基于工序簡化的分部開挖隧道施工方法適應(yīng)性研究

王越輝，王薇，卞家勝

(1.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)

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基于工序簡化的分部開挖隧道施工方法適應(yīng)性研究

王越輝1，王薇2，卞家勝2

(1.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)

摘要:為改善軟弱圍巖條件下，CRD法在淺埋暗挖隧道施工中存在的圍巖擾動次數(shù)多、工序轉(zhuǎn)化復雜、施工進度慢及施工操作空間狹小等問題，使其能夠更好地應(yīng)用于分部開挖隧道。以杭州市某分部開挖隧道暗挖試驗段為研究對象，基于對技術(shù)、工期與經(jīng)濟、環(huán)境與社會效益的分析，在保證綜合效益最大化的基礎(chǔ)上對CRD工法進行工序優(yōu)化研究得到上臺階中隔壁施工工法。采用理論分析與數(shù)值模擬計算的手段，揭示新工法下圍巖變形特征與支護結(jié)構(gòu)受力特性，最后通過對試驗段現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，驗證上臺階中隔壁施工工法的可靠性，為本工法在該暗挖段的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，也為今后類似分部開挖隧道工程施工提供借鑒與指導。

關(guān)鍵詞：施工方法；分部開挖隧道；工序優(yōu)化；上臺階中隔壁；適應(yīng)性；軟弱圍巖

隨著隧道工程的發(fā)展及交通運輸?shù)男枰?，越來越多的城市地下公路隧道與大斷面山嶺隧道的修建成為隧道工程發(fā)展的新趨勢之一[1-2]，在軟弱破碎圍巖或復雜環(huán)境條件下修建此類隧道，分部開挖法成為了施工首選，常用的分部開挖方法有雙側(cè)壁導坑法、CRD法、CD法和三臺階七步開挖法等，由于不當?shù)氖┕し椒▽⒔o工程帶來巨大損失[3]，安全事故的發(fā)生將引起比較惡劣的社會影響[4-5]，因此，如何選擇合適的施工方法或優(yōu)化原有工法來保障隧道安全順利竣工是亟待解決的問題。目前對分部開挖隧道施工方法研究的重點在現(xiàn)有施工方法比選、施工參數(shù)優(yōu)化等方面[6-10]，優(yōu)化比選出發(fā)點較為單一，不能綜合考量技術(shù)、工期與經(jīng)濟，社會與環(huán)境效益等。本文以杭州某分部開挖隧道暗挖試驗段為工程依托，為改善原CRD法存在的圍巖擾動次數(shù)多、工序轉(zhuǎn)化復雜、施工操作空間狹小、不利于大型機械設(shè)備的使用及施工進度慢等問題[11]，從綜合效益的角度出發(fā)，對CRD法的施工工序進行簡化，支護結(jié)構(gòu)的受力性能進行改善，并結(jié)合現(xiàn)場施工經(jīng)驗的總結(jié)而形成上臺階中隔壁施工方法，該施工方法的成功實施，為其在類似工程中推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1工程概況

1.1工程簡介

作為杭州首條城市地下公路隧道，全長14.4 km，是杭州市區(qū)“二環(huán)、三縱、五橫”快速路網(wǎng)的重要組成部分。本工程所在的暗挖段西線起訖里程K12+710～K13+587.1，全長877.1 m，東線起訖里程K12+700～K13+569.1，全長869.1 m，開挖斷面為101.3 m2，沿線穿越紫金港路、西溪濕地國家公園等，且紫金港路電纜管線距隧道拱頂僅6 m左右，圍巖級別劃分見下表1。

表1　圍巖分級

1.2工程地質(zhì)水文條件

本隧道穿越地層主要為粉質(zhì)黏土混碎石，呈棕紅、褐黃色，硬塑，含鐵錳質(zhì)斑點，礫石含量約30%～40%，碎石堅硬，母巖成分為粉砂巖、細砂巖，屬中等壓縮性土，屬于軟弱圍巖，但有一定的自穩(wěn)能力，現(xiàn)場施工揭露的地質(zhì)情況見圖1，與地勘資料基本一致。場區(qū)地表水主要為沿山河河水和溪溝水，地下水屬松散巖類孔隙潛水和基巖裂隙水，水量不大，對工程影響小。

