西安地铁区间隧道交叉中隔墙（CRD）工法施工变形监测与分析*

谷拴成 王兵强

（西安科技大学建筑与土木工程学院,710054,西安∥第一作者,教授）

西安地铁区间隧道交叉中隔墙（CRD）工法施工变形监测与分析*

谷拴成 王兵强

（西安科技大学建筑与土木工程学院,710054,西安∥第一作者,教授）

以西安地铁3号线区间隧道为工程背景,利用收敛计三角形量测法原理,对隧道交叉中隔墙（CRD）工法施工进行现场监控量测,分析隧道的变形规律。研究结果表明：该隧道CRD工法施工监控量测应以拱顶沉降为主,水平收敛为辅；拱顶沉降趋势为最后趋于一稳定值的台阶状上升曲线,各分部开挖引起的拱顶沉降增量呈一定的比例关系,进而提出了西安地铁区间隧道CRD工法施工相邻导坑掌子面的合理间距,各导坑正常段和极软弱地段循环开挖距离以及导坑内台阶的合理长度,对控制最终沉降和保证支护结构稳定具有一定的指导和借鉴意义。

隧道开挖；交叉中隔墙工法；监控量测；拱顶沉降

0 引言

隧道工作面及洞壁的变形监测是隧道施工中及时反馈支护结构安全性的最直接有效的方法。近年来针对隧道监控量测及反馈分析的研究日趋活跃［1-9］。虽然西安地铁1号和2号线已经为黄土地层中修建地铁积累了一定的施工经验,但由于黄土地层的复杂性,导致施工难度较大、风险高,尤其在采用CRD（交叉中隔墙）工法多导坑分步开挖时,转换工序复杂,初期支护闭合成环时间长,因此,通过施工过程中变形监控量测及反馈分析指导开挖和控制变形显得尤为重要。但针对黄土地区浅埋暗挖隧道CRD工法施工支护变形控制值以及支护稳定性判断标准的研究还不多,而且由于工程地质条件和施工工艺的差异性,目前还缺乏成熟的CRD工法监控量测通用控制标准［10-12］。

正在修建的西安地铁3号线太白南路站—吉祥村站区间,起讫里程为：YDK18+658.726～YDK20 +107.867,右线全长1 449.141 m；ZDK18+658.726～ZDK20+107.867,左线短链7.767 m,左线全长为1 441.465 m。区间采用矿山法施工。该区间位于科技路与吉祥路下,地面道路两侧为西安市商业中心之一；科技路为东西干线,人流车流量大,交通繁忙。该区间跨越2个地貌单元,分别为皂河一级阶地和黄土洼地,Ⅴ级围岩,埋深14.0～28.4 m,隧道毛洞开挖宽度约8.02～8.333 m,高约9.2 m。该标段地下水位为：地表以下9.69～12.60 m,相应标高396.28～399.57 m,高差达3.29 m,东高西低,地下水流向为NW。地下水对混凝土结构具微腐蚀性,在干湿交替条件下,对钢筋混凝土结构中钢筋具微腐蚀性。该场地地基土对混凝土结构及钢筋混凝土结构中钢筋具微腐蚀性。隧道平面分布如图1所示。本文重点研究其中某个的区段,里程为YDK19+942.627～YDK19+970.986。为控制开挖引起的围岩变形,该里程区间隧道采用CRD工法施工,分4个导坑,按①→②→③→④依次进行开挖和支护,变形稳定后拆除中隔壁和仰拱临时支护,形成整个隧道断面,如图1所示。在CRD工法施工时,设置合理的预留变形量,掌握各导洞分步开挖中的初期支护受力变形规律,并对变形进行适当控制,以保证结构的稳定性,是施工中的难点之一,如处理不当则容易造成施工安全问题,产生较大的经济损失。本文选取该区段隧道中6个具有类似水文地质条件、埋深、支护形式的典型监测断面进行监测,研究分析其变形规律,为隧道信息化施工和动态设计以及施工现场控制提供指导。

