特大斷面隧道CRD法大型機(jī)械施工技術(shù)與垂直升降平臺(tái)研發(fā)

程可緣，但昭旺，楊居陪，賈丁，張子苗，曹寰宇，王殿榮，周芷昕

（中國(guó)水利水電第七工程局有限公司軌道分公司，四川 成都 610000）

0 引言

隧道建設(shè)是我國(guó)市政工程、鐵路、水利、公路以及多項(xiàng)國(guó)家重大基建工程的重要組成部分。CRD法施工由于具有沉降小、風(fēng)險(xiǎn)低等優(yōu)點(diǎn)而在隧道建設(shè)中廣泛運(yùn)用。在傳統(tǒng)特大斷面隧道施工中，渣土和材料垂直運(yùn)輸常使用汽車吊和龍門吊進(jìn)行，存在單次起吊能力弱、起吊過(guò)程需要多次材料轉(zhuǎn)運(yùn)、設(shè)備租賃費(fèi)用高等問(wèn)題；由于埋深大、斷面大，出于安全考慮，傳統(tǒng)CRD法通常將開挖斷面分為6個(gè)開挖洞室，導(dǎo)致開挖過(guò)程無(wú)法大規(guī)模采用機(jī)械開挖，進(jìn)而導(dǎo)致渣土和材料垂直運(yùn)輸需求小，與汽車吊和龍門吊的使用相適應(yīng)。渣土和材料垂直運(yùn)輸效率低、開挖效率低是導(dǎo)致CRD法造價(jià)高、開挖進(jìn)度慢的重要原因，嚴(yán)重影響CRD法隧道施工進(jìn)度和成本。因此，優(yōu)化CRD法開挖洞室劃分，擴(kuò)大開挖機(jī)械使用率；研發(fā)高效率渣土和材料垂直運(yùn)輸工具對(duì)CRD法施工降本增效具有重要的工程意義。

近年來(lái)，學(xué)者針對(duì)CRD法隧道施工安全、沉降控制、施工質(zhì)量等問(wèn)題進(jìn)行了大量研究。吳丹［1］通過(guò)炮眼布置、裝藥參數(shù)優(yōu)化等手段，提高了城市地鐵CRD法暗挖隧道的安全性；方州［2］就城市雙線礦山法隧道下穿建筑引起的地表、建筑和隧道的變形問(wèn)題提出了隧道加固方案優(yōu)化措施；白東鋒等［3］通過(guò)優(yōu)化注漿方案，提出了礦山法隧道近距離下穿建筑的安全施工技術(shù)；張金偉等［4］采用數(shù)值分析、盾構(gòu)工程類比等方法，結(jié)合拼裝工法工藝流程，根據(jù)地鐵礦山法隧道裝配式襯砌環(huán)結(jié)構(gòu)條件，研究撐靴式和機(jī)械手式拼裝機(jī)配套設(shè)備及其技術(shù)需求條件，實(shí)現(xiàn)隧道初期支護(hù)輪廓內(nèi)的襯砌片機(jī)械化拼裝。段軍朝等［5］研究了礦山法和明挖法相結(jié)合的方式分段施工地鐵高瓦斯區(qū)間隧道的安全性、經(jīng)濟(jì)性和適用性；陽(yáng)超等［6］通過(guò)數(shù)值模擬研究了砂卵石地層中管棚超前支護(hù)對(duì)維持隧道周圍土體穩(wěn)定性的作用；余俊等［7］通過(guò)三維有限元計(jì)算模型，論證了管棚注漿加固可有效限制圍巖變形；王志龍等［8］通過(guò)超前支護(hù)的圍巖-支護(hù)相互作用模型，強(qiáng)調(diào)超前支護(hù)結(jié)構(gòu)在控制圍巖變形中的作用。以上研究為CRD法隧道施工安全、施工質(zhì)量提供了重要參考，但依然存在以下問(wèn)題：（1）研究對(duì)象大多集中于施工安全、施工質(zhì)量的問(wèn)題，少見將降本增效作為研究對(duì)象；（2）研究多針對(duì)CRD法的某一項(xiàng)施工工序優(yōu)化，少見針對(duì)CRD法設(shè)計(jì)的優(yōu)化研究；（3）未見針對(duì)CRD法施工后配套設(shè)施的研究。

基于成都軌道交通19號(hào)線二期工程明挖岔線段—龍橋路站CRD法暗挖隧道，針對(duì)該隧道超大開挖斷面的特點(diǎn)，研發(fā)一種可用于渣土、材料等施工材料整車垂直運(yùn)輸?shù)拇怪鄙灯脚_(tái)，并對(duì)常規(guī)CRD施工工法進(jìn)行優(yōu)化，提高CRD法隧道施工效率，實(shí)現(xiàn)明顯的降本增效效果。

