淺埋暗挖隧道CRD工法優(yōu)化與現(xiàn)場試驗研究

姚紅偉，王薇

(1. 中國中鐵隧道集團有限公司 杭州公司，浙江 杭州 310000；2. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

隨著城市基礎設施建設的不斷深化，淺埋暗挖法在我國公路、地鐵隧道及市政管線工程中的應用日趨廣泛[1]。地質(zhì)條件差、隧道埋置深度較淺時，淺埋暗挖隧道施工一般采用CRD法[2?3]。CRD法施工時，下臺階中隔壁的存在影響機械操作，導致開挖及出渣作業(yè)嚴重受限，施工進度慢[4]，同時由于施工步序太多且工序轉(zhuǎn)化復雜，初期支護整體閉合成環(huán)慢，致使拱頂及地表沉降控制效果有時不夠理想[5]。已有的CRD法相關研究中，許文峰等[6]針對CRD工法特點，通過有限元模擬手段對CRD工法的開挖形狀、開挖順序等進行優(yōu)化研究。郭衍敬等[7]依托廈門翔安海底隧道工程，運用數(shù)值計算方法對 CRD法和雙側(cè)壁法穿越砂質(zhì)地層的施工適應性進行分析，得出了2種工法施工控制要點。張建斌等[8]以翔安海底隧道陸域段軟弱地層淺埋隧道為工程依托，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測對 CRD工法的各施工部對拱頂沉降的影響進行研究，得到各分部仰拱及時閉合是控制拱頂沉降的關鍵。已有研究多數(shù)側(cè)重于CRD工法與現(xiàn)有其他工法的對比分析與選擇，少數(shù)的 CRD工法的優(yōu)化研究中，研究手段過于單一，研究不夠系統(tǒng)，未能真正解決 CRD工法施工中存在的問題，因此，有必要進行工法優(yōu)化研究，探索一種安全、快速、經(jīng)濟、有效的施工方法，以滿足淺埋暗挖隧道施工的需要。本文依托杭州紫之隧道工程，針對原 CRD工法存在的不足，采用理論分析和數(shù)值模擬對多個關鍵技術(shù)問題進行優(yōu)化研究，提出一套的合理的優(yōu)化工法體系，并結(jié)合現(xiàn)場試驗段施工情況驗證優(yōu)化工法的合理性。

1 工程概況

杭州紫之隧道全長 14.4 km，是全國最長的城市公路隧道。其中土建工程第 VI標段，起訖里程K12+700～K14+140，全長1 440 m，分為U型槽段、明挖段及暗挖段，暗挖隧道設計為雙線雙向4車道，東線里程為 K13+569.1～K12+700，斷面開挖跨度12.8 m，高9.7 m，斷面面積102.8 m2。

本文以東線 K13+437～K13+497淺埋暗挖區(qū)段為主要研究對象，隧道穿越粉質(zhì)黏土混碎石地層，為V級圍巖，埋深約10 m，東線K13+467斷面地質(zhì)剖面圖見圖1，原設計采用CRD法施工[9]。

圖1 地質(zhì)剖面圖Fig. 1 Geological section

2 工法優(yōu)化研究

2.1 工法優(yōu)化的初步思路

隧道淺埋暗挖段原設計采用 CRD工法，上臺階為人工開挖，下臺階采用機械開挖，上臺階渣土需要翻到下臺階運出，但由于下臺階臨時中隔壁的存在，導致下臺階開挖及出渣作業(yè)空間不足，機械操作困難，嚴重影響施工進度，采用 CRD工法的日進尺不足1 m。經(jīng)多方商討，初步提出取消下臺階中隔壁的優(yōu)化思路，原 CRD工法和優(yōu)化工法的施工工序見圖2。

圖2 開挖工序圖Fig. 2 Excavation process

2.2 計算模型及參數(shù)

為分析優(yōu)化工法的安全性，以K13+437～K13+497施工段為原型進行數(shù)值計算。模型總尺寸 100 m×50 m×45 m，分別采用CRD工法和優(yōu)化工法進行隧道施工模擬，按圖2所示步驟進行開挖和支護。

地層通過實體單元模擬，采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型；初期支護和二次襯砌分別采用殼單元和實體單元模擬。模型上表面為自由面，側(cè)面和底面為法向位移約束；地層及支護結(jié)構(gòu)物理力學參數(shù)見表 1，計算模型網(wǎng)格見圖3。

