CRD法和臺(tái)階法施工對(duì)地鐵隧道圍巖變形的影響分析

劉小川

摘 要：本文將以青島地鐵1號(hào)線水開(kāi)區(qū)間隧道工程為基礎(chǔ)，應(yīng)用CRD法（交叉中隔墻法）以及臺(tái)階法動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)隧道施工過(guò)程中圍巖變形狀況，回歸處理數(shù)據(jù)信息，借助相應(yīng)軟件模擬分析這兩種方法。在相關(guān)研究中可知，借助CRD法一般可以更有效地對(duì)水平收斂量以及拱頂沉降加以控制，使圍巖受到施工擾動(dòng)的程度降低，在維持圍巖穩(wěn)定性、自持能力上作用明顯。與此同時(shí)，施工過(guò)程中借助臺(tái)階法可以使快速開(kāi)挖隧道得以實(shí)現(xiàn)，但是在有較高施工要求或者有復(fù)雜地層條件區(qū)域中還應(yīng)采用CRD法展開(kāi)施工，從而進(jìn)一步對(duì)圍巖變形加以控制，使圍巖保持穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：CRD法；臺(tái)階法；地鐵隧道施工；圍巖變形；施工質(zhì)量

中圖分類號(hào)：U451.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-9052（2020）04-0182-02

如今地鐵隧道施工過(guò)程中常用的開(kāi)挖法主要有臺(tái)階法、中壁法以及雙側(cè)導(dǎo)坑開(kāi)挖法等。在不同環(huán)境、條件下，一般會(huì)采用不同的方法。因此，在實(shí)際篩選施工方案的時(shí)候，需要按照工程要求、地質(zhì)狀況、周邊環(huán)境以及隧道埋深與斷面等進(jìn)行綜合篩選。在此過(guò)程中，不同開(kāi)挖方法會(huì)在不同程度上影響圍巖，而在對(duì)比不同方法圍巖的變形特征時(shí)，能幫助施工部門明確特定環(huán)境中各類方法的優(yōu)劣性，進(jìn)而篩選出最合適的施工方法。

1 工程概況

1.1 工程實(shí)例

青島市地鐵1號(hào)線水開(kāi)區(qū)間兩站點(diǎn)之間全長(zhǎng)約為1354.5m。在此區(qū)間，拱頂埋深16～26m，主要穿越地層為微風(fēng)化花崗巖，Ⅱ～Ⅳ級(jí)圍巖。沿線下穿、側(cè)穿建筑物較多，距離爆破點(diǎn)最近建筑物距離為12.2m，此處地層地址主要為素填土、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中等風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖、花崗巖（塊狀碎裂巖）。除此之外，區(qū)間地下水類型為潛水，其穩(wěn)定的水位埋深達(dá)14～21m，具有超過(guò)約7m的高差，此處地下水主要的流向?yàn)橛杀毕蚰希撍淼赖亩瓷韺?huì)受到地下水的影響。

本段區(qū)間隧道的斷面結(jié)構(gòu)類型包括：人防段斷面、標(biāo)準(zhǔn)斷面、渡線段（擴(kuò)大段）。其中，渡線段采用的施工方法為CRD法；而標(biāo)準(zhǔn)斷、人防段采用的施工方法為臺(tái)階法。本文將對(duì)此工程中典型的監(jiān)測(cè)斷面作為分析案例，分別研究臺(tái)階法與CRD法所引發(fā)圍巖變形的主要規(guī)律。

1.2 圍巖變形監(jiān)測(cè)

借助相應(yīng)數(shù)顯收斂?jī)x來(lái)監(jiān)測(cè)圍巖變形狀況，主要的監(jiān)測(cè)內(nèi)容包含了凈空水平收斂量測(cè)以及拱頂沉降量測(cè)[1]。充分考慮CRD法和臺(tái)階法的各自施工特征布置測(cè)點(diǎn)，其中因?yàn)榧茉O(shè)了臨時(shí)性的橫支撐，因此需要布設(shè)的凈空水平收斂測(cè)線為2條。在監(jiān)測(cè)拱頂沉降的時(shí)候，需要按照“三角形測(cè)量”的原理展開(kāi)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。應(yīng)當(dāng)注意的是，凈空水平收斂量測(cè)以及拱頂沉降量測(cè)相應(yīng)監(jiān)測(cè)作業(yè)需要在相同斷面中展開(kāi)，同時(shí)采用的量測(cè)頻率也應(yīng)該相同[2]。