1 工程概況

明挖岔線段—龍橋路站區(qū)間礦山法隧道設(shè)計(jì)里程范圍為YDK75+342.582—YDK75+786，是右線與停車線共存的單洞雙線隧道。區(qū)間礦山法隧道總長(zhǎng)443.45 m，線路上方為臨港路，地面公路，所處地層為稍密、中密砂卵石地層，隧道頂埋深約23 m。隧道開挖高度為13.179 m，開挖寬度為13.3 m，設(shè)計(jì)開挖斷面面積為138.00 m2，預(yù)留開挖沉降8 cm，最終開挖斷面面積為142.09 m2，為超大斷面CRD法暗挖隧道。隧道地質(zhì)縱斷面見圖1。

圖1 隧道地質(zhì)縱斷面

2 CRD法隧道施工技術(shù)方案

明挖岔線段—龍橋路站暗挖段斷面為馬蹄形，采用CRD法施工，共劃分為4個(gè)開挖洞室，每個(gè)洞室分上下臺(tái)階。隧道開挖方法主要以機(jī)械開挖為主，支護(hù)二襯采用模板臺(tái)車施工，木模板輔助施工。通過(guò)人工和機(jī)械結(jié)合的方式進(jìn)行開挖，初支緊跟開挖面，土石方采用無(wú)軌運(yùn)輸方式運(yùn)至明挖區(qū)間預(yù)留出渣口，采用一體式垂直升降平臺(tái)進(jìn)行材料和渣土運(yùn)輸。

二次襯砌在開挖初支完成且變形穩(wěn)定后，掌子面掘進(jìn)不超過(guò)70 m即開始二襯施工，二次襯砌澆筑作業(yè)采用整體式模板臺(tái)車進(jìn)行。配置1臺(tái)9 m長(zhǎng)的單線整體式模板臺(tái)車，具備固定式導(dǎo)管自動(dòng)分料、帶模注漿、木端模對(duì)夾止水帶及行走、限位等功能。洞內(nèi)混凝土澆筑通過(guò)采用洞外混凝土罐車運(yùn)輸卸料至地面接料口、料管輸送至明挖區(qū)間（車站）地泵、洞內(nèi)泵管編號(hào)固定上墻等措施實(shí)現(xiàn)泵送入模。

3 施工工法優(yōu)化

相比于常規(guī)CRD法施工，該工程主要涉及3項(xiàng)創(chuàng)新：（1）將設(shè)計(jì)6洞室CRD法開挖優(yōu)化為4洞室+上下臺(tái)階開挖，增加洞室面積，創(chuàng)造了機(jī)械作業(yè)空間；（2）將設(shè)計(jì)開挖步序Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ優(yōu)化為Ⅰ→Ⅲ→Ⅱ→Ⅳ，增加了機(jī)械作業(yè)有效時(shí)長(zhǎng)；（3）研發(fā)了一種可用于渣土、材料等施工材料整車垂直運(yùn)輸?shù)拇怪鄙灯脚_(tái)，提升材料運(yùn)輸效率，節(jié)省了運(yùn)輸設(shè)備使用成本。

3.1 開挖斷面優(yōu)化

在城市地下大斷面隧道施工中，維持掌子面穩(wěn)定和控制地表沉降都是施工安全的重難點(diǎn)，縮小開挖洞室的面積是保障安全的重要手段，原設(shè)計(jì)將開挖斷面分為6洞室，洞室內(nèi)不劃分上下開挖臺(tái)階（見圖2）。

圖2 原6洞室設(shè)計(jì)

在6洞室設(shè)計(jì)中，4號(hào)洞室面積最小，為17.70 m2；3號(hào)洞室面積最大，為26.80 m2；2、5號(hào)洞室凈空最小，為3.70 m；3、6號(hào)洞室凈空最大，為5.05 m。小開挖洞室面積和開挖凈空保障了施工安全，但無(wú)法采用大規(guī)模機(jī)械開挖，導(dǎo)致開挖效率受限。

在該工程中將原6洞室開挖設(shè)計(jì)優(yōu)化為4洞室+上下臺(tái)階開挖，每個(gè)洞室內(nèi)劃分為2個(gè)臺(tái)階，整個(gè)開挖斷面共劃分為8個(gè)臺(tái)（見圖3）。因此，在擴(kuò)大單洞室開挖面積和凈空的同時(shí)，保障了施工安全。

