過數(shù)值計算與現(xiàn)場監(jiān)測開展關(guān)鍵技術(shù)研究得到以下主要結(jié)論:

1)對CRD施工工序以及工藝參數(shù)進行介紹，包括大管棚超前支護、小導(dǎo)管注漿以及連體隧道中間巖柱加固技術(shù)。

2)建立三維數(shù)值模型，計算得到施工過程中隧洞位移、應(yīng)力應(yīng)變，重點分析最大位移、最大應(yīng)力應(yīng)變分布位置與出現(xiàn)時間。

3)通過現(xiàn)場監(jiān)測，分析隧道施工期間地表沉降以及隧道本體變形曲線，為隧道施工安全及周邊建筑物安全提供依據(jù)。

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