2 數(shù)值模擬

第一，對(duì)拱部的小導(dǎo)管展開(kāi)超前預(yù)注漿，對(duì)左側(cè)導(dǎo)坑的第一部分土體進(jìn)行分部開(kāi)挖，并且將臨時(shí)性仰拱架設(shè)于此，以便形成初期的支護(hù)。

第二，對(duì)第二部分的土體進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)，同樣形成初期的支護(hù)。

第三，對(duì)拱部的小導(dǎo)管展開(kāi)超前預(yù)注漿，對(duì)左側(cè)導(dǎo)坑的第三部分土體進(jìn)行分部開(kāi)挖，并且將臨時(shí)性仰拱架設(shè)于此，以便形成初期的支護(hù)。

第四，對(duì)第四部分的土體進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)，同樣形成初期的支護(hù)。

以短臺(tái)階法對(duì)斷面進(jìn)行開(kāi)挖，在對(duì)上半部斷面展開(kāi)相應(yīng)作業(yè)的時(shí)候，需要對(duì)核心土進(jìn)行保留，從而將掌子面當(dāng)中三維支撐的作用充分發(fā)揮出來(lái)，以便確保掌子面穩(wěn)定性。在開(kāi)挖作業(yè)中，主要采用的開(kāi)挖方式為人工開(kāi)挖，需要確保臺(tái)階達(dá)到3.5m的長(zhǎng)度，保持鋼拱架有0.5m的間距。在正式開(kāi)始開(kāi)挖作業(yè)后，應(yīng)該在第一時(shí)間施做臨時(shí)性支護(hù)以及初期支護(hù)，使斷面被及時(shí)封閉。此過(guò)程的主要作業(yè)步驟是：超前注漿小導(dǎo)管→開(kāi)挖上臺(tái)階，對(duì)核心土進(jìn)行保留→在上臺(tái)階進(jìn)行初期支護(hù)→開(kāi)挖下部→對(duì)下部進(jìn)行初期支護(hù)→對(duì)防水層展開(kāi)施工→先行仰拱。另外，還要采用“先墻后拱”的方法展開(kāi)二次鋼混襯砌施工。

技術(shù)人員在施工過(guò)程中借助相應(yīng)軟件模擬CRD法以及臺(tái)階法開(kāi)挖隧道的過(guò)程。同時(shí)，為了確保以上述方法更有效地研究圍巖變形所受的相應(yīng)影響，應(yīng)保證兩個(gè)模型保持相似。開(kāi)挖作業(yè)的模擬情況應(yīng)該根據(jù)實(shí)際工序展開(kāi)，并根據(jù)實(shí)際支護(hù)方式展開(kāi)模擬。在兩種方法的對(duì)應(yīng)模擬階段，需要各自設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)（3個(gè)），分別是右拱腰水平收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)、拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及左拱腰水平收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3 實(shí)測(cè)與模擬分析圍巖變形

能夠直接反映隧道圍巖變形狀況的因素，便是隧道水平收斂以及拱頂沉降，其能夠?qū)⒖煽啃畔?shù)據(jù)提供給對(duì)隧道空間穩(wěn)定性展開(kāi)判斷的工作當(dāng)中。在隧道施工階段，需要在第一時(shí)間將監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置到設(shè)計(jì)斷面當(dāng)中，同時(shí)展開(kāi)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而獲得拱頂沉降伴隨時(shí)間改變而發(fā)生變化的主要規(guī)律。在分析拱頂沉降的規(guī)律時(shí)，還應(yīng)借助相應(yīng)軟件模擬施工的整體流程，進(jìn)而經(jīng)由對(duì)比驗(yàn)證以上分析途徑，深入研究?jī)煞N方法在應(yīng)用過(guò)程中圍巖的變形狀況及其規(guī)律。