圖3 改良CRD法洞室及臺(tái)階劃分?jǐn)嗝?/p>

各臺(tái)階開挖步序?yàn)椋孩佟凇邸堋荨摺蕖?，每個(gè)步序每循環(huán)開挖進(jìn)尺控制在50 cm，每個(gè)導(dǎo)洞開挖采用預(yù)留核心土法，待頂部及兩側(cè)支護(hù)完成后再開挖核心土；每個(gè)步序開挖間距為3～5 m，最終開挖掌子面距離二襯仰拱施工距離不超過(guò)70 m，形成超前支護(hù)、開挖、初期支護(hù)、仰拱填充、二次襯砌、附屬工程均衡生產(chǎn)、整體推進(jìn)的施工格局，根據(jù)圍巖及支撐監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整開挖、拆撐及二次襯砌施工工序。

隧道開挖施工嚴(yán)格遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”的原則，開挖后及時(shí)支護(hù)、盡早封閉成環(huán)。隧道開挖盡量利用圍巖的自承能力，盡量減少隧道開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)，采用1 m3中型反鏟開挖翻渣，人工輔助清理邊角部位。采用20 t自卸汽車出渣，運(yùn)渣車進(jìn)出基坑通過(guò)垂直吊裝設(shè)備運(yùn)輸。

隧道①、②、③、④部分開挖主要采用人工配合60小型挖機(jī)進(jìn)行，農(nóng)運(yùn)車或裝載機(jī)水平出渣至⑤、⑦下層平臺(tái)，后由PC200挖機(jī)配合自卸車出渣至洞口渣斗，由垂直吊裝設(shè)備將渣土吊裝至地面臨時(shí)堆放場(chǎng)；⑤、⑥、⑦、⑧開挖采用人工配合PC150挖機(jī)進(jìn)行，自卸車配合出渣，當(dāng)掌子面存在局部硬巖或孤石時(shí)，采用破碎頭進(jìn)行破碎，施工時(shí)各臺(tái)階不宜過(guò)長(zhǎng)，控制在3～5 m。

改良CRD法開挖步序見圖4。改良后的CRD法施工，最小洞室面積為32.35 m2，較改良前的17.70 m2提高82.8%；最小開挖凈空為6.20 m，較改良前的3.70 m提高67.6%；最大洞室面積為37.54 m2，較改良前的26.80 m2提高40.0%；最大開挖凈空為6.70 m，較改良前的5.05 m提高了32.7%，創(chuàng)造了大規(guī)模使用機(jī)械開挖的條件，較大程度提高了開挖效率。同時(shí)，以單洞室為單元，再預(yù)留核心土，分上下臺(tái)階開挖，縮小了每一步開挖面面積，保障了開挖過(guò)程中掌子面所受偏應(yīng)力不超過(guò)強(qiáng)度極限，有利于圍巖穩(wěn)定，保證施工安全。

圖4 改良CRD法開挖步序

3.2 開挖步序優(yōu)化

傳統(tǒng)CRD工法為控制地表和隧道變形，標(biāo)準(zhǔn)開挖步序?yàn)棰瘛颉蟆?。此種開挖步序在機(jī)械開挖條件下增加了機(jī)械設(shè)備上下轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間，縮短開挖機(jī)械凈工作時(shí)間，不利于特大斷面礦山法隧道快速施工。優(yōu)化后的工法將開挖步序調(diào)整為Ⅰ→Ⅲ→Ⅱ→Ⅳ，并在臨時(shí)橫撐設(shè)置臨時(shí)卸料孔（1.0 m×0.8 m）。改良洞室開挖步序劃分見圖5。

圖5 改良洞室開挖步序劃分

開挖步序調(diào)整對(duì)地表和隧道拱頂沉降變形沒(méi)有明顯影響，同時(shí)施工步序優(yōu)化降低了上部機(jī)械上下轉(zhuǎn)運(yùn)頻率，提高了施工效率［9-10］。

3.3 垂直升降平臺(tái)

3.3.1 升降平臺(tái)概況

傳統(tǒng)地面與隧道之間物料垂直運(yùn)輸多采用龍門吊、汽車吊進(jìn)行，水平運(yùn)輸則采用汽車進(jìn)行，該組合方式單次運(yùn)輸能力有限，通常在20 t以內(nèi)。水平與垂直運(yùn)輸轉(zhuǎn)換需多次更換容器工具，至少需經(jīng)過(guò)“掌子面—渣車—垂直吊裝容器—垂直運(yùn)輸—渣車—堆渣場(chǎng)”5個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)流程，每個(gè)過(guò)程需要安排專人甚至挖機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且依靠繩索舉升的方式存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

