巖溶地區(qū)大斷面淺埋暗挖隧道CRD 工法優(yōu)化研究

劉成虎

（貴陽市公共交通投資運營集團有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引言

貴陽作為我國西南地區(qū)的重要城市，近年來正在加速推進城市地鐵的建設，由于該地區(qū)位于西南巖溶地區(qū)，在此處進行地鐵隧道工程所采用的CRD工法（交叉中隔壁法）已備受關注。由于巖溶地區(qū)CRD工法可借鑒的工程經(jīng)驗較少。經(jīng)查閱國內(nèi)相關文獻，楊招等［1］通過增加錨桿數(shù)量，提高噴混強度，簡化臨時支護方法進行CRD工法優(yōu)化；楊恩等［2］對臨時支撐結構、橫撐連接方式、中隔壁底部鋼架等部位進行優(yōu)化研究；姚紅偉等［3］采用理論分析和現(xiàn)場試驗手段對CRD工法關鍵工序進行優(yōu)化；汪正斌［4］從施工工序方面評估CRD工法對周邊環(huán)境的影響；杜亞江等［5］從施工步序調(diào)整及研究斷面選擇方面分析CRD工法對施工地表和隧道變形的差異；谷拴成等［6］分析了CRD工法各分部開挖時對拱頂沉降和水平收斂變化規(guī)律，并取得了一定的研究結果。

該文依托于貴陽地鐵3號線大營坡站—茶店站區(qū)間暗挖隧道工程，結合現(xiàn)場實際情況，進行CRD工法優(yōu)化分析對隧道圍巖變形、圍巖應變、技術經(jīng)濟及工期的影響，本研究對同類城市地鐵暗挖隧道工程CRD工法優(yōu)化問題具有一定的參考價值。

1 工程背景

1.1 工程概況

貴陽地鐵3號線大營坡站—茶店站區(qū)間位于新添大道南段省二醫(yī)旁，沿新添大道南北向設置。該區(qū)間設臨時存車線，長度為263.5 m，開挖跨度12.7 m、高度10.1 m、開挖斷面達103 m2，為單洞雙線馬蹄形大斷面隧道，現(xiàn)場采用CRD工法施工，拱頂埋深10.1 m～11.4 m。大營坡站—茶店站區(qū)間隧道典型斷面見圖1。

圖1 大營坡站—茶店站區(qū)間隧道典型斷面

1.2 地質(zhì)、水文情況

該區(qū)間位于中風化泥灰?guī)r中，上部為雜填土、紅黏土，穿越巖層圍巖等級V級?？辈旖Y果顯示，該段共圈定3個溶洞發(fā)育區(qū)，發(fā)育深度范圍基本在10.8 m～30.1 m之間，沿隧道中線方向發(fā)育寬度范圍一般在1.1 m～4.3 m。

該工程巖土物理力學性質(zhì)參數(shù)值見表1。

表1 巖土物理力學性質(zhì)參數(shù)值

1.3 周邊環(huán)境情況

該區(qū)間位于貴陽老城區(qū)市政主干道下方，交通繁忙，周邊建（構）筑物分布較密，人員密集，管線錯綜復雜。

2 大斷面淺埋暗挖隧道CRD工法比選和優(yōu)化

2.1 CRD工法選取

在城市地鐵區(qū)間隧道暗挖工程施工中，應結合地質(zhì)、周邊環(huán)境等情況，綜合對比工程造價、施工安全性及對周邊環(huán)境的影響、工序轉換難度、工期等因素后，再確定適宜的工法進行施工。常用的大斷面隧道暗挖工法對比分析如表2所示。

表2 大斷面隧道暗挖工法對比分析表

根據(jù)表2大斷面隧道暗挖工法沉降、支護、工序轉換和適用條件的特性，結合本區(qū)間巖溶發(fā)育情況，經(jīng)過綜合比選，采用CRD工法進行區(qū)間隧道掘進可行。

