廈門(mén)翔安海底隧道陸域淺埋段CRD法變形分配控制方法研究

王學(xué)斌

(廈門(mén)路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，福建 廈門(mén) 361009)

廈門(mén)翔安海底隧道陸域淺埋段CRD法變形分配控制方法研究

王學(xué)斌

(廈門(mén)路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，福建 廈門(mén) 361009)

基于變形分配理論、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，研究了廈門(mén)翔安海底隧道兩端陸域和淺灘地段大斷面軟弱地層淺埋暗挖CRD法施工變形機(jī)理，得到合理開(kāi)挖順序和變形分配控制標(biāo)準(zhǔn)，提出控制導(dǎo)坑封閉時(shí)間、導(dǎo)坑間距以及臺(tái)階長(zhǎng)度等有效的變形控制措施，成功把施工變形控制在目標(biāo)范圍，避免發(fā)生超限變形和坍塌，大大提高施工進(jìn)度，并確保了施工安全。研究成果和工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)對(duì)后續(xù)類(lèi)似工程有一定借鑒意義。

海底隧道；CRD工法；軟弱地層；變形分配控制方法；累積沉降

控制開(kāi)挖變形量是保證隧道施工安全和減少對(duì)鄰近構(gòu)造物影響的關(guān)鍵所在。大斷面隧道淺埋暗挖常采用CRD法分部開(kāi)挖，其變形總量在分部開(kāi)挖過(guò)程中累積產(chǎn)生，難以直接控制。變形分配控制方法是通過(guò)研究各分部開(kāi)挖對(duì)總變形量的貢獻(xiàn)，分階段實(shí)施過(guò)程控制，有利于最終變形總量控制和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，在工程實(shí)踐中成效良好[1-2]。但變形分配機(jī)制與水文地質(zhì)條件、隧道斷面尺寸、分部開(kāi)挖方法、支護(hù)參數(shù)等密切相關(guān)，必須針對(duì)實(shí)際工程具體研究[3-4]。

廈門(mén)翔安海底隧道兩端陸域和淺灘均為全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層，行車(chē)隧道為三車(chē)道大斷面隧道，毛洞開(kāi)挖寬度約17.0m、高約12.5m，開(kāi)挖斷面積達(dá)170m2以上，處于地下水位或海水之下，為典型的富水、軟弱地層大斷面淺埋暗挖施工，極易發(fā)生超限變形，建設(shè)初期曾多次出現(xiàn)異常變形，部分地段噴射混凝土開(kāi)裂、初期支護(hù)嚴(yán)重變形等狀況。為更好控制變形，避免發(fā)生超限換拱和坍塌，減少損失，確保施工安全，筆者基于變形分配理論和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究了廈門(mén)翔安海底隧道變形分配機(jī)理和變形控制方法，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)。

1 分部開(kāi)挖變形累積過(guò)程分析

隧道分部開(kāi)挖產(chǎn)生的變形是一個(gè)由開(kāi)挖卸載引起的動(dòng)態(tài)累積過(guò)程。以圓形斷面洞室為例，假設(shè)洞室半徑為r0，圍巖為粘彈性體，依據(jù)Kelvin蠕變模型，由蠕變規(guī)律得到蠕變量為：

(1)

式中，E1為巖體彈性模型；c1、k1為與地層有關(guān)的材料常數(shù)。

隧道開(kāi)挖過(guò)程中，應(yīng)力釋放過(guò)程可表示為：

σ(t)=σz(1-0.7e-mt)

(2)

式中，m=3.15V/2r0；σz為洞室周邊初始地應(yīng)力；V為掌子面平均推進(jìn)速度。

(3)

(4)

綜上，最終引起的地層的徑向位移增量為：

(5)

2 變形控制標(biāo)準(zhǔn)

2.1計(jì)算模型

基于上述理論分析，采用FLAC3D數(shù)值模擬。實(shí)際施工中，服務(wù)隧道斷面較小采用臺(tái)階法超前開(kāi)挖60～100m，超前2～3個(gè)月；行車(chē)隧道采用CRD法開(kāi)挖，有2種開(kāi)挖順序，即CRD1-2-3-4和CRD1-3-2-4，如圖1所示。左、右線行車(chē)隧道由不同單位施工，錯(cuò)開(kāi)間距為50～80m，錯(cuò)開(kāi)時(shí)間2～3個(gè)月，三孔隧道施工相互影響很小，可忽略。選取左線行車(chē)隧道典型地段(里程樁號(hào)ZKl2+40)，平均覆土厚度12m，建立模型(見(jiàn)圖2)。計(jì)算采用圍巖物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和工程經(jīng)驗(yàn)，在數(shù)值分析過(guò)程中注漿超前小導(dǎo)管采用提高加固區(qū)c、φ值的方法進(jìn)行模擬。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，相鄰導(dǎo)坑掌子面間距取10m，導(dǎo)坑內(nèi)臺(tái)階長(zhǎng)度取5m。