圖3 計算模型Fig. 3 Computational model

表1 計算參數(shù)表Table 1 Calculation parameter table

2.3 2種工法的計算結(jié)果對比

2種工法在臨時支撐拆除前的計算結(jié)果見表2，兩者的變形控制能力基本一致；相對于CRD工法，優(yōu)化工法減小了中隔壁應力，但增加了初期支護應力，為了保證其安全性，應采取加強鎖腰鎖腳錨管及鋼拱架間縱向連接鋼筋等必要措施。

表2 數(shù)值計算結(jié)果Table 2 Numerical results

2.4 優(yōu)化工法關鍵技術(shù)研究

2.4.1 臨時支護拆除方式研究

已有研究表明[10?11]，隧道斷面內(nèi)臨時格柵或型鋼支撐的拆除打破了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)原有的平衡，成為初期支護受力最危險的時期之一，優(yōu)化工法下臺階土體開挖后，臨時支護將處于懸空的不利受力狀態(tài)，對此提出“滯后拆除”和“分部拆除”2種拆除方案。在已有數(shù)值模型基礎上，計算2種拆除方案下隧道支護結(jié)構(gòu)的附加沉降值，即臨時支護拆除后的沉降值減去未拆前的值，計算結(jié)果見表3。

計算結(jié)果表明，方案2對結(jié)構(gòu)的擾動要小于方案1。方案1雖然保證了臨時支護的作用時間，但由于沒有下臺階中隔壁支持，上部臨時支護長時間處于懸空狀態(tài)，對支護結(jié)構(gòu)變形控制不利；相比之下，方案2更有利于變形控制，故采用方案2進行臨時支護拆除。

2.4.2 合理開挖步距研究

已有研究發(fā)現(xiàn)[12]，初期支護閉合時間越短，支護結(jié)構(gòu)變形收斂速度越快，但受到施工技術(shù)及施工組織的制約，分部開挖時各部開挖間距過小將給施工組織帶來障礙，因此對優(yōu)化工法的開挖步距進行研究，以尋求既能加快斷面支護結(jié)構(gòu)閉合速度同時又能減輕各部施工之間相互影響、保證施工順利進行的最優(yōu)開挖步距。

表3 臨時支護拆除方案對比Table 3 Comparison of removal schemes of temporary supporting

本工程為滿足正常施工作業(yè)要求，上下臺階的開挖步距取0.5倍的隧道開挖寬度，但左右導坑的開挖步距有待探討。取左右導坑的開挖步距為2，4及6 m 3種工況進行模擬分析，隧道開挖24 m時的豎向位移云圖見圖4，初始斷面DK13+469處的拱頂沉降曲線見圖5。

圖4 不同開挖步距豎向位移云圖Fig. 4 Vertical displacement contours with different excavation pitches

計算結(jié)果表明，開挖步距越短，拱頂沉降收斂速度越快，拱頂沉降穩(wěn)定值越小；其中，開挖步距2 m和4 m的工況拱頂沉降已經(jīng)基本穩(wěn)定，但開挖步距6 m的工況還未達到穩(wěn)定。實際施工時開挖步距過短將引發(fā)各施工步間的相互影響，容易造成施工效率低下，所以應在保證施工組織效率的前提下盡可能加大開挖步距，結(jié)合對現(xiàn)場施工情況的調(diào)查，左右導坑的開挖步距取為3 m。

圖5 不同開挖步距的拱頂沉降曲線Fig. 5 Curves of crown settlement with different excavation pitches

表4 優(yōu)化工法支護參數(shù)表(每延米)Table 4 Support structure parameters of the optimized method (Per meter)

2.5 優(yōu)化工法的最終方案

針對現(xiàn)場采用 CRD工法存在的不足，對優(yōu)化工法的關鍵技術(shù)問題進行多種工況數(shù)值計算分析，并綜合考慮優(yōu)化工法在進度、施工工序、資源配置、施工風險、施工成本等方面的指標，提出一套完整的優(yōu)化工法施工技術(shù)方案，其支護參數(shù)和施工步驟見表4～5。

表5 優(yōu)化工法的施工步驟Table 5 Construction procedure of optimized method

3 優(yōu)化工法現(xiàn)場試驗

以杭州紫之隧道淺埋暗挖段東線 K13+467～K13+427為試驗段，采用優(yōu)化工法進行施工，上臺階采用人工開挖，下臺階采用機械開挖，現(xiàn)場施工情況見圖 6，采集現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，并對比工法優(yōu)化前后的施工進度。

