廈門翔安海底隧道陸域淺埋段CRD法變形分配控制方法研究

王學斌

(廈門路橋建設集團有限公司，福建 廈門 361009)

廈門翔安海底隧道陸域淺埋段CRD法變形分配控制方法研究

王學斌

(廈門路橋建設集團有限公司，福建 廈門 361009)

基于變形分配理論、數值模擬和現場監測，研究了廈門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法施工變形機理，得到合理開挖順序和變形分配控制標準，提出控制導坑封閉時間、導坑間距以及臺階長度等有效的變形控制措施，成功把施工變形控制在目標范圍，避免發生超限變形和坍塌，大大提高施工進度，并確保了施工安全。研究成果和工程應用經驗對后續類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

控制開挖變形量是保證隧道施工安全和減少對鄰近構造物影響的關鍵所在。大斷面隧道淺埋暗挖常采用CRD法分部開挖，其變形總量在分部開挖過程中累積產生，難以直接控制。變形分配控制方法是通過研究各分部開挖對總變形量的貢獻，分階段實施過程控制，有利于最終變形總量控制和現場實施，在工程實踐中成效良好[1-2]。但變形分配機制與水文地質條件、隧道斷面尺寸、分部開挖方法、支護參數等密切相關，必須針對實際工程具體研究[3-4]。

廈門翔安海底隧道兩端陸域和淺灘均為全強風化花崗巖地層，行車隧道為三車道大斷面隧道，毛洞開挖寬度約17.0m、高約12.5m，開挖斷面積達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，極易發生超限變形，建設初期曾多次出現異常變形，部分地段噴射混凝土開裂、初期支護嚴重變形等狀況。為更好控制變形，避免發生超限換拱和坍塌，減少損失，確保施工安全，筆者基于變形分配理論和現場監測研究了廈門翔安海底隧道變形分配機理和變形控制方法，并對現場應用實踐經驗進行總結。

1 分部開挖變形累積過程分析

隧道分部開挖產生的變形是一個由開挖卸載引起的動態累積過程。以圓形斷面洞室為例，假設洞室半徑為r0，圍巖為粘彈性體，依據Kelvin蠕變模型，由蠕變規律得到蠕變量為：

(1)

式中，E1為巖體彈性模型；c1、k1為與地層有關的材料常數。

隧道開挖過程中，應力釋放過程可表示為：

σ(t)=σz(1-0.7e-mt)

(2)

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

(3)

(4)

綜上，最終引起的地層的徑向位移增量為：

(5)

2 變形控制標準

2.1計算模型

基于上述理論分析，采用FLAC3D數值模擬。實際施工中，服務隧道斷面較小采用臺階法超前開挖60～100m，超前2～3個月；行車隧道采用CRD法開挖，有2種開挖順序，即CRD1-2-3-4和CRD1-3-2-4，如圖1所示。左、右線行車隧道由不同單位施工，錯開間距為50～80m，錯開時間2～3個月，三孔隧道施工相互影響很小，可忽略。選取左線行車隧道典型地段(里程樁號ZKl2+40)，平均覆土厚度12m，建立模型(見圖2)。計算采用圍巖物理力學指標如表1所示。根據相關文獻和工程經驗，在數值分析過程中注漿超前小導管采用提高加固區c、φ值的方法進行模擬。根據現場施工經驗，相鄰導坑掌子面間距取10m，導坑內臺階長度取5m。

圖1 CRD法開挖順序及位移監測點布置 圖2 計算模型圖

表1 圍巖物理力學指標

2.2計算結果分析

表2 2種開挖順序下CRD1部拱頂下沉量

計算表明，CRD法施工拱頂下沉絕對值較大，而隧道整體水平收斂絕對值較小。拱頂下沉是CRD法安全性判斷的最敏感指標，也是設計和現場施工最直觀的控制指標。因此，重點分析拱頂下沉。

2種開挖順序下各導坑開挖引起CRD1部拱頂下沉增量及比例關系計算結果如表2所示。采用CRD1-2-3-4開挖比采用CRD1-3-2-4開挖拱頂下沉總量要大，這一規律得到現場監測驗證[5]。可見，采用CRD1-3-2-4開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，易產生拱頂下沉，CRD1-2-3-4施工時2部緊接1部在其正下方開挖，雖然開挖跨度較小，但1部下方缺乏支撐(2部采用臺階法開挖，臺階長度一般為5m，即從開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，2部在3部閉合后才開挖，此時隧道上半斷面左右都已封閉成環，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部尚未開挖，3部對1部可起到牽制和支撐作用，能有效減少2部開挖導致的1部下沉。表2還表明，2種開挖順序下，都是CRD1部開挖產生的拱頂下沉最大，應加以重點控制。

