巖溶地區大斷面淺埋暗挖隧道CRD 工法優化研究

劉成虎

（貴陽市公共交通投資運營集團有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引言

貴陽作為我國西南地區的重要城市，近年來正在加速推進城市地鐵的建設，由于該地區位于西南巖溶地區，在此處進行地鐵隧道工程所采用的CRD工法（交叉中隔壁法）已備受關注。由于巖溶地區CRD工法可借鑒的工程經驗較少。經查閱國內相關文獻，楊招等［1］通過增加錨桿數量，提高噴混強度，簡化臨時支護方法進行CRD工法優化；楊恩等［2］對臨時支撐結構、橫撐連接方式、中隔壁底部鋼架等部位進行優化研究；姚紅偉等［3］采用理論分析和現場試驗手段對CRD工法關鍵工序進行優化；汪正斌［4］從施工工序方面評估CRD工法對周邊環境的影響；杜亞江等［5］從施工步序調整及研究斷面選擇方面分析CRD工法對施工地表和隧道變形的差異；谷拴成等［6］分析了CRD工法各分部開挖時對拱頂沉降和水平收斂變化規律，并取得了一定的研究結果。

該文依托于貴陽地鐵3號線大營坡站—茶店站區間暗挖隧道工程，結合現場實際情況，進行CRD工法優化分析對隧道圍巖變形、圍巖應變、技術經濟及工期的影響，本研究對同類城市地鐵暗挖隧道工程CRD工法優化問題具有一定的參考價值。

1 工程背景

1.1 工程概況

貴陽地鐵3號線大營坡站—茶店站區間位于新添大道南段省二醫旁，沿新添大道南北向設置。該區間設臨時存車線，長度為263.5 m，開挖跨度12.7 m、高度10.1 m、開挖斷面達103 m2，為單洞雙線馬蹄形大斷面隧道，現場采用CRD工法施工，拱頂埋深10.1 m～11.4 m。大營坡站—茶店站區間隧道典型斷面見圖1。

圖1 大營坡站—茶店站區間隧道典型斷面

1.2 地質、水文情況

該區間位于中風化泥灰巖中，上部為雜填土、紅黏土，穿越巖層圍巖等級V級。勘察結果顯示，該段共圈定3個溶洞發育區，發育深度范圍基本在10.8 m～30.1 m之間，沿隧道中線方向發育寬度范圍一般在1.1 m～4.3 m。

該工程巖土物理力學性質參數值見表1。

表1 巖土物理力學性質參數值

1.3 周邊環境情況

該區間位于貴陽老城區市政主干道下方，交通繁忙，周邊建（構）筑物分布較密，人員密集，管線錯綜復雜。

2 大斷面淺埋暗挖隧道CRD工法比選和優化

2.1 CRD工法選取

在城市地鐵區間隧道暗挖工程施工中，應結合地質、周邊環境等情況，綜合對比工程造價、施工安全性及對周邊環境的影響、工序轉換難度、工期等因素后，再確定適宜的工法進行施工。常用的大斷面隧道暗挖工法對比分析如表2所示。

表2 大斷面隧道暗挖工法對比分析表

根據表2大斷面隧道暗挖工法沉降、支護、工序轉換和適用條件的特性，結合本區間巖溶發育情況，經過綜合比選，采用CRD工法進行區間隧道掘進可行。

2.2 CRD工法優化

2.2.1 工法優化原因

1）施工現場揭示的圍巖完整性較好，巖體較硬，針對此種工況下進行多次設備選型，常用的施工機具不能滿足現場施工要求。

2）該CRD工法施工上臺階開挖支護僅能采用人工和小型機具作業，上臺階斷面僅為21 m2。土石方及初期支護材料運輸僅能通過人工進行搬運，施工工效較低，且隨開挖段加長，工效單洞每天僅能開挖0.5 m，施工進度不能滿足工期要求［7］。

3）各工序作業時間長，掌子面暴露時間長，安全隱患大。

2.2.2 CRD工法優化設計

1）開挖左右上臺階（①部，②部）時，將原設計CRD工法橫向臨時支撐位置下移1.5 m，與初期支護拱架成環，以便滿足施工需要。

2）掌子面開挖采用左右側分幅，上下臺階法開挖，減少隧道開挖時對掌子面的擾動面積。

3）施工下部仰拱時，拆除下部橫向臨時支撐，置換為上部臨時橫撐，使初支拱架始終處于封閉成環的狀態，增加初期支護的剛度，確保圍巖的穩定性。

該工程CRD工法優化前后斷面見圖2。

圖2 CRD工法優化前后斷面圖

3 有限元模擬分析

3.1 模型建立

通過使用Midas-GTS軟件建立優化前、后的CRD工法模型，計算圍巖變形和應力變化。模型上邊界取至地面，左右邊界寬度為100 m，下邊界寬度取值為距離區間隧道斷面60 m。隧道周邊圍巖采用摩爾-庫侖（M-C）非線性模擬，錨桿采用全長黏結式桿材料模擬，襯砌采用全長黏結式直梁材料模擬，超前小導管注漿采用圍巖加固圈進行模擬。區間隧道施工的分步開挖過程通過軟件提供的 “鈍化” 來實現。該工程CRD工法優化前后計算模型見圖3。

