姚紅偉，王薇

(1. 中國中鐵隧道集團(tuán)有限公司 杭州公司，浙江 杭州 310000；2. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷深化，淺埋暗挖法在我國公路、地鐵隧道及市政管線工程中的應(yīng)用日趨廣泛[1]。地質(zhì)條件差、隧道埋置深度較淺時(shí)，淺埋暗挖隧道施工一般采用CRD法[2?3]。CRD法施工時(shí)，下臺(tái)階中隔壁的存在影響機(jī)械操作，導(dǎo)致開挖及出渣作業(yè)嚴(yán)重受限，施工進(jìn)度慢[4]，同時(shí)由于施工步序太多且工序轉(zhuǎn)化復(fù)雜，初期支護(hù)整體閉合成環(huán)慢，致使拱頂及地表沉降控制效果有時(shí)不夠理想[5]。已有的CRD法相關(guān)研究中，許文峰等[6]針對(duì)CRD工法特點(diǎn)，通過有限元模擬手段對(duì)CRD工法的開挖形狀、開挖順序等進(jìn)行優(yōu)化研究。郭衍敬等[7]依托廈門翔安海底隧道工程，運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法對(duì) CRD法和雙側(cè)壁法穿越砂質(zhì)地層的施工適應(yīng)性進(jìn)行分析，得出了2種工法施工控制要點(diǎn)。張建斌等[8]以翔安海底隧道陸域段軟弱地層淺埋隧道為工程依托，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì) CRD工法的各施工部對(duì)拱頂沉降的影響進(jìn)行研究，得到各分部仰拱及時(shí)閉合是控制拱頂沉降的關(guān)鍵。已有研究多數(shù)側(cè)重于CRD工法與現(xiàn)有其他工法的對(duì)比分析與選擇，少數(shù)的 CRD工法的優(yōu)化研究中，研究手段過于單一，研究不夠系統(tǒng)，未能真正解決 CRD工法施工中存在的問題，因此，有必要進(jìn)行工法優(yōu)化研究，探索一種安全、快速、經(jīng)濟(jì)、有效的施工方法，以滿足淺埋暗挖隧道施工的需要。本文依托杭州紫之隧道工程，針對(duì)原 CRD工法存在的不足，采用理論分析和數(shù)值模擬對(duì)多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行優(yōu)化研究，提出一套的合理的優(yōu)化工法體系，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段施工情況驗(yàn)證優(yōu)化工法的合理性。

1 工程概況

杭州紫之隧道全長 14.4 km，是全國最長的城市公路隧道。其中土建工程第 VI標(biāo)段，起訖里程K12+700～K14+140，全長1 440 m，分為U型槽段、明挖段及暗挖段，暗挖隧道設(shè)計(jì)為雙線雙向4車道，東線里程為 K13+569.1～K12+700，斷面開挖跨度12.8 m，高9.7 m，斷面面積102.8 m2。

本文以東線 K13+437～K13+497淺埋暗挖區(qū)段為主要研究對(duì)象，隧道穿越粉質(zhì)黏土混碎石地層，為V級(jí)圍巖，埋深約10 m，東線K13+467斷面地質(zhì)剖面圖見圖1，原設(shè)計(jì)采用CRD法施工[9]。

圖1 地質(zhì)剖面圖Fig. 1 Geological section

2 工法優(yōu)化研究

2.1 工法優(yōu)化的初步思路

隧道淺埋暗挖段原設(shè)計(jì)采用 CRD工法，上臺(tái)階為人工開挖，下臺(tái)階采用機(jī)械開挖，上臺(tái)階渣土需要翻到下臺(tái)階運(yùn)出，但由于下臺(tái)階臨時(shí)中隔壁的存在，導(dǎo)致下臺(tái)階開挖及出渣作業(yè)空間不足，機(jī)械操作困難，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，采用 CRD工法的日進(jìn)尺不足1 m。經(jīng)多方商討，初步提出取消下臺(tái)階中隔壁的優(yōu)化思路，原 CRD工法和優(yōu)化工法的施工工序見圖2。

圖2 開挖工序圖Fig. 2 Excavation process

2.2 計(jì)算模型及參數(shù)

為分析優(yōu)化工法的安全性，以K13+437～K13+497施工段為原型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。模型總尺寸 100 m×50 m×45 m，分別采用CRD工法和優(yōu)化工法進(jìn)行隧道施工模擬，按圖2所示步驟進(jìn)行開挖和支護(hù)。

地層通過實(shí)體單元模擬，采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型；初期支護(hù)和二次襯砌分別采用殼單元和實(shí)體單元模擬。模型上表面為自由面，側(cè)面和底面為法向位移約束；地層及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表 1，計(jì)算模型網(wǎng)格見圖3。