3.1 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1.1 拱架應力

拱架應力監(jiān)測斷面的測點布置在拱頂、左右拱腰、左右拱腳、臨時中隔壁及臨時仰拱處布置8處，對比CRD法的東線K13+487斷面以及優(yōu)化工法的東線K13+457斷面的監(jiān)測結(jié)果，拱架應力穩(wěn)定值分布見圖7。

圖6 現(xiàn)場施工情況Fig. 6 Photos of site constrcution

圖7 拱架應力分布圖Fig. 7 Distributions of stresses in arch frames

由圖7可知，優(yōu)化工法的拱頂和臨時支護拱架應力值明顯小于原 CRD工法，但拱腰和拱腳的拱架應力值要大于原 CRD法。此規(guī)律說明優(yōu)化工法減輕了臨時支護結(jié)構(gòu)的荷載分擔比例，雖然使初期支護拱腰、拱腳的受力變大，但是圍巖荷載最終是由初支和二襯承擔的，優(yōu)化工法能有效降低臨時支護拆除對支護結(jié)構(gòu)體系的影響。針對優(yōu)化工法初期支護受力增大問題，可以通過加強鎖腰鎖腳錨管及鋼拱架間縱向連接鋼筋等措施來保障初期支護的可靠性。

3.1.2 拱頂沉降

K13+467斷面為工法轉(zhuǎn)換的分界線，CRD工法施工的 K13+477斷面和優(yōu)化工法施工的 K13+457斷面的拱頂沉降時程曲線見圖 8，拱頂沉降穩(wěn)定值隨里程變化見圖9。

圖8 拱頂沉降時程曲線Fig. 8 Time-step curves of crown settlement

由圖8～9可知，在CRD工法轉(zhuǎn)換為優(yōu)化工法的過程中，拱頂沉降的收斂速度明顯提高，且拱頂沉降穩(wěn)定值也顯著減小，分析原因如下：1) 優(yōu)化工法施工工序相對減少，對圍巖產(chǎn)生的擾動次數(shù)少；2) 優(yōu)化工法施工速度較快，各分部及初支的閉合時間比CRD法短；3) 優(yōu)化工法的初期支護與臨時支護荷載分配合理，臨時支護拆除方法和時機合理，降低了臨時支護拆除對支護結(jié)構(gòu)體系的影響，使整體結(jié)構(gòu)體系受力轉(zhuǎn)化平穩(wěn)。

3.2 現(xiàn)場施工進度分析

優(yōu)化工法東線試驗段里程K13+467～K13+427，施工開始時間8月20日，完成時間9月17日，共歷時28 d，平均日進度1.43 m/d，明顯快于前期進度的0.99 m/d，施工效率約為原工法的1.45倍。經(jīng)現(xiàn)場跟蹤統(tǒng)計，施工過程各工序人員機械配置能滿足施工需求，施工能達到立體作業(yè)，工序銜接順暢。在施工過程中有不同因素影響施工進度，其中因豎井提升能力有限使渣土不能及時外運，而使工法不能全速展開，另外受機械保養(yǎng)情況影響，對施工進度也產(chǎn)生一定滯延，如果解決以上2個問題，施工進度可進一步提高。

圖9 拱頂沉降穩(wěn)定值隨里程變化圖Fig. 9 Curve of crown settlement with different mileage

4 結(jié)論

1) 相比于原設計的CRD工法，本優(yōu)化工法提高了初期支護閉合成環(huán)速度，減少了臨時支護結(jié)構(gòu)的荷載分擔比例，減弱了臨時支護拆除對圍巖和初期支護的擾動，保證整體支護結(jié)構(gòu)在施工過程中的合理轉(zhuǎn)化，有效地控制拱頂及地表沉降的發(fā)展。

2) 本優(yōu)化工法應用時應適當加強初期支護結(jié)構(gòu)，增加鎖腳鎖腰錨管的數(shù)量以及初期支護拱腳拱腰位置的鋼拱架斜向連接筋；臨時支護拆除采用分部拆除方式，開挖下臺階時先拆除上臺階中隔壁，初期支護整體閉合后再拆除臨時仰拱。

3) 本優(yōu)化工法取消了下臺階中隔壁的施做，簡化了施工工序，使下臺階滿足機械開挖及出渣要求，提高了機械設備的綜合利用率，平均進度提高到原工法的1.45倍。

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