該工程研發(fā)了一種導(dǎo)軌式垂直升降平臺(tái)作為物料垂直運(yùn)輸工具，可將水平運(yùn)輸?shù)钠囌嚨赝瞪底鳂I(yè)，實(shí)現(xiàn)了水平和垂直運(yùn)輸無(wú)縫銜接。升降平臺(tái)主要由平臺(tái)鋼架、轎廂、卷?yè)P(yáng)機(jī)和豎向?qū)к壗M成。平臺(tái)鋼架為整個(gè)升降平臺(tái)的骨架結(jié)構(gòu)，中部為可容納轎廂的矩形上下通道井，承擔(dān)主要受力；轎廂為容納和運(yùn)輸物料部件，以及上下移動(dòng)舉升平臺(tái)，轎廂四柱嵌入到平臺(tái)鋼架上的導(dǎo)軌中，只具有垂直方向的自由度；卷?yè)P(yáng)機(jī)為主要?jiǎng)恿Σ考惭b于平臺(tái)鋼架頂部，通過(guò)鋼繩連接轎廂，控制轎廂的提升和下放；豎向?qū)к壈惭b在平臺(tái)鋼架上，起到約束轎廂自由度的作用。平臺(tái)采用PLC控制轎廂升降，設(shè)2層2站，分別為開挖層和地面層，另配備電器限位、機(jī)械限位、光電保護(hù)、聲光警示、平層防止器等多重安全措施。升降平臺(tái)結(jié)構(gòu)見圖6，實(shí)物見圖7，升降平臺(tái)與豎井空間關(guān)系見圖8，設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 升降平臺(tái)設(shè)備參數(shù)

圖8 升降平臺(tái)與豎井空間關(guān)系

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圖7 升降平臺(tái)實(shí)物

垂直升降平臺(tái)的使用，使出渣過(guò)程按順序縮減為“掌子面—渣車—堆渣場(chǎng)”2個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)流程，相比傳統(tǒng)垂直運(yùn)輸5個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)流程減少60%，無(wú)需專人專機(jī)輔助轉(zhuǎn)運(yùn)。單次有效載荷為50 t，相比傳統(tǒng)龍門吊、汽車吊提升效率150%。此外，導(dǎo)軌和平臺(tái)鋼架對(duì)提升轎廂具有水平約束，大大提高了垂直運(yùn)輸安全性，為CRD隧道高效開挖提供了重要保障。

3.3.2 升降平臺(tái)安全計(jì)算

垂直升降平臺(tái)的設(shè)計(jì)需建立在足夠安全的靜強(qiáng)度及穩(wěn)定性、鋼架主體結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性上，因此，基于ANSYS有限元軟件進(jìn)行了平臺(tái)鋼架受力分析、轎廂受力分析、平臺(tái)鋼架結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，以論證垂直升降平臺(tái)的安全性。

（1）平臺(tái)鋼架受力分析。該支架主體結(jié)構(gòu)材料均為Q235鋼，其材料特性參數(shù)見表2。

表2 結(jié)構(gòu)材料特性參數(shù)

采用有限元軟件ANSYS，對(duì)鋼架結(jié)構(gòu)主體、轎廂主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度及主要桿件穩(wěn)定性分析、鋼架結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析。為全面分析升降平臺(tái)的工作狀態(tài)，考慮3種典型工況：

工況1：考慮轎廂滿載時(shí)的工況，不考慮偏載。載荷組成包括轎廂滿載時(shí)的貨物質(zhì)量和安裝于鋼架頂端的卷?yè)P(yáng)機(jī)自重，載荷平均分布。

工況2：考慮轎廂滿載時(shí)的工況，考慮偏載。假設(shè)鋼架右邊分布的載荷多，左邊分布的載荷少，按7∶3的比例分配。

工況3：考慮轎廂滿載，轎廂限位裝置全面承壓。載荷組成包括安裝于鋼架頂端的卷?yè)P(yáng)機(jī)自重、轎廂滿載時(shí)的貨物質(zhì)量作用于限位裝置上引發(fā)的偏心力及偏心彎矩。

平臺(tái)鋼架受力云圖見圖9。

圖9 平臺(tái)鋼架受力云圖

圖9中結(jié)果表明，鋼架整體結(jié)構(gòu)承受的最大拉應(yīng)力為9.394 MPa，最大壓應(yīng)力為52.014 MPa。最大拉壓應(yīng)力值分別發(fā)生在頂部斜撐桿和底部主弦桿上，其值均小于材料許用應(yīng)力213.6 MPa，平臺(tái)鋼架結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