圖1　施工現(xiàn)場地質(zhì)情況圖Fig.1 Geological conditions of the construction site

1.3工程施工方法

1.3.1原設(shè)計施工方法

原設(shè)計施工方法為CRD法，如圖2所示。

單位：cm圖2　CRD法施工工序圖Fig.2 Construction excavation process of CRD

1.3.2施工方法優(yōu)化原則

在確定對原施工方法進行優(yōu)化后，基于最優(yōu)化理論，首先，明確目標函數(shù)，其次，找到影響目標函數(shù)的約束條件。顯然，CRD法優(yōu)化研究的目標函數(shù)為施工效益，約束條件為施工后圍巖變形，施工進度，施工工藝和施工造價?；谑┕ばб孀畲蠡脑瓌t，在新工法提出時考慮以下幾點：1)施工后拱頂及地表沉降在可控范圍內(nèi)，能夠保證施工安全即可，綜合考慮最終沉降值及沉降速率的變化值；2)基于工程造價分析[12]，不增加施工工藝難度，不增加特殊材料與器械；3)加快施工進度，日進尺提高到1.5～2 m，保證該地下公路隧道在現(xiàn)有工期內(nèi)順利貫通。

1.3.3上臺階中隔壁施工方法的提出

本施工方法提出的總體思想是在加強鎖腳錨管支護強度基礎(chǔ)上，取消CRD工法下臺階中隔壁，在下臺階核心土開挖之前拆除上臺階中隔壁，同時在臨時仰拱懸空段間隔5 m設(shè)置直徑219.1 mm和壁厚2 mm的臨時鋼管支撐，在初期支護閉合成環(huán)、受力趨于穩(wěn)定后拆除臨時仰拱及臨時鋼管支撐。其中，①和②部平行作業(yè)，人工開挖，施工步距2～3 m，③，④和⑤部交替作業(yè)，機械開挖配合人工找平，上下臺階及下臺階與隧底的施工步距都保持在3～5 m，掌子面距離初支閉合成環(huán)處20 m以內(nèi)，如圖3。

(a)正斷面圖；(b)縱斷面圖；(c)三維開挖透視圖圖3　上臺階中隔壁法施工工序圖Fig.3 Construction excavation process of Up Cross Diagram

2上臺階中隔壁法施工基本力學行為

隧道開挖后，圍巖應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，由初始應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)?次和3次應(yīng)力狀態(tài)，并由此來判斷隧道施工后的穩(wěn)定性、支護方式及支護強度等[13]。對于在軟弱圍巖條件下，采用上臺階中隔壁法施工的隧道而言，主要由超前支護、初期支護及臨時支護等來改善隧道開挖后的不利應(yīng)力狀態(tài)，由初期支護與臨時支護承擔荷載比例的調(diào)整及其受力體系的合理轉(zhuǎn)化來保證隧道支護結(jié)構(gòu)的可靠性，以軟弱圍巖隧道變形的力學動態(tài)[14]為基礎(chǔ)，通過管棚、超前小導管等超前支護控制掌子面前方先行位移，上、下臺階留核心土抑制掌子面擠出位移，上臺階左右兩部及時封閉成環(huán)控制拱頂沉降初期發(fā)展速率，初期支護封閉成環(huán)控制掌子面后方位移，來保證隧道施工的穩(wěn)定性，各分部施工后支護結(jié)構(gòu)狀態(tài)見表2所示。

表2　各分部施工后支護結(jié)構(gòu)狀態(tài)

3施工過程數(shù)值模擬分析

3.1計算參數(shù)確定

本文以有限元軟件abaqus[15]進行建模計算。假定隧道縱坡為0，各不同地層呈勻質(zhì)水平分布，計算參數(shù)見表3。巖土體選用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，支護結(jié)構(gòu)采用線彈性材料，管棚加固區(qū)通過提高地層參數(shù)[16]考慮，鋼拱架彈性模量按照截面等效原則，并考慮鋼拱架間距折算給混凝土彈性模量，計算公式為：

其中，E為折算后支護結(jié)構(gòu)彈性模量;Ec為噴射混凝土彈性模量;Eg為鋼拱架彈性模量;Sc為噴射混凝土截面積;Sg為鋼拱架截面積;Lg為鋼拱架翼緣長;L為鋼拱架間距。

表3　不同地層計算參數(shù)

3.2計算模型建立

以本工程東線試驗段S0+00～S0+45里程段為原型，進行三維數(shù)值建模，橫向從隧道中心向兩側(cè)各取45 m，共90 m，豎向從隧道中心向上取至地表，向下取至中風化凝灰質(zhì)粉砂巖層，共50 m，縱向取45 m，支護結(jié)構(gòu)厚度為0.3 m。隧道支護結(jié)構(gòu)和圍巖均采用實體單元進行模擬，單元類型為三維8節(jié)點縮減積分實體單元(C3D8R)，模型共劃分83 745網(wǎng)格。