3.1 回歸分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

在每一次觀測(cè)隧道的收斂量或者沉降量之后，便需要回歸分析各個(gè)量測(cè)斷面當(dāng)中的每一條測(cè)線，將各自的回歸方程求出來(lái)，進(jìn)而對(duì)圍巖變形的特征展開(kāi)深入分析，對(duì)其變形規(guī)律加以掌握。借助回歸分析采用臺(tái)階法拱頂沉降的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)候，需要優(yōu)先按照標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)曲線和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)信息相應(yīng)曲線的關(guān)聯(lián)程度對(duì)最優(yōu)回歸曲線的函數(shù)形式加以確定，而最常用到的回歸曲線主要是指數(shù)函數(shù)。在實(shí)際分析過(guò)程中得知，得出的實(shí)測(cè)信息數(shù)據(jù)和回歸曲線有著較好的準(zhǔn)確性以及相關(guān)性，可以較為精準(zhǔn)地將拱頂沉降變化趨勢(shì)反映出來(lái)[3]。

3.2 分析拱頂沉降

當(dāng)開(kāi)挖隧道施工進(jìn)行到預(yù)設(shè)監(jiān)測(cè)斷面的時(shí)候，便應(yīng)該在第一時(shí)間布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)伴隨掌子面的持續(xù)推進(jìn)展開(kāi)收斂監(jiān)測(cè)工作。在分析相應(yīng)數(shù)據(jù)信息時(shí)，采用CRD法與臺(tái)階法展開(kāi)施工的過(guò)程中，拱頂沉降的主要特征為：

第一，在拱頂沉降逐漸穩(wěn)定之前，相應(yīng)曲線主要包含緩慢增長(zhǎng)以及快速增長(zhǎng)這兩個(gè)階段，而對(duì)應(yīng)拱頂沉降的速率總體變化曲線呈現(xiàn)漸漸降低的狀況，然而同時(shí)都伴有一定波動(dòng)出現(xiàn)。在有關(guān)人員的分析過(guò)程中可知，在上臺(tái)階開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖也會(huì)出現(xiàn)較為明顯的拱頂沉降現(xiàn)象。在開(kāi)挖下臺(tái)階的時(shí)候，隧道圍巖的變形速率提升得很明顯。這主要是因?yàn)樵陂_(kāi)挖掌子面時(shí)，裸露在外的土體會(huì)持續(xù)增大，使得土體受到的擾動(dòng)同時(shí)加大，進(jìn)而提升了圍巖的變形速率。

第二，在采用以上兩種方法展開(kāi)施工的時(shí)候，不同的拱頂沉降發(fā)展階段有著不同的持續(xù)時(shí)間。一是在借助CRD法展開(kāi)施工的時(shí)候，拱頂沉降快速增長(zhǎng)會(huì)持續(xù)7d左右，而8～17d處于緩慢增長(zhǎng)狀態(tài)，在埋設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)17d之后，整體變化逐漸穩(wěn)定下來(lái)；二是在借助臺(tái)階法展開(kāi)施工的時(shí)候，拱頂沉降快速增長(zhǎng)會(huì)持續(xù)10d左右，而在之后的13d中處于緩慢增長(zhǎng)狀態(tài)，在埋設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)23d之后，整體變化漸漸穩(wěn)定下來(lái)。

第三，在采用以上兩種方法展開(kāi)施工的時(shí)候，不同的拱頂沉降發(fā)展階段有著不同的沉降速率與幅度。其中，經(jīng)過(guò)計(jì)算便能夠獲得相應(yīng)速率、幅度。此外，從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中能夠得知，在采用兩種方法展開(kāi)隧道施工的時(shí)候，拱頂沉降的速率變化呈現(xiàn)出一定的周期性，通過(guò)有關(guān)軟件的模擬分析，便可以較為精準(zhǔn)地得出相應(yīng)最大拱頂沉降量。