圖1 CRD法開(kāi)挖順序及位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置 圖2 計(jì)算模型圖

表1 圍巖物理力學(xué)指標(biāo)

2.2計(jì)算結(jié)果分析

表2 2種開(kāi)挖順序下CRD1部拱頂下沉量

計(jì)算表明，CRD法施工拱頂下沉絕對(duì)值較大，而隧道整體水平收斂絕對(duì)值較小。拱頂下沉是CRD法安全性判斷的最敏感指標(biāo)，也是設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工最直觀的控制指標(biāo)。因此，重點(diǎn)分析拱頂下沉。

2種開(kāi)挖順序下各導(dǎo)坑開(kāi)挖引起CRD1部拱頂下沉增量及比例關(guān)系計(jì)算結(jié)果如表2所示。采用CRD1-2-3-4開(kāi)挖比采用CRD1-3-2-4開(kāi)挖拱頂下沉總量要大，這一規(guī)律得到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證[5]。可見(jiàn)，采用CRD1-3-2-4開(kāi)挖更有利于拱頂下沉控制。究其原因，是由于隧道埋深很淺，上覆土層成拱性差，豎向荷載偏大，易產(chǎn)生拱頂下沉，CRD1-2-3-4施工時(shí)2部緊接1部在其正下方開(kāi)挖，雖然開(kāi)挖跨度較小，但1部下方缺乏支撐(2部采用臺(tái)階法開(kāi)挖，臺(tái)階長(zhǎng)度一般為5m，即從開(kāi)挖到初支封閉通常需要3～5d)，直接引起1部下沉增量很大；而CRD1-3-2-4施工時(shí)，2部在3部閉合后才開(kāi)挖，此時(shí)隧道上半斷面左右都已封閉成環(huán)，已閉合成形的隧道上半斷面跨度雖較大，但中隔墻起到很好支撐作用，且4部尚未開(kāi)挖，3部對(duì)1部可起到牽制和支撐作用，能有效減少2部開(kāi)挖導(dǎo)致的1部下沉。表2還表明，2種開(kāi)挖順序下，都是CRD1部開(kāi)挖產(chǎn)生的拱頂下沉最大，應(yīng)加以重點(diǎn)控制。

由此，建議采用CRD1-3-2-4開(kāi)挖，被施工現(xiàn)場(chǎng)采納，下面僅分析該開(kāi)挖順序。

2.3目標(biāo)控制值的確定

翔安隧道兩端陸域及淺灘V級(jí)圍巖淺埋段最初設(shè)計(jì)預(yù)留變形量為120mm，實(shí)際施工中超標(biāo)較多，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明，拱頂下沉一般超過(guò)200mm時(shí)初支開(kāi)始出現(xiàn)開(kāi)裂。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，且考慮到該地段隧頂上方無(wú)建筑物，以初支不破壞為準(zhǔn)則，取200mm作為拱頂下沉總量控制值。根據(jù)既往工程經(jīng)驗(yàn)和變形分配原理，數(shù)值計(jì)算所得變形量與實(shí)際變形量會(huì)有所偏差，但各導(dǎo)坑變形分配比例關(guān)系和變形規(guī)律是比較準(zhǔn)確的。因此，采用表2分配比例制定分階段變形控制目標(biāo)，目標(biāo)控制值如表3所示。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)與變形控制措施

3.1現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)

翔安隧道V級(jí)圍巖淺埋段CRD法施工一般每10m設(shè)置一個(gè)位移監(jiān)測(cè)斷面，測(cè)點(diǎn)橫斷面布置如圖3所示。調(diào)取計(jì)算斷面附近的11個(gè)典型斷面實(shí)測(cè)資料(按CRD1-3-2-4開(kāi)挖順序)，CRD1部最終拱頂下沉量為153～237mm，平均192mm。各導(dǎo)坑引起CRD1部拱頂下沉量實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)如表4所示。由表4可見(jiàn)，各導(dǎo)坑變形分配比例實(shí)測(cè)值與上述理論計(jì)算基本一致。