3.3施工過程模擬

基于上臺階中隔壁法施工工序圖3，對隧道開挖過程進行模擬，其中，①②部平行作業(yè)，每次開挖1 m，③④部交替作業(yè)，每次開挖2 m，⑤部每次掘進2 m，④部開挖前，拆除相應(yīng)的上臺階中隔壁。

3.4計算結(jié)果分析

隧道開挖過程對圍巖擾動和支護結(jié)構(gòu)受力的影響是時空效應(yīng)的累加，但考慮到數(shù)值計算在時間效應(yīng)方面的弊端，本文從施工過程中空間效應(yīng)的角度，對目標斷面S0+06進行位移場及支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力場兩個方面的計算結(jié)果進行分析。

3.4.1位移場分析

(a)掌子面位于S0+06；(b)掌子面位于S0+42圖4　豎向位移云圖Fig.4 Vertical displacement nephogram

圖5　位移隨掌子面變化曲線Fig.5 Displacement change curve with tunnel face

圖6　位移變化速率隨掌子面變化散點圖Fig.6 Displacement change rate with tunnel face

關(guān)鍵點掌子面S0+06(到達目標面)S0+09(上臺階完成)S0+16(下臺階完成)S0+20(隧底完成)地表/%12.1724.2461.0076.94拱頂/%13.2923.4360.0778.11隧底/%12.8926.2671.4485.24

圖5～6及表4表明：

1)掌子面到達目標斷面時，各豎向位移已基本完成約13%，初支封閉成環(huán)后，已基本完成80%左右，在遠離目標斷面25 m左右時，已基本趨于穩(wěn)定，地表沉降終值為22.03 mm，拱頂沉降為27.32 mm，臨時仰拱沉降為33.12 mm，隧底隆起為23.04 mm。

2)豎向位移變化率在上臺階中隔壁拆除前一直增大，拆除后逐漸減小，即豎向位移變化率最大時刻發(fā)生在上臺階中隔壁拆除后的下一步掘進中，此時，地表豎向位移變化率達到1.51 mm/m，即掌子面向前掘進1 m，引起的地表沉降位移變化了1.51 mm，拱頂達到2.17 mm/m，隧底達到1.99 mm/m，由于臨時仰拱的突然懸空，其位移變化速率達到2.99 mm/m。

3)上臺階中隔壁在第④部每次開挖之前拆除，由于支護結(jié)構(gòu)的不完全穩(wěn)定雖然會造成位移變化率的波動，但除臨時仰拱外，變化率的變化范圍很小，一般小于0.5 mm/m，且上臺階中隔壁的提前拆除對已經(jīng)初支封閉成環(huán)部分影響很小。

(a)掌子面位于S0+06;(b)掌子面位于S0+42圖7　最大主應(yīng)力云圖Fig.7 Maximum principal stress nephogram

(a)掌子面位于S0+06;(b) 掌子面位于S0+42圖8　最小主應(yīng)力云圖Fig.8 Minimum principal stress nephogram

(a)最大主應(yīng)力;(b)最小主應(yīng)力圖9　支護結(jié)構(gòu)主應(yīng)力隨掌子面位置曲線Fig.9 Principal stress curve of support structure with tunnel face

3.4.2支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力場

圖7～9表明：

1)支護結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵點處主應(yīng)力的變化規(guī)律基本一致，且最小主應(yīng)力與最大主應(yīng)力穩(wěn)定值也基本相同，即在此支護條件下，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時處于較好的受力狀態(tài)。

2)在上臺階中隔壁拆除之前，各關(guān)鍵點處主應(yīng)力逐漸增大，上臺階中隔壁拆除后，即掌子面到達S0+16 m時，左右拱腳處最大主應(yīng)力出現(xiàn)急劇變化，但很快穩(wěn)定，且左右拱腳都呈現(xiàn)三向受壓的有利狀態(tài)，即上臺階中隔壁的提前拆除引起支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力調(diào)整及受力性能改善；在掌子面到達S0+20 m，即初支封閉成環(huán)后，上臺階各關(guān)鍵點處主應(yīng)力達到穩(wěn)定。

3)下臺階左右墻腳處主應(yīng)力在初支封閉成環(huán)后出現(xiàn)急劇調(diào)整，但很快呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢，同樣轉(zhuǎn)為三向受壓狀態(tài)。