（2）轎廂受力分析。采用ANSYS Workbench進(jìn)行轎廂受力分析，將設(shè)計(jì)好的轎廂三維模型導(dǎo)入Workbench中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并加載分析?？紤]工況為：自卸車滿載，并完全進(jìn)入轎廂，轎廂主要承受由自卸車引起的豎直向下的載荷，同時(shí)考慮轎廂自身重力的影響。轎廂約束加載后的計(jì)算云圖見圖10。

圖10 轎廂約束加載后的計(jì)算云圖

分析結(jié)果表明，轎廂主體結(jié)構(gòu)在載荷作用下，工作應(yīng)力最大值發(fā)生在自卸車車尾輪壓處，為140.51 MPa，主要是自卸車車尾輪壓較為密集所致。主體結(jié)構(gòu)工作應(yīng)力值均小于材料的許用應(yīng)力213.60 MPa。因此，可以認(rèn)為該轎廂的主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合使用要求。

（3）平臺(tái)鋼架結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，主要考察結(jié)構(gòu)在約束狀態(tài)下的模態(tài)特性，確定結(jié)構(gòu)的固有頻率值，判斷鋼架結(jié)構(gòu)在工作時(shí)是否可能出現(xiàn)明顯的共振現(xiàn)象。一般而言，結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性影響較大，因此，只分析結(jié)構(gòu)的前6階模態(tài)特性。平臺(tái)鋼架的模態(tài)分析云圖見圖11。

圖11 平臺(tái)鋼架模態(tài)分析云圖

通過(guò)分析計(jì)算得出，鋼架結(jié)構(gòu)的前6階固有頻率值見表3。從表3中前6階固有頻率值可以看出，鋼架結(jié)構(gòu)的固有頻率值遠(yuǎn)低于卷?yè)P(yáng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速，因此，鋼架結(jié)構(gòu)在工作時(shí)出現(xiàn)共振的概率很小。

表3 鋼架結(jié)構(gòu)的前6階固有頻率 Hz

使用有限元軟件對(duì)鋼架和轎廂主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析、對(duì)鋼架主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析。分析結(jié)果表明：（1）鋼架主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及主要桿件的穩(wěn)定性均滿足使用要求；（2）轎廂主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足使用要求；（3）鋼架結(jié)構(gòu)在工作時(shí)不會(huì)出現(xiàn)共振。

4 工程實(shí)例

成都軌道交通19號(hào)線二期工程明挖岔線段—龍橋路站礦山法區(qū)間，采用基于垂直升降平臺(tái)的特大斷面隧道改良CRD施工技術(shù)，在確保施工安全的情況下，保障了施工質(zhì)量，隧道拱頂沉降值處于控制值范圍內(nèi)（見圖12）。

圖12 改良CRD法隧道拱頂沉降值

該工程采用改良CRD法施工，較傳統(tǒng)CRD法減少工期90 d，節(jié)約成本538.2萬(wàn)元，其中：機(jī)械費(fèi)143.8萬(wàn)元，人工費(fèi)237.6萬(wàn)元，其他費(fèi)用156.8萬(wàn)元。施工中，質(zhì)量、安全、進(jìn)度、成本等方面均得到有效控制，取得較大經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

針對(duì)特大斷面CRD法隧道施工中，渣土和施工材料無(wú)法高效率垂直運(yùn)輸以及隧道無(wú)法大規(guī)模使用機(jī)械開挖問(wèn)題，開展CRD法開挖洞室優(yōu)化、開挖步序優(yōu)化、垂直運(yùn)輸設(shè)備研發(fā)3項(xiàng)研究，在實(shí)際工程中取得了良好運(yùn)用效果，并得出以下結(jié)論：

（1）將6洞室CRD法開挖設(shè)計(jì)優(yōu)化為4洞室+上下臺(tái)階開挖，可增加洞室面積和開挖凈空，為大規(guī)模機(jī)械開挖創(chuàng)造條件；

（2）將設(shè)計(jì)開挖步序Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ優(yōu)化為Ⅰ→Ⅲ→Ⅱ→Ⅳ，可有效增加機(jī)械作業(yè)有效時(shí)長(zhǎng)，且對(duì)隧道成型質(zhì)量影響極?。?/p>

（3）垂直升降平臺(tái)可將渣土、施工材料轉(zhuǎn)運(yùn)流程減少60%，單次有效載荷提升150%，大大提升材料倒運(yùn)效率，且垂直升降平臺(tái)安全、可靠；

（4）基于垂直升降平臺(tái)的特大斷面隧道改良CRD施工技術(shù)在特大斷面砂卵石地層CRD法隧道工程中運(yùn)用效果良好，取得了較大經(jīng)濟(jì)利益，可為類似工程提供重要參考。