淺埋隧道懸臂掘進機施工工藝研究

摘" 要：在軟弱淺埋隧道施工中，為保證隧道正常施工和減小對地面建筑影響，該文采用Midas GTS NX有限元分析軟件結合貴陽軌道交通3號線某施工段為背景，對比分析懸臂掘進機施工二臺階法、CD法、CRD法。分析3種工法的地表沉降、拱腰收斂、圍巖應力，最后得出CRD法施工對圍巖的擾動性小。

關鍵詞：淺埋隧道;懸臂掘進機;二臺階法;CD法;CRD法

中圖分類號：U25 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）25-0139-04

Abstract： In the weak shallow tunnel construction， in order to ensure the normal construction of the tunnel and reduce the influence on the ground building， this paper uses the Midas GTS NX finite element analysis software combined with the construction section of Guiyang Rail Transit Line 3 as the background to compare and analyze the cantilever roadheader construction two-stage method， CD method and CRD method. The surface subsidence， arch waist convergence and surrounding rock stress of the three construction methods are analyzed， and it is concluded that the disturbance of CRD construction to the surrounding rock is small.

Keywords： shallow tunnel; cantilever roadheader; two-step method; CD method; CRD method

隨著社會不斷地發展，地鐵在一個城市的發展起到至關重要的作用。新建地鐵隧道下穿既有道路、建筑、河流等逐漸增多。隧道施工對既有建筑影響較大，尤其是淺埋隧道[1]。

新建隧道與既有建筑相互作用與影響，導致不同情形下的施工對圍巖的擾動、地表沉降有著明顯的差異。近年來學者分別運用數值模擬和物理模型試驗和工程實際總結等對淺埋隧道施工進行了不同程度的研究[2]。結果表明，針對不同的情況，合理地采用施工工法和相應的支護措施能夠保證隧道安全如期地完成。黃海斌等[3]分析了CD、CRD和雙側壁導坑法運用于既有鐵路隧道情形下各種工法的適應性得出雙側壁導坑法對圍巖的擾動較小，馬智理[4]模擬了懸臂掘進全斷面、二臺階、三臺階施工，最后得出無論是在初期支護、地表沉降、圍巖應力何種情形下，三臺階對圍巖的擾動均較小。

現階段對于隧道施工的研究相對較多，但針對超淺埋、淺埋、大跨度等隧道的研究相對較少。因此，本文以貴陽軌道交通3號線為背景采用Midas GTS NX模擬，淺埋隧道懸臂掘進機3種不同工法對圍巖的擾動情形進行研究，以便為類似工程提供借鑒。

1" 工程概況

甘蔭塘站—四方河路站區間出甘蔭塘站后沿花溪大道中段向北敷設，先后側穿甘蔭塘人行天橋、下穿四方河下拉槽、貴州膠鞋廠宿舍、海光皮革廠宿舍、四方河加油站，最終進入四方河路站。本區間左右線均從四方河路站始發，至甘蔭塘站隧道示意圖如圖1所示。隧道頂埋深約5.68～17.6 m。平均埋深較淺，在隧道埋深部位主要是紅黏土和強風化白云巖為主，圍巖等級為Ⅳ級。

如何選用合理的施工方法是確保隧道正常施工和減小對地面建筑的影響是該隧道修建必須解決的關鍵問題，因此，本文選擇上述3種工法進行模擬計算和分析以便能夠得到安全經濟的施工方法。

2" 隧道模型和計算參數

2.1" 建模思想

為了模擬懸臂掘進機施工更為真實，本文采用荷載梯度法進行隧道施工的開挖和支護[5]。荷載梯度法是考慮到懸臂掘進機開挖中的每個細節，分析每次懸臂掘進機的破巖方式和開挖量進而確定需要銑挖量，并記錄好，每銑挖一次就是一個施工段。通過這種方式可以將每一步完成后的圍巖應力釋放完成，然后再進行下一步的開挖。通過這種方式進行模擬與實際懸臂掘進機施工相符。

2.2" 隧道模型

隧道施工僅對開挖部分洞徑3～5倍范圍內有影響[6]，因此計算模型取左右30 m，下部取60 m，依據實際工程隧道埋深取8 m。上表面，模擬為自由表面，模型的左右、前后和下部施加法相約束[7]，模型如圖2所示。

2.3" 計算參數和模型

在模擬隧道施工中土體采用摩爾庫倫模型，噴射混凝土采用各向同性的彈性材料，計算力學參數見表1。

取隧道埋深為6 m，巖土左右側邊界距隧道中心線為洞徑的5倍，垂直方向隧道到底部為洞徑的6倍，縱向長度取16 m。模型的左、由、前、后和底部施加法相約束，地表為自由面。3個模型所生成的節點數和單元基本接近，為13 613個節點，33 921個單元。根據實際工程選擇隧道圍巖和噴射混凝土的力學參數，混凝土采用shell單元。

2.4" 施工工法

針對該工程的實際情況，隧道埋深5.68～17.6 m，圍巖等級為IV級，地質條件較差，上部還有住宅和公路等情況，施工時必須嚴格控制地面沉降和圍巖的變形。綜合以上因素，本文初步選用二臺階、CD法、CRD法。

本文模擬隧道開挖進尺為2 m，二臺階開挖順序開先開挖上臺階、上臺階、下臺階、封閉成環，然后依次進行開挖。CD法是先開挖①部分，然后對開挖部分施作噴錨，開挖第②部分，施作噴錨，然后③④⑤⑥依次進行。CRD法是先開挖①部分，然后對開挖部分施作噴錨，開挖第②部分，施作噴錨，然后③④⑤⑥依次進行[8]，詳見表2。

