軟弱圍巖地層CRD法施工隧道沉降數(shù)值模擬分析

王 鵬

（華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司,江蘇 南京 210014）

0 引言

隨著城市交通的飛速發(fā)展，城市對(duì)地鐵建設(shè)的需求日益增多，國(guó)家隧道工程也快速發(fā)展，在隧道建設(shè)過程中，通常會(huì)遇到隧道近距離下穿既有建筑或道路的情況，且大多數(shù)情況為淺埋隧道[1]。淺埋隧道在開挖時(shí)，若施工方法不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致地表產(chǎn)生過大沉降，進(jìn)而破壞地表現(xiàn)狀的建筑物及道路，因此選擇合適的施工方式控制地表沉降尤為重要。目前開挖隧道常用的方法有交叉中隔壁法（CRD法）、中隔壁法（CD法）、雙側(cè)壁導(dǎo)洞法以及三臺(tái)階法。其中CRD法同時(shí)具有臺(tái)階法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的優(yōu)點(diǎn)，適用于對(duì)施工擾動(dòng)較為敏感的軟弱圍巖地層，以及嚴(yán)格要求地面沉降的工程[2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同開挖方法、施工工序?qū)λ淼赖乇沓两档挠绊懻归_了諸多數(shù)值模擬分析。嚴(yán)鵬飛[3]建立數(shù)值模型，分析不同隧道埋深對(duì)地表沉降的影響。結(jié)果表明，隨著埋深的增加，拱頂沉降表現(xiàn)為先增加后減小，當(dāng)隧道埋深為3倍隧道開挖直徑時(shí)，拱頂沉降達(dá)到最大，約為6.7 mm。黃春峰[4]以烏魯木齊地鐵河南路段工程為依托，使用PFC3D軟件，分析新建隧道下穿既有隧道時(shí)對(duì)既有隧道的豎向位移影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)新建隧道開挖至既有隧道下方時(shí)，已建隧道豎向位移變化較大，但未發(fā)生明顯位移突變。梁海濤等[5]基于張家口東太平山隧道工程，采用Midas GTS/NX數(shù)值模擬軟件，從豎向沉降、拱頂沉降、仰拱隆起、水平收斂和地表沉降五個(gè)方面對(duì)比了不同施工工法對(duì)隧道變形控制效果。柳之森[6]基于武漢地鐵5號(hào)線彭司區(qū)間隧道工程，探討了軟弱圍巖條件下CRD工法開挖地鐵隧道的施工重難點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)需及時(shí)做好上部圍巖監(jiān)測(cè)，防止坍塌。屈文彬[7]使用Ansys建立軟弱砂巖CRD法隧道開挖模型，分析了初期支護(hù)的變形情況與應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)模型水平位移值較小，而拱頂沉降與拱底隆起變化較大，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，最后提出施工建議：實(shí)際施工中應(yīng)考慮預(yù)留核心土，增大開挖掌子面開挖步距，以減小地層擾動(dòng)，保證施工的安全性。

該文以大頂山隧道下穿沈丹高速公路工程為依托，采用ANSYS建立巖石層與隧道模型，采用FLAC3D有限差分軟件建立軟弱圍巖地層CRD法施工隧道的三維模型，并與CD法、雙側(cè)壁導(dǎo)洞法進(jìn)行對(duì)比，研究在不同工法作用下，隧道施工時(shí)的地表沉降變化規(guī)律，研究成果可為后續(xù)類似施工工程提供參考。

1 工程概況及施工工法

1.1 工程概況

該隧道下穿沈丹高速公路，與公路交叉角度為60°。隧道開挖頂面與路面凈距約為13.2 m，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，多為水平層理薄層狀頁(yè)巖、強(qiáng)風(fēng)化、巖體破碎，節(jié)理發(fā)育與巖體條件差，極易發(fā)生坍塌甚至冒頂。圍巖中含有裂隙水，地表有山間流水，且圍巖裂隙與山間地表存在連通的可能性。

1.2 CRD施工工法

CRD工法，又稱交叉中隔壁法。CRD工法施工步驟：首先開挖左側(cè)上導(dǎo)洞①，間隔一定距離后開挖左側(cè)下導(dǎo)洞②，在中間部位做中隔壁，起臨時(shí)支撐作用，然后開始右側(cè)上導(dǎo)洞③，間隔一定距離開挖右側(cè)下導(dǎo)洞④，最后開挖⑤部，及時(shí)施作第二層初期支護(hù)，并及時(shí)施作仰拱，如圖1所示[8]。CRD工法將隧道分為5個(gè)部分錯(cuò)距開挖，開挖過程中步步成環(huán)，提高了施工的安全性，可有效控制水平與豎向位移，適用于開挖直徑較大、地層條件較差的不穩(wěn)定巖體，和嚴(yán)格要求地面沉降的地下工程。