2.2 CRD工法優(yōu)化

2.2.1 工法優(yōu)化原因

1）施工現(xiàn)場揭示的圍巖完整性較好，巖體較硬，針對此種工況下進行多次設備選型，常用的施工機具不能滿足現(xiàn)場施工要求。

2）該CRD工法施工上臺階開挖支護僅能采用人工和小型機具作業(yè)，上臺階斷面僅為21 m2。土石方及初期支護材料運輸僅能通過人工進行搬運，施工工效較低，且隨開挖段加長，工效單洞每天僅能開挖0.5 m，施工進度不能滿足工期要求［7］。

3）各工序作業(yè)時間長，掌子面暴露時間長，安全隱患大。

2.2.2 CRD工法優(yōu)化設計

1）開挖左右上臺階（①部，②部）時，將原設計CRD工法橫向臨時支撐位置下移1.5 m，與初期支護拱架成環(huán)，以便滿足施工需要。

2）掌子面開挖采用左右側分幅，上下臺階法開挖，減少隧道開挖時對掌子面的擾動面積。

3）施工下部仰拱時，拆除下部橫向臨時支撐，置換為上部臨時橫撐，使初支拱架始終處于封閉成環(huán)的狀態(tài)，增加初期支護的剛度，確保圍巖的穩(wěn)定性。

該工程CRD工法優(yōu)化前后斷面見圖2。

圖2 CRD工法優(yōu)化前后斷面圖

3 有限元模擬分析

3.1 模型建立

通過使用Midas-GTS軟件建立優(yōu)化前、后的CRD工法模型，計算圍巖變形和應力變化。模型上邊界取至地面，左右邊界寬度為100 m，下邊界寬度取值為距離區(qū)間隧道斷面60 m。隧道周邊圍巖采用摩爾-庫侖（M-C）非線性模擬，錨桿采用全長黏結式桿材料模擬，襯砌采用全長黏結式直梁材料模擬，超前小導管注漿采用圍巖加固圈進行模擬。區(qū)間隧道施工的分步開挖過程通過軟件提供的 “鈍化” 來實現(xiàn)。該工程CRD工法優(yōu)化前后計算模型見圖3。

圖3 工法優(yōu)化前后計算模型

3.2 隧道圍巖位移變形模擬分析

通過有限元分析模型對工法優(yōu)化前后隧道周邊圍巖變形進行模擬計算得到工法優(yōu)化前后周邊圍巖變形位移，見圖4。

圖4 工法優(yōu)化前后圍巖變形位移云圖

通過圖4周邊圍巖變形位移云圖可以看出：

1）隧道工法優(yōu)化前后，隧道周邊圍巖變形規(guī)律大致一致。

2）優(yōu)化方案前，隧頂最大沉降出現(xiàn)在拱頂處為5.7 mm，隧底最大隆起出現(xiàn)在仰拱處為0.6 mm；優(yōu)化調(diào)整后，隧頂最大沉降出現(xiàn)在拱頂處為4.1 mm，隧底最大隆起出現(xiàn)在仰拱處為0.6 mm。通過對隧道CRD工法優(yōu)化前后模擬計算分析可知：優(yōu)化后的方案在控制圍巖變形上比優(yōu)化前的方案更好一些，在隧頂最大沉降量比優(yōu)化前減小28.1%，兩者在隧底最大隆起量一致。同時，在施工過程中，初期支護結構處于安全狀態(tài)。

3.3 隧道圍巖應力變化模擬分析

通過有限元分析模型對工法優(yōu)化前后隧道周邊圍巖應力進行模擬計算得到工法優(yōu)化前后圍巖應力，如圖5所示。

圖5 工法優(yōu)化前后圍巖應力變化云圖

通過圖5隧道圍巖應力變化云圖可以看出：

1）隧道工法優(yōu)化前后，隧道周邊圍巖應力變化大致一致。

2）優(yōu)化方案前，隧道周邊圍巖最大壓應力為0.91 MPa；優(yōu)化調(diào)整后，隧道周邊圍巖最大壓應力為0.80 MPa。參閱勘察報告，隧道周邊圍巖抗壓強度為30.2 MPa，均滿足安全要求，而工法優(yōu)化后的巖層最大壓應力比優(yōu)化前巖層最大壓應力小12.0%。