由此，建議采用CRD1-3-2-4開挖，被施工現場采納，下面僅分析該開挖順序。

2.3目標控制值的確定

翔安隧道兩端陸域及淺灘V級圍巖淺埋段最初設計預留變形量為120mm，實際施工中超標較多，現場監測表明，拱頂下沉一般超過200mm時初支開始出現開裂。根據上述計算結果，結合現場監測，且考慮到該地段隧頂上方無建筑物，以初支不破壞為準則，取200mm作為拱頂下沉總量控制值。根據既往工程經驗和變形分配原理，數值計算所得變形量與實際變形量會有所偏差，但各導坑變形分配比例關系和變形規律是比較準確的。因此，采用表2分配比例制定分階段變形控制目標，目標控制值如表3所示。

3 現場監控量測與變形控制措施

3.1現場監控量測

翔安隧道V級圍巖淺埋段CRD法施工一般每10m設置一個位移監測斷面，測點橫斷面布置如圖3所示。調取計算斷面附近的11個典型斷面實測資料(按CRD1-3-2-4開挖順序)，CRD1部最終拱頂下沉量為153～237mm，平均192mm。各導坑引起CRD1部拱頂下沉量實測統計如表4所示。由表4可見，各導坑變形分配比例實測值與上述理論計算基本一致。

表3 CRD1部拱頂下沉目標控制值(CRD1-3-2-4)

表4 實測CRD1部拱頂下沉統計(CRD1-3-2-4)

3.2變形控制措施

圖3 實測CRD1部拱頂下沉曲線

在極軟弱地段或施工組織不當時，變形可能超過控制目標，即發生異常變形，需分析原因并采取工程措施，盡可能按階段目標控制。主要措施如下：①施工總體原則“管超前、短進尺、強支護、早封閉、勤量測”，信息化施工，動態管理。②調整導坑封閉時間、設置合理的導坑間距及臺階長度是控制變形的主要措施。考察典型斷面CRD1部拱頂下沉實測曲線，如圖3所示，呈臺階狀上升。進一步分析表明，變形發展曲線上的反彎點和各導坑開挖、支護閉合有密切對應關系。可見，早封閉和合理間距有利于控制變形。CRD法各導坑初期支護小環閉合與整個斷面初期支護大環閉合所需的時間與現場施工工藝和工效直接相關，縮短臺階長度和相鄰導坑掌子面間距，可縮短小環和大環閉合時間，對控制最終拱頂下沉有利，但間距太小無法滿足施工場地要求且導坑相互影響對安全不利。翔安隧道現場施工經驗表明，相鄰導坑掌子面間距控制在10～15m，導坑內臺階長度控制在6 m以內，每循環開挖1.0～1.5m (極軟弱地段只允許開挖0.5m)后立即支護，重點加快上半斷面支護的閉合時間，是作業空間、掌子面開挖穩定性和“早封閉”之間較適合的平衡點，對控制最終拱頂下沉十分有效。③加強初期支護參數，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踐經驗。

3.3現場應用成效

上述變形分配控制標準、現場監測與變形控制措施應用于翔安海底隧道軟弱地層大斷面淺埋段CRD法。與工程建設初期相比，施工速度顯著提高，月均進尺從不足30m提高到60m，創同類地質條件下CRD法施工進度記錄，同時異常變形大幅減少，有效保證了施工安全。

4 結 語

推導了隧道分部開挖變形累積過程，結合數值模擬和現場監測，研究了廈門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法施工變形機理，得到合理開挖順序為CRD1-3-2-4，制定了變形分配控制標準，提出控制導坑封閉時間、導坑間距以及臺階長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難點，具有較好的借鑒意義。

[1]呂勤，張頂立，黃俊.城市地鐵暗挖施工地層變形機制及控制實踐[J].中國安全科學學報，2003，13(7)：29-34.

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

[3]夏才初，李永盛.地下工程測試理論與監測技術[M].上海：同濟大學出版社，1999.

[4]中華人民共和國行業標準編寫組.JTJ042-94公路隧道施工技術規范[M].北京：人民交通出版社，1994.

[5]張建斌.廈門翔安海底隧道陸域段CRD法位移監測分析[J].巖石力學與工程學報，2007，26(S2):3653-3657.

[編輯] 洪云飛

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

U456.3

A

1673-1409(2012)12-N125-04