圖1 CRD法施工工序圖

2 數(shù)值模型

2.1 數(shù)值模型建立

隧道下穿高速公路區(qū)域內(nèi)圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，工程地質(zhì)條件較差，計(jì)算模型時(shí)采用摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則。有限元模型計(jì)算范圍在水平方向通常取3~5倍的車站主體隧道跨度，在豎直方向向上取至地表。根據(jù)該工程實(shí)際地質(zhì)條件，該模型水平方向取3倍隧道跨度，約為105 m；在豎直方向，向上至地表，隧道底部向下取至2倍隧道開挖直徑，深度約為64 m；模型縱向長(zhǎng)度按50 m計(jì)算。

模型上部地表設(shè)置為自由邊界，隧道四個(gè)側(cè)面約束模型的水平位移，底部約束模型的豎向位移，初始應(yīng)力場(chǎng)考慮為自重應(yīng)力場(chǎng)。基本可變荷載主要為地面超載、交通荷載、設(shè)備荷載以及施工荷載?？紤]隧道上方交通荷載的影響，均布荷載按50 kN/m2考慮。計(jì)算模型圖如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型

2.2 模擬分析結(jié)果

將隧道分成5個(gè)小導(dǎo)洞分別開挖，建立二維模型，模擬各分部開挖。開挖過程中各部分沉降規(guī)律如圖3所示，工后整體沉降云圖如圖4所示。

圖3 CRD工法分步開挖位移云圖

圖4 CRD工法工后模型整體沉降云圖

在模擬開挖過程時(shí)，設(shè)置21個(gè)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，從隧道中心開始沿橫向每3 m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)控范圍為60 m，每側(cè)各30 m；縱向分別于路面-0.5 m、-15 m、-25 m、-35 m、-49.5 m處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。各部開挖結(jié)束后地表監(jiān)控點(diǎn)的整體沉降如圖5所示。

圖5 CRD工法工后地表沉降

從CRD分步開挖位移云圖3可知，開挖左導(dǎo)洞，即①②導(dǎo)洞開挖時(shí)，①②導(dǎo)洞開挖造成的沉降差較小。當(dāng)開始開挖右側(cè)上導(dǎo)洞③時(shí)，地表沉降突變明顯。當(dāng)④⑤導(dǎo)洞開挖時(shí)，沉降值變化。當(dāng)臨時(shí)支撐拆除后，沉降值增加較小。因此，不難發(fā)現(xiàn)：在右導(dǎo)洞開挖時(shí)，特別是③導(dǎo)坑，以及臨時(shí)支撐拆除這幾個(gè)過程，地表沉降突變明顯，在施工過程中應(yīng)注意其突變，必須嚴(yán)格按照施工圖施工，并及時(shí)噴射混凝土、施做初期支護(hù)，提高監(jiān)測(cè)頻率。從CRD工法工后模型整體沉降云圖4以及工后地表沉降圖5可知，地表最大沉降發(fā)生在隧道上方中心線位置，地表沉降最大值約為3.7 mm，且隧道兩側(cè)沉降沿隧道中心線對(duì)稱分布。

3 CRD法與CD法、雙側(cè)壁導(dǎo)洞法沉降對(duì)比

3.1 CD法

采用CD法施工，工后地表沉降如圖6所示，隧道上方地表沉降最大值為6.40 mm，發(fā)生在隧道中心線正上方，距地面0.5 m處，隨著埋深增加沉降減?。怀两抵祻乃淼乐行木€上方向兩側(cè)遞減，且隧道上方地表兩側(cè)沉降沿隧道中心線近似對(duì)稱分布。

圖6 CD工法工后地表沉降

3.2 雙側(cè)壁導(dǎo)洞法

雙側(cè)壁導(dǎo)洞法工后地表沉降如圖7所示，由圖可知，各路面斷面沉降差別較小，隧道上方地表沉降最大值為5.50 mm，發(fā)生在隧道中心線正上方，沉降值從隧道中心線上方向兩側(cè)遞減，隧道兩側(cè)沉降沿中心線對(duì)稱分布。

圖7 雙側(cè)壁導(dǎo)洞法工后地表沉降

4 結(jié)論

該文依托大頂山隧道下穿沈丹高速公路工程，研究了不同施工工法的分部開挖地表沉降規(guī)律。主要結(jié)論如下：

（1）應(yīng)用CRD施工方法在①號(hào)導(dǎo)坑開挖時(shí)，地表沉降變化明顯，同時(shí)③開挖以及臨時(shí)支撐拆除時(shí)沉降變化也相對(duì)比較明顯，所以施工過程中上臺(tái)階開挖時(shí)應(yīng)特別注意，必須及時(shí)施做初期支護(hù)，同時(shí)提高監(jiān)測(cè)頻率，根據(jù)監(jiān)測(cè)情況采取相應(yīng)措施以保證施工安全。

（2）施工過程中隧道最大沉降發(fā)生在隧道中心線上方，且隧道兩側(cè)沉降沿中心基本呈對(duì)稱分布。CRD法、CD法、雙側(cè)壁導(dǎo)洞法3種施工方法工后最大沉降分別為3.6 mm、6.4 mm、5.5 mm，說(shuō)明CRD施工在地表沉降控制方面表現(xiàn)較好。