表3 CRD1部拱頂下沉目標(biāo)控制值(CRD1-3-2-4)

表4 實(shí)測(cè)CRD1部拱頂下沉統(tǒng)計(jì)(CRD1-3-2-4)

3.2變形控制措施

圖3 實(shí)測(cè)CRD1部拱頂下沉曲線

在極軟弱地段或施工組織不當(dāng)時(shí)，變形可能超過(guò)控制目標(biāo)，即發(fā)生異常變形，需分析原因并采取工程措施，盡可能按階段目標(biāo)控制。主要措施如下：①施工總體原則“管超前、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”，信息化施工，動(dòng)態(tài)管理。②調(diào)整導(dǎo)坑封閉時(shí)間、設(shè)置合理的導(dǎo)坑間距及臺(tái)階長(zhǎng)度是控制變形的主要措施。考察典型斷面CRD1部拱頂下沉實(shí)測(cè)曲線，如圖3所示，呈臺(tái)階狀上升。進(jìn)一步分析表明，變形發(fā)展曲線上的反彎點(diǎn)和各導(dǎo)坑開(kāi)挖、支護(hù)閉合有密切對(duì)應(yīng)關(guān)系。可見(jiàn)，早封閉和合理間距有利于控制變形。CRD法各導(dǎo)坑初期支護(hù)小環(huán)閉合與整個(gè)斷面初期支護(hù)大環(huán)閉合所需的時(shí)間與現(xiàn)場(chǎng)施工工藝和工效直接相關(guān)，縮短臺(tái)階長(zhǎng)度和相鄰導(dǎo)坑掌子面間距，可縮短小環(huán)和大環(huán)閉合時(shí)間，對(duì)控制最終拱頂下沉有利，但間距太小無(wú)法滿足施工場(chǎng)地要求且導(dǎo)坑相互影響對(duì)安全不利。翔安隧道現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)表明，相鄰導(dǎo)坑掌子面間距控制在10～15m，導(dǎo)坑內(nèi)臺(tái)階長(zhǎng)度控制在6 m以?xún)?nèi)，每循環(huán)開(kāi)挖1.0～1.5m (極軟弱地段只允許開(kāi)挖0.5m)后立即支護(hù)，重點(diǎn)加快上半斷面支護(hù)的閉合時(shí)間，是作業(yè)空間、掌子面開(kāi)挖穩(wěn)定性和“早封閉”之間較適合的平衡點(diǎn)，對(duì)控制最終拱頂下沉十分有效。③加強(qiáng)初期支護(hù)參數(shù)，施作鎖腳錨管，仰拱注漿、初支背后回填注漿等組合措施也是控制變形的有效措施，在翔安隧道都有成功的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

3.3現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用成效

上述變形分配控制標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與變形控制措施應(yīng)用于翔安海底隧道軟弱地層大斷面淺埋段CRD法。與工程建設(shè)初期相比，施工速度顯著提高，月均進(jìn)尺從不足30m提高到60m，創(chuàng)同類(lèi)地質(zhì)條件下CRD法施工進(jìn)度記錄，同時(shí)異常變形大幅減少，有效保證了施工安全。

4 結(jié) 語(yǔ)

推導(dǎo)了隧道分部開(kāi)挖變形累積過(guò)程，結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，研究了廈門(mén)翔安海底隧道兩端陸域和淺灘地段大斷面軟弱地層淺埋暗挖CRD法施工變形機(jī)理，得到合理開(kāi)挖順序?yàn)镃RD1-3-2-4，制定了變形分配控制標(biāo)準(zhǔn)，提出控制導(dǎo)坑封閉時(shí)間、導(dǎo)坑間距以及臺(tái)階長(zhǎng)度等變形控制有效措施，成功破解了該工程軟弱地層大斷面隧道淺埋暗挖技術(shù)難點(diǎn)，具有較好的借鑒意義。

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[2]鐘有信，羅草原.淺埋暗挖地鐵施工地層沉降監(jiān)測(cè)與控制[J].西部探礦工程，2003(4)：91-93.

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[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.12.041

U456.3

A

1673-1409(2012)12-N125-04