在實(shí)際分析和對(duì)比過(guò)程中得知，在隧道圍巖整體變形的過(guò)程中，臺(tái)階法會(huì)引起比CRD法更大的拱頂沉降量。與此同時(shí)，在以CRD法展開(kāi)施工時(shí)，其對(duì)應(yīng)拱頂沉降變形持續(xù)的時(shí)間以及速率等也較小。由此可見(jiàn)，采用CRD法展開(kāi)此項(xiàng)施工的時(shí)候，其引發(fā)拱頂擾動(dòng)的程度更低，使得圍巖在受到擾動(dòng)之后可以更為迅速地穩(wěn)定下來(lái)。

3.3 分析水平分?jǐn)?/p>

在施工過(guò)程中監(jiān)測(cè)水平收斂時(shí)，也能夠?qū)鷰r變形規(guī)律反映出來(lái)。然而因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況有限，很難及時(shí)監(jiān)測(cè)拱腰，因此往往會(huì)借助“雙測(cè)線法”來(lái)監(jiān)測(cè)水平收斂。結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息可知，采用CRD法以及臺(tái)階法展開(kāi)此項(xiàng)施工的時(shí)候，水平收斂特征如下：

第一，兩種方法在施工過(guò)程中引起水平收斂和拱頂沉降的變化趨勢(shì)基本是相同的，整體處于先快速收斂、隨后漸漸變緩直至穩(wěn)定。另外，在不同開(kāi)挖階段，水平收斂變化規(guī)律各不相同。

第二，在應(yīng)用CRD法和臺(tái)階法展開(kāi)施工的時(shí)候，會(huì)伴隨不同水平收斂量呈現(xiàn)出不同的發(fā)展持續(xù)時(shí)間。一是以CRD法展開(kāi)施工時(shí)，上測(cè)線水平收斂量的快速收斂將會(huì)持續(xù)8d左右，而在22d后水平收斂逐漸穩(wěn)定；二是以臺(tái)階法展開(kāi)施工時(shí)，上測(cè)線水平收斂量的快速收斂將會(huì)持續(xù)13d左右，而在28d后水平收斂逐漸穩(wěn)定。

第三，在采用兩種方法展開(kāi)施工的時(shí)候，不同階段拱頂沉降收斂速率與幅度也會(huì)各不相同，通過(guò)相應(yīng)計(jì)算方式便可得到兩種方法各自上、下測(cè)線快速收斂階段當(dāng)中的平均收斂速度、最大收斂速度以及累計(jì)收斂量等。與此同時(shí)，從相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)當(dāng)中可知，以上述兩種方法展開(kāi)施工的時(shí)候，其對(duì)應(yīng)水平收斂速率變化呈現(xiàn)一定周期性，這主要是因?yàn)楦髯允┕さ墓ば驅(qū)?huì)受到拱腰兩側(cè)的不同影響。

在實(shí)際分析和對(duì)比過(guò)程中得知，開(kāi)展開(kāi)挖作業(yè)時(shí)CRD法相比于臺(tái)階法，其引起水平收斂的量更小。同時(shí)因?yàn)楦鞒两党掷m(xù)變形的時(shí)間及其速率也較小，證明CRD法可以在很大程度上確保圍巖穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

總體而言，從本文涉及工程案例當(dāng)中可知，圍巖變形通常都會(huì)經(jīng)歷三個(gè)階段，即快速變形、緩慢變形以及穩(wěn)定時(shí)期。借助相關(guān)軟件展開(kāi)模擬后得知，施工不同階段會(huì)造成圍巖呈現(xiàn)出不同變形狀況，而CRD法和臺(tái)階法使得各階段變形持續(xù)時(shí)間各不相同，其中CRD法往往可以在很大程度上確保圍巖穩(wěn)定，這主要是因?yàn)槠涫┕すば驍_動(dòng)圍巖的程度比臺(tái)階法更小，進(jìn)而可以對(duì)水平收斂量以及拱頂沉降進(jìn)行有效控制。如果需要用臺(tái)階法施工，則要盡量將仰拱間距減小來(lái)確保底部圍巖保持穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

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[3]李越.新建地鐵下穿既有區(qū)間隧道的暗挖工法對(duì)沉降變形的影響分析[D].北京交通大學(xué)碩士論文，2017.

（責(zé)任編輯：李凌峰）