图1 西安地铁3号线区间隧道平面图及CRD工法施工断面图

1 隧道施工及变形监测方案

因左右线隧道开挖错开间距保持在30～50 m,故其施工过程中的相互影响非常小。该区间隧道围岩为Ⅴ级,隧道埋深为18 m,采用CRD法施工,导坑施工顺序为左上→左下→右上→右下。采用注浆小导管加固前方土体。在掌子面尚未开挖的拱部土体中,根据设计要求沿隧道拱部范围内打入φ42 mm、长度为2.5 m、环向间距0.3 m、纵向间距0.5 m的超前注浆小导管；初期支护采用由φ22 mm主筋按设计型式焊接而成的钢架（每榀间距75 cm）；土体与钢筋格栅之间设全环单层钢筋网,规格为φ6.5 mm@150 mm×150 mm；并在钢拱架安装完毕后,及时喷射30 cm厚C25混凝土。在极软弱和局部不稳定地段适当调整支护参数（增加锁脚锚杆等）进行加固处理。

在采用CRD工法对区段隧道进行施工时,每5 m设置一个位移监测断面,位移测点横断面布置如图2所示。根据施工场地条件,选用收敛计三角形量测法对CRD工法施工引起的洞壁收敛和拱顶下沉进行量测,要求测点应距掌子面1 m范围内尽快安设,并应在掌子面开挖12 h内和下一次开挖前测取初始读数。通常情况下拱顶下沉和净空收敛的量测频率如表1所示。根据监测结果,当隧道围岩和支护结构呈不稳定状态时,需适当加密量测频率,发布监测异常报告,并及时建议施工单位适当加强支护。将变形监测数据绘制成时态曲线,通过变形曲线的分析,得到CRD工法施工隧道衬砌的变形规律。

图2 位移测点横断面布置

表1 拱顶下沉和净空收敛量测频率［12］

2 拱顶下沉变形分析

本隧道CRD工法施工中的①、③部均布置拱顶下沉测点,典型断面①部施工实测拱顶沉降时态曲线和沉降曲线模型如图3和图4所示。拱顶沉降由分段曲线组成,总体呈台阶状上升,最后趋于稳定。曲线中存在多个反弯点,每个反弯点与之后通过该断面的施工分部开挖有关；曲线中的上反弯点基本出现在分步开挖断面到达监测断面前5 m左右,且当分部开挖面经过该监测断面10 m后曲线呈现明显的收敛趋势,也即下半断面施工部开挖对隧道变形有显著影响的范围一般是在该开挖面前方5 m到后方10 m之间；曲线中的下反弯点与开挖分部仰拱相对应,即仰拱闭合快慢直接影响到拱顶沉降的大小。而拱顶沉降速率也会因开挖分部的通过发生变化,如图5所示。

图3 拱顶沉降时态曲线（①部）

图4 拱顶沉降时态曲线模型（①部）

图5 拱顶沉降速率曲线（①部）

在拱顶下沉时态曲线第一个上反弯点出现之前,拱顶沉降量完全由①开挖引起,之后的拱顶沉降则由已开挖经过该断面的施工分部共同引起。选取本隧道6个典型断面的实测数据进行统计分析,①部测得的拱顶最终沉降量要比③部大32%；各分部开挖引起的拱顶沉降增量与总的拱顶沉降量具有一定的比例关系,其中①部开挖对拱顶沉降的影响最大,占其最终沉降量的40%～50%；③部开挖对③部的拱顶沉降量的影响最大,占其最终沉降量的55%～65%。

由拱顶沉降速率曲线可知,拱顶在①部开挖之后3天内沉降速率最大,且在其他开挖分部通过监测断面时,拱顶沉降速率都会变大,说明开挖分部都会对拱顶沉降产生不同程度的影响。