4)下臺階③④部施工完成，左右墻腳主應(yīng)力變化規(guī)律一致，且其達到穩(wěn)定狀態(tài)所需時間遠大于上臺階左右拱腳處，且左右墻腳處主應(yīng)力值也大于左右拱腳。

5)上臺階中隔壁施做后，中隔壁處主應(yīng)力逐漸增大，待上臺階支護結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)后，中隔壁受力很快趨于穩(wěn)定。

4基于現(xiàn)場測試的上臺階中隔壁法安全性分析

試驗段在采用上臺階中隔壁法施工后，30 d左右安全順利完成，本節(jié)基于現(xiàn)場施工監(jiān)控量測數(shù)據(jù)對S0+06斷面的拱頂、地表及地下電纜管線的豎向位移變形進行分析，其中，電纜管線沿隧道縱向，距拱頂垂直距離僅6 m，電纜3位于拱頂正上方，電纜1位于邊墻正上方，電纜2位于二者中間。

圖10～11表明：

1)豎向位移變化趨勢與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，但由于數(shù)值模擬施工處在理想環(huán)境下造成實際沉降值稍大于模擬值，拱頂、地表最大沉降值分別為35.99和23.41 mm，滿足施工安全性的要求。

圖10　監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖Fig.10 Monitoring data curve

圖11　監(jiān)測數(shù)據(jù)變化速率散點圖Fig.11 Monitoring data change rate

2)上臺階中隔壁的提前拆除會造成拱頂處沉降突然增大，最大變化值達到了2.28 mm/d，但很快趨于平緩，地表及電纜沉降速率未突然增大，隨著掌子面的推進，沉降速率逐漸變緩，待初支封閉成環(huán)后，沉降速率控制在0.8 mm/d以內(nèi)，并逐漸趨于0。

5結(jié)論

1)軟弱圍巖條件下分部開挖隧道采用上臺階中隔壁法施工，地表沉降最大值為23.41 mm，位于拱頂上方僅6 m的電纜沉降值分別為24.57，22.33和21.96 mm，且未出現(xiàn)沉降速率過大的情況，未有安全事故發(fā)生，表明了該工法的可靠性。

2)45 m長度的試驗段在30 d左右順利完工，體現(xiàn)了該工法在施工進度方面的優(yōu)越性；未施作下臺階中隔壁，不僅節(jié)約了材料成本，而且操作空間的增大提高了機械使用效率，降低了勞動力成本，達到了優(yōu)化的目的。

3)上臺階支護封閉成環(huán)后臨時中隔壁受力趨于穩(wěn)定和上臺階中隔壁拆除后位移變化趨勢及結(jié)構(gòu)的應(yīng)力調(diào)整，都表明上臺階中隔壁的提前拆除是合理的，但處于懸空狀態(tài)的臨時仰拱需要根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測情況及時拆除以免對結(jié)構(gòu)帶來不利影響。

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(編輯蔣學東)

Adaptation research on construction method of step-wise excavation tunnel based on the process simplification

WANG Yuehui1, WANG Wei2, BIAN Jiasheng2

(1.China Railway Tunnel Group Co., LTD. ,Hangzhou Company, Hangzhou 310000,China;2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Abstract:The ultilization of CRD method in shallow tunnel construction under weaken surrounding rock masses faces various problems, which include frequent disturbing of the surrounding rock mass, transformation process complex, construction progress slow, narrow construction operating space and etc. In order to improve the problems and make it better apply to steep-wise excavation tunnel, this paper took a test section of a certain step-wise excavation tunnel in Hangzhou as the research object. Based on the benefit analysis of technology, construction period and economy, environment and society, the original CRD and get Up Cross Diagram method were optimized on the basis of guaranteeing the comprehensive benefit maximization. Revealing the deformation characteristics of surrounding rock and the supporting structure stress characteristics under the new method by means of theoretical analysis and numerical simulation calculation. Finally, through the analysis of monitoring data in the test section, verified the reliability of Up Cross Diagram method. Successful application in the test section not only lays the foundation for popularization in this hidden digging section，but also provides future reference and guidance for the similar step-wise excavation tunnel construction

Key words：construction method; step-wise excavation tunnel; process optimization; up cross diagram; adaptation; weak surrounding rock

中圖分類號：U25

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)02-0332-08

通訊作者：王薇(1969-)，女，湖南醴陵人，副教授，博士，從事隧道結(jié)構(gòu)計算與分析及長大隧道災害防治研究；E-mail: wangweicsu@csu.edu.cn

基金項目：中鐵隧道集團科技創(chuàng)新計劃資助項目(201330)

收稿日期：2015-06-21