圖3 計(jì)算模型Fig. 3 Computational model

表1 計(jì)算參數(shù)表Table 1 Calculation parameter table

2.3 2種工法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比

2種工法在臨時(shí)支撐拆除前的計(jì)算結(jié)果見表2，兩者的變形控制能力基本一致；相對(duì)于CRD工法，優(yōu)化工法減小了中隔壁應(yīng)力，但增加了初期支護(hù)應(yīng)力，為了保證其安全性，應(yīng)采取加強(qiáng)鎖腰鎖腳錨管及鋼拱架間縱向連接鋼筋等必要措施。

表2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果Table 2 Numerical results

2.4 優(yōu)化工法關(guān)鍵技術(shù)研究

2.4.1 臨時(shí)支護(hù)拆除方式研究

已有研究表明[10?11]，隧道斷面內(nèi)臨時(shí)格柵或型鋼支撐的拆除打破了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)原有的平衡，成為初期支護(hù)受力最危險(xiǎn)的時(shí)期之一，優(yōu)化工法下臺(tái)階土體開挖后，臨時(shí)支護(hù)將處于懸空的不利受力狀態(tài)，對(duì)此提出“滯后拆除”和“分部拆除”2種拆除方案。在已有數(shù)值模型基礎(chǔ)上，計(jì)算2種拆除方案下隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的附加沉降值，即臨時(shí)支護(hù)拆除后的沉降值減去未拆前的值，計(jì)算結(jié)果見表3。

計(jì)算結(jié)果表明，方案2對(duì)結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)要小于方案1。方案1雖然保證了臨時(shí)支護(hù)的作用時(shí)間，但由于沒有下臺(tái)階中隔壁支持，上部臨時(shí)支護(hù)長時(shí)間處于懸空狀態(tài)，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制不利；相比之下，方案2更有利于變形控制，故采用方案2進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)拆除。

2.4.2 合理開挖步距研究

已有研究發(fā)現(xiàn)[12]，初期支護(hù)閉合時(shí)間越短，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形收斂速度越快，但受到施工技術(shù)及施工組織的制約，分部開挖時(shí)各部開挖間距過小將給施工組織帶來障礙，因此對(duì)優(yōu)化工法的開挖步距進(jìn)行研究，以尋求既能加快斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)閉合速度同時(shí)又能減輕各部施工之間相互影響、保證施工順利進(jìn)行的最優(yōu)開挖步距。

表3 臨時(shí)支護(hù)拆除方案對(duì)比Table 3 Comparison of removal schemes of temporary supporting

本工程為滿足正常施工作業(yè)要求，上下臺(tái)階的開挖步距取0.5倍的隧道開挖寬度，但左右導(dǎo)坑的開挖步距有待探討。取左右導(dǎo)坑的開挖步距為2，4及6 m 3種工況進(jìn)行模擬分析，隧道開挖24 m時(shí)的豎向位移云圖見圖4，初始斷面DK13+469處的拱頂沉降曲線見圖5。

圖4 不同開挖步距豎向位移云圖Fig. 4 Vertical displacement contours with different excavation pitches

計(jì)算結(jié)果表明，開挖步距越短，拱頂沉降收斂速度越快，拱頂沉降穩(wěn)定值越??；其中，開挖步距2 m和4 m的工況拱頂沉降已經(jīng)基本穩(wěn)定，但開挖步距6 m的工況還未達(dá)到穩(wěn)定。實(shí)際施工時(shí)開挖步距過短將引發(fā)各施工步間的相互影響，容易造成施工效率低下，所以應(yīng)在保證施工組織效率的前提下盡可能加大開挖步距，結(jié)合對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工情況的調(diào)查，左右導(dǎo)坑的開挖步距取為3 m。

圖5 不同開挖步距的拱頂沉降曲線Fig. 5 Curves of crown settlement with different excavation pitches

表4 優(yōu)化工法支護(hù)參數(shù)表(每延米)Table 4 Support structure parameters of the optimized method (Per meter)

2.5 優(yōu)化工法的最終方案

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采用 CRD工法存在的不足，對(duì)優(yōu)化工法的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行多種工況數(shù)值計(jì)算分析，并綜合考慮優(yōu)化工法在進(jìn)度、施工工序、資源配置、施工風(fēng)險(xiǎn)、施工成本等方面的指標(biāo)，提出一套完整的優(yōu)化工法施工技術(shù)方案，其支護(hù)參數(shù)和施工步驟見表4～5。

表5 優(yōu)化工法的施工步驟Table 5 Construction procedure of optimized method

3 優(yōu)化工法現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

以杭州紫之隧道淺埋暗挖段東線 K13+467～K13+427為試驗(yàn)段，采用優(yōu)化工法進(jìn)行施工，上臺(tái)階采用人工開挖，下臺(tái)階采用機(jī)械開挖，現(xiàn)場(chǎng)施工情況見圖 6，采集現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并對(duì)比工法優(yōu)化前后的施工進(jìn)度。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1.1 拱架應(yīng)力