4 優(yōu)化施工過程控制要點

4.1 隧道周邊圍巖預處理控制

1）根據(jù)本區(qū)間巖溶發(fā)育的特點，在勘察階段通過地質(zhì)調(diào)查法、物探法（TSP203+紅外探測+地質(zhì)雷達探測）、超前鉆探法（超前鉆孔5孔）等先進的地質(zhì)探測技術手段，查明隧道開挖斷面及其一倍洞徑范圍內(nèi)巖溶發(fā)育情況，制定專項地質(zhì)處置方案，防止引起地表塌陷安全隱患。

2）施工前應掌握施工影響范圍內(nèi)的地面建（構）筑物、地下障礙物、地下管線等，必要時可進行物探或開樣槽探明，對重要建（構）筑物應提出相應的保護措施。

4.2 施工過程控制

1）嚴格按照 “管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測” 方針進行開挖施工。在施工過程中加強隧道掌子面風險管控及監(jiān)控測量工作，嚴格控制地面沉降量和隧道收斂，動態(tài)調(diào)整支護參數(shù)和開挖步距，確保隧道施工安全。

2）針對周邊圍巖較差地段需進行超前帷幕注漿處置。

3）隧道每一循環(huán)開挖后及時進行支護（含初期支護和臨時支護），各道支護措施緊密銜接，實現(xiàn)支護結構盡早封閉成環(huán)。

4）在初期支護完成3榀～5榀拱架距離后，應立即對初期支護進行充填注漿，避免因初期支護后的空隙或空洞引起地表沉降。

5）在隧道周邊圍巖和初期支護變形基本穩(wěn)定，拆除中隔壁臨時支撐結構后及時施作二次襯砌，確保安全步距滿足設計要求。

5 工法優(yōu)化安全技術經(jīng)濟性分析

5.1 地表沉降分析［7］

大斷面隧道暗挖施工過程中涉及多個工序銜接，特別是在巖溶發(fā)育區(qū)施工安全風險較一般地區(qū)更高。在保證洞內(nèi)施工安全的前提條件下，使周邊圍巖變形得到有效的控制，最終結果表現(xiàn)在地表沉降變形大小。針對該工程采用CRD工法優(yōu)化，剔除特殊工況下數(shù)值，工后地表沉降與模擬沉降位移變化數(shù)值對比曲線見圖6。

圖6 CRD工法優(yōu)化工后地表沉降對比曲線圖

通過圖6可以看出：

1）該工程采用CRD工法優(yōu)化后施工時，地表實測沉降變化與有限元模擬規(guī)律一致。

2）工后地表實測沉降量為14.5 mm，與優(yōu)化前模擬沉降量減少1.6 mm。

5.2 技術經(jīng)濟分析

針對該工程大斷面區(qū)間隧道采用CRD工法優(yōu)化后施工，從人工費、機械費和工期方面與優(yōu)化調(diào)整前進行對比分析。該工程CRD工法優(yōu)化前后技術經(jīng)濟分析表見表3。

結合工程造價的構成，通過表3可知：

表3 CRD工法優(yōu)化前后技術經(jīng)濟分析表

1）CRD工法優(yōu)化后人工費、機械費較工法優(yōu)化前節(jié)約30.6%。

2）CRD工法優(yōu)化后工期較工法優(yōu)化前節(jié)約25.0%。

由此可見，采用CRD工法優(yōu)化后在工程造價和工期方面較工法優(yōu)化前更優(yōu)一些。

6 結語

以貴陽地鐵3號線大營坡站—茶店站區(qū)間隧道CRD工法開挖為背景，探討了貴陽典型巖溶地區(qū)大斷面區(qū)間隧道CRD工法優(yōu)化問題，利用有限元軟件對工法優(yōu)化前后進行了圍巖變形和應力變化數(shù)值模擬分析，并對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和技術經(jīng)濟性進行分析，在人工費、機械費方面可節(jié)約30.6%，提高了開挖進度，平均提高到工法優(yōu)化前的1.33倍。優(yōu)化CRD工法具有施工工序轉換快、地表沉降控制好等優(yōu)點，提高機械設備工效，保障施工安全性和可靠性。