3" 計算結果分析

通過有限元軟件Midas GTS NX分析，考察隧道的拱腰收斂情況、地表的沉降、拱頂和拱底的豎向位移、圍巖應力對隧道的結構影響。

3.1" 拱腰收斂

3種工法施工圍巖水平位移如圖3所示。在施工過程中，隧道周圍的圍巖受到臨空面和施工等影響，圍巖會產生向洞內收斂的情形，繼而導致隧道斷面不斷減小。從圖中可以得知CRD工法施工圍巖拱腰左右側收斂為0.153 mm和0.175 mm，拱腰收斂情況最大。CD法施工圍巖拱腰左右側收斂為0.146 mm和0.145 mm。二臺階為0.15 mm和0.151 mm，采用CD法施工圍巖的水平圍巖收斂最小。

3.2" 圍巖豎向位移

圍巖的地表沉降、拱頂下沉、拱底隆起如圖4所示，最大位移值見表3。隨著模擬懸臂掘進機開挖卸荷的施工，各施工工法產生的豎向位移數據較為平緩，通過圖4與表3可知，CRD施工對地表沉降（-0.137 mm）、拱頂下沉（-0.338 mm）和拱底隆起（0.641 mm）的影響都相對較小。二臺階和CD法施工在地表沉降和拱頂下沉以及拱底隆起等數據情況基本接近，都比CRD法施工影響大。通過3種工法比選，在淺埋隧道施工中拱頂和拱底以及地表的豎向位移中可以得知CRD工法施工對圍巖的擾動以及地表既有建筑物的影響相對較小。

3.3" 圍巖應力

隧道的施工圍巖的應力變化情況如圖5、6所示，應力釋放率見表4。隨著隧道不斷施工，圍巖的應力也會不斷釋放，圍巖應力釋放率越大，圍巖的塑性區將會增大，同時也會導致初支和二襯的彎矩增大，對圍巖擾動較大[9]。因此在施工過程中為減小對圍巖的擾動，進而可以探討圍巖的應力釋放情況。圖5為施工過程拱頂圍巖的豎向應力和拱腰的水平應力變化情況，從圖中可以得知CRD法施工圍巖的應力釋放率相對較低。

通過表4可以得出，在水平應力釋放中二臺階應力釋放最大，CD法和CRD法相對較小。在豎向應力釋放中可以得出以CRD對圍巖的擾動性最小，CD法次之，二臺階最大。通過對比圍巖的應力釋放的關系可以得出，為了合理地控制圍巖的塑性區和減少初支與二襯的受力，采用CRD法施工相對具有一定的安全保障。

4" 結論

采用Midas GTS NX有限元分析軟件分析淺埋隧道懸臂掘進機開挖二臺階、CD法、CRD法，得出如下結論。

①在模擬懸臂掘進機施工時可采用荷載梯度法進行施工，可以很好地起到開挖卸荷的作用。②施工完成后，隧道拱腰的收斂情況是以拱腰左右側水平位移的絕對值相加所得到的位移，從結果可以得出，以CD法施工圍巖收斂最小，二臺階次之，CRD法最大。在拱腰收斂的情況下淺埋隧道懸臂掘進機施工CRD法對拱腰部位收斂影響較大。③在豎向位移的變化上，CRD法無論是在地表沉降還是在拱頂沉降還是拱底隆起的位移都是最小的，為了控制豎向位移，CRD法施工可以有效保護地面既有建筑和掌子面的穩定性。④圍巖應力釋放率越大，圍巖的塑性區將會增大，同時也會導致初支和二襯的彎矩增大，對圍巖擾動較大。3種工法施工，每種工法施工完成后圍巖的應力釋放率都有不同，其中，CRD法施工圍巖的應力釋放率相對較低，CD法次之，二臺階擾動最大。

綜上所述，針對淺埋隧道懸臂掘進機不同工法施工，發現采用CRD法對圍巖的擾動和對地表的影響最小，采用CD法施工對圍巖拱腰收斂情況影響較小。

參考文獻：

[1] 鄧祥輝，袁崠洋，姚軍，等.某超淺埋大跨隧道下穿既有公路施工工法研究[J].中外公路，2018，38（4）：201-207.

[2] 秦余順，張光生.超淺埋隧道綜合施工技術研究與應用[J].工程技術研究，2019，4（24）：102-103.

[3] 黃海斌，周平，陳鵬，等.雙線公路隧道下穿鐵路隧道不同施工工法理論研究[J].鐵道標準設計，2016，60（11）：104-109.

[4] 馬智理.山區城市軌道交通隧道懸臂掘進機施工方法應用研究[D].貴陽：貴州大學，2020.

[5] 趙克明.硬巖地層懸臂掘進機銑挖施工適應性分析及應用研究——以貴陽市軌道交通1號線工程為例[D].西安：西安建筑科技大學，2018.

[6] 趙永國，谷志文，韓常領.淺埋、超淺埋隧道的設計與施工技術[J].公路，2009（10）：323-327.

[7] 王偉鋒，畢俊麗.軟巖淺埋隧道施工工法比選[J].巖土力學，2007，28（S1）：430-436.

[8] 張定邦，周斌.CRD四步法和六步法開挖超淺埋隧道的結構內力分析[J].黃石理工學院學報，2011，27（5）：34-37.

[9] 姚軍，王國才，陳祥林.地應力釋放對隧道圍巖穩定性影響的研究[J].浙江工業大學學報，2010，38（6）：629-632，682.