拱架應(yīng)力監(jiān)測(cè)斷面的測(cè)點(diǎn)布置在拱頂、左右拱腰、左右拱腳、臨時(shí)中隔壁及臨時(shí)仰拱處布置8處，對(duì)比CRD法的東線K13+487斷面以及優(yōu)化工法的東線K13+457斷面的監(jiān)測(cè)結(jié)果，拱架應(yīng)力穩(wěn)定值分布見圖7。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)施工情況Fig. 6 Photos of site constrcution

圖7 拱架應(yīng)力分布圖Fig. 7 Distributions of stresses in arch frames

由圖7可知，優(yōu)化工法的拱頂和臨時(shí)支護(hù)拱架應(yīng)力值明顯小于原 CRD工法，但拱腰和拱腳的拱架應(yīng)力值要大于原 CRD法。此規(guī)律說明優(yōu)化工法減輕了臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的荷載分擔(dān)比例，雖然使初期支護(hù)拱腰、拱腳的受力變大，但是圍巖荷載最終是由初支和二襯承擔(dān)的，優(yōu)化工法能有效降低臨時(shí)支護(hù)拆除對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的影響。針對(duì)優(yōu)化工法初期支護(hù)受力增大問題，可以通過加強(qiáng)鎖腰鎖腳錨管及鋼拱架間縱向連接鋼筋等措施來保障初期支護(hù)的可靠性。

3.1.2 拱頂沉降

K13+467斷面為工法轉(zhuǎn)換的分界線，CRD工法施工的 K13+477斷面和優(yōu)化工法施工的 K13+457斷面的拱頂沉降時(shí)程曲線見圖 8，拱頂沉降穩(wěn)定值隨里程變化見圖9。

圖8 拱頂沉降時(shí)程曲線Fig. 8 Time-step curves of crown settlement

由圖8～9可知，在CRD工法轉(zhuǎn)換為優(yōu)化工法的過程中，拱頂沉降的收斂速度明顯提高，且拱頂沉降穩(wěn)定值也顯著減小，分析原因如下：1) 優(yōu)化工法施工工序相對(duì)減少，對(duì)圍巖產(chǎn)生的擾動(dòng)次數(shù)少；2) 優(yōu)化工法施工速度較快，各分部及初支的閉合時(shí)間比CRD法短；3) 優(yōu)化工法的初期支護(hù)與臨時(shí)支護(hù)荷載分配合理，臨時(shí)支護(hù)拆除方法和時(shí)機(jī)合理，降低了臨時(shí)支護(hù)拆除對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的影響，使整體結(jié)構(gòu)體系受力轉(zhuǎn)化平穩(wěn)。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度分析

優(yōu)化工法東線試驗(yàn)段里程K13+467～K13+427，施工開始時(shí)間8月20日，完成時(shí)間9月17日，共歷時(shí)28 d，平均日進(jìn)度1.43 m/d，明顯快于前期進(jìn)度的0.99 m/d，施工效率約為原工法的1.45倍。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)跟蹤統(tǒng)計(jì)，施工過程各工序人員機(jī)械配置能滿足施工需求，施工能達(dá)到立體作業(yè)，工序銜接順暢。在施工過程中有不同因素影響施工進(jìn)度，其中因豎井提升能力有限使渣土不能及時(shí)外運(yùn)，而使工法不能全速展開，另外受機(jī)械保養(yǎng)情況影響，對(duì)施工進(jìn)度也產(chǎn)生一定滯延，如果解決以上2個(gè)問題，施工進(jìn)度可進(jìn)一步提高。

圖9 拱頂沉降穩(wěn)定值隨里程變化圖Fig. 9 Curve of crown settlement with different mileage

4 結(jié)論

1) 相比于原設(shè)計(jì)的CRD工法，本優(yōu)化工法提高了初期支護(hù)閉合成環(huán)速度，減少了臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的荷載分擔(dān)比例，減弱了臨時(shí)支護(hù)拆除對(duì)圍巖和初期支護(hù)的擾動(dòng)，保證整體支護(hù)結(jié)構(gòu)在施工過程中的合理轉(zhuǎn)化，有效地控制拱頂及地表沉降的發(fā)展。

2) 本優(yōu)化工法應(yīng)用時(shí)應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，增加鎖腳鎖腰錨管的數(shù)量以及初期支護(hù)拱腳拱腰位置的鋼拱架斜向連接筋；臨時(shí)支護(hù)拆除采用分部拆除方式，開挖下臺(tái)階時(shí)先拆除上臺(tái)階中隔壁，初期支護(hù)整體閉合后再拆除臨時(shí)仰拱。

3) 本優(yōu)化工法取消了下臺(tái)階中隔壁的施做，簡(jiǎn)化了施工工序，使下臺(tái)階滿足機(jī)械開挖及出渣要求，提高了機(jī)械設(shè)備的綜合利用率，平均進(jìn)度提高到原工法的1.45倍。

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