圖3 工法優化前后計算模型

3.2 隧道圍巖位移變形模擬分析

通過有限元分析模型對工法優化前后隧道周邊圍巖變形進行模擬計算得到工法優化前后周邊圍巖變形位移，見圖4。

圖4 工法優化前后圍巖變形位移云圖

通過圖4周邊圍巖變形位移云圖可以看出：

1）隧道工法優化前后，隧道周邊圍巖變形規律大致一致。

2）優化方案前，隧頂最大沉降出現在拱頂處為5.7 mm，隧底最大隆起出現在仰拱處為0.6 mm；優化調整后，隧頂最大沉降出現在拱頂處為4.1 mm，隧底最大隆起出現在仰拱處為0.6 mm。通過對隧道CRD工法優化前后模擬計算分析可知：優化后的方案在控制圍巖變形上比優化前的方案更好一些，在隧頂最大沉降量比優化前減小28.1%，兩者在隧底最大隆起量一致。同時，在施工過程中，初期支護結構處于安全狀態。

3.3 隧道圍巖應力變化模擬分析

通過有限元分析模型對工法優化前后隧道周邊圍巖應力進行模擬計算得到工法優化前后圍巖應力，如圖5所示。

圖5 工法優化前后圍巖應力變化云圖

通過圖5隧道圍巖應力變化云圖可以看出：

1）隧道工法優化前后，隧道周邊圍巖應力變化大致一致。

2）優化方案前，隧道周邊圍巖最大壓應力為0.91 MPa；優化調整后，隧道周邊圍巖最大壓應力為0.80 MPa。參閱勘察報告，隧道周邊圍巖抗壓強度為30.2 MPa，均滿足安全要求，而工法優化后的巖層最大壓應力比優化前巖層最大壓應力小12.0%。

4 優化施工過程控制要點

4.1 隧道周邊圍巖預處理控制

1）根據本區間巖溶發育的特點，在勘察階段通過地質調查法、物探法（TSP203+紅外探測+地質雷達探測）、超前鉆探法（超前鉆孔5孔）等先進的地質探測技術手段，查明隧道開挖斷面及其一倍洞徑范圍內巖溶發育情況，制定專項地質處置方案，防止引起地表塌陷安全隱患。

2）施工前應掌握施工影響范圍內的地面建（構）筑物、地下障礙物、地下管線等，必要時可進行物探或開樣槽探明，對重要建（構）筑物應提出相應的保護措施。

4.2 施工過程控制

1）嚴格按照 “管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測” 方針進行開挖施工。在施工過程中加強隧道掌子面風險管控及監控測量工作，嚴格控制地面沉降量和隧道收斂，動態調整支護參數和開挖步距，確保隧道施工安全。

2）針對周邊圍巖較差地段需進行超前帷幕注漿處置。

3）隧道每一循環開挖后及時進行支護（含初期支護和臨時支護），各道支護措施緊密銜接，實現支護結構盡早封閉成環。

4）在初期支護完成3榀～5榀拱架距離后，應立即對初期支護進行充填注漿，避免因初期支護后的空隙或空洞引起地表沉降。

5）在隧道周邊圍巖和初期支護變形基本穩定，拆除中隔壁臨時支撐結構后及時施作二次襯砌，確保安全步距滿足設計要求。

5 工法優化安全技術經濟性分析

5.1 地表沉降分析［7］

大斷面隧道暗挖施工過程中涉及多個工序銜接，特別是在巖溶發育區施工安全風險較一般地區更高。在保證洞內施工安全的前提條件下，使周邊圍巖變形得到有效的控制，最終結果表現在地表沉降變形大小。針對該工程采用CRD工法優化，剔除特殊工況下數值，工后地表沉降與模擬沉降位移變化數值對比曲線見圖6。

圖6 CRD工法優化工后地表沉降對比曲線圖

通過圖6可以看出：

1）該工程采用CRD工法優化后施工時，地表實測沉降變化與有限元模擬規律一致。

2）工后地表實測沉降量為14.5 mm，與優化前模擬沉降量減少1.6 mm。

5.2 技術經濟分析

針對該工程大斷面區間隧道采用CRD工法優化后施工，從人工費、機械費和工期方面與優化調整前進行對比分析。該工程CRD工法優化前后技術經濟分析表見表3。

結合工程造價的構成，通過表3可知：

表3 CRD工法優化前后技術經濟分析表

1）CRD工法優化后人工費、機械費較工法優化前節約30.6%。

2）CRD工法優化后工期較工法優化前節約25.0%。

由此可見，采用CRD工法優化后在工程造價和工期方面較工法優化前更優一些。

6 結語

以貴陽地鐵3號線大營坡站—茶店站區間隧道CRD工法開挖為背景，探討了貴陽典型巖溶地區大斷面區間隧道CRD工法優化問題，利用有限元軟件對工法優化前后進行了圍巖變形和應力變化數值模擬分析，并對現場監測數據和技術經濟性進行分析，在人工費、機械費方面可節約30.6%，提高了開挖進度，平均提高到工法優化前的1.33倍。優化CRD工法具有施工工序轉換快、地表沉降控制好等優點，提高機械設備工效，保障施工安全性和可靠性。