由拱顶沉降曲线形态可知,在下半断面②部、④部开挖通过时,该开挖面前5 m和后10 m范围内上半断面会产生拱顶沉降快速增大的现象,应予以重点监控；各分部仰拱是否及时闭合对控制总体沉降量的大小非常重要,故在施工中必须加快初期支护中钢拱架的安装速率,特别是在软弱地段,应切实做到短进尺、早封闭,尤其是先行开挖的上半断面导坑支护的及时闭合对控制拱顶沉降最为关键。各施工部初期支护闭合与整个断面支护的闭合所需时间与现场施工工艺和效率直接相关,所以缩短台阶长度和相邻施工部掌子面之间的间距,可缩短断面闭合时间,有效控制最终拱顶沉降,但间距太小对各掌子面稳定不利而且无法满足施工场地的要求。西安地铁3号线区间隧道CRD工法施工采用人工开挖,现场施工经验表明,相邻施工部导坑掌子面间距控制在5 m左右,导坑内台阶长度控制在2 m以内,每循环开挖1.5 m（极软弱地段开挖0.75 m）后立即支护,重点加快上半断面初期支护的闭合速度,是施工作业空间、掌子面开挖稳定性和“早封闭”之间比较理想的平衡点,能有效控制拱顶最终沉降。

3 水平收敛变形分析

该区间隧道CRD工法施工中每个分部仰拱闭合后立即进行水平收敛量测。实测数据表明①部、③部水平收敛变化幅度和绝对值都较大,必须予以重点监测；而②部、④部水平收敛变化幅度及绝对值均较小,故只对①部、③部的水平收敛变形规律予以重点研究。

隧道典型断面①部实测的水平收敛时态曲线如图6所示,其基本曲线模型如图7所示（正值代表水平收敛,负值代表水平扩张）。通常情况下,①部水平收敛总体趋势表现为扩张值先增大后减小,最后趋于稳定呈扩张状态；曲线上存在多个反弯点,与之后通过该断面的施工分部开挖有关。由于水平收敛量测开始时①部临时仰拱已经闭合,而①部从掌子面开挖到临时仰拱的闭合期间的水平收敛数据无法测得,因此在下一施工部到达前其水平收敛量测值很小。而水平收敛速率也会因开挖分部的通过发生变化,如图8所示。

图6 水平收敛时态曲线（①部）

图7 水平收敛时态曲线模型

图8 水平收敛速率曲线（①部）

由水平收敛速率曲线可知,水平收敛在③部开挖通过时变化速率最大,且在其他开挖分部通过监测断面时,水平收敛（或扩张）速率都会变大,说明开挖分部都会对水平收敛产生不同程度的影响。

由实测数据可知,③部的临时仰拱闭合后,其水平收敛变化曲线与①部趋势基本呈相反趋势。将所测得的①部和③部的水平收敛数据进行迭加处理,得到隧道上半断面整体水平收敛绝对值很小。因此①部和③部水平收敛变化主要是由于临时支护中隔墙的挠曲变形引起的。

4 结语

本文对西安地铁3号线区间隧道CRD工法施工进行位移监控量测与分析,得出如下结论：

（1）西安地铁3号线区间隧道CRD工法施工引起的拱顶沉降量比较大,整体水平收敛比较小,总体变形量和变形速率均在规范的限值之内。故CRD工法施工的位移监控量测与分析应以拱顶沉降为主,水平收敛为辅。

（2）根据现场实测数据,西安地铁3号线区间隧道CRD工法施工引起的拱顶沉降为一台阶状上升并最终趋于稳定的曲线。各分部开挖引起的拱顶沉降增量具有一定的比例分配关系。相邻施工部导坑掌子面间距控制在5 m左右,导坑内台阶长度控制在2 m以内,每循环开挖1.5 m（极软弱地段开挖0.75 m）后立即支护,对类似隧道工程的开挖和支护具有一定的指导和借鉴意义。

（3）施工时应重点控制引起沉降量比例最大的左上部,提高该部初期支护的闭合速率,对保证后续施工安全和控制围岩变形具有重要作用。

（4）由实测数据可知,左上部、右上部水平收敛变化幅度和绝对值都较大,而测得的隧道上半断面整体水平收敛绝对值却很小,表明左上部和右上部水平收敛变化主要是由于临时支护中隔墙的挠曲变形引起的,故中隔墙的挠曲变形是潜在的安全隐患,应重点监测。

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Monitoring and Analysis of Running Tunnel Deformation with CRD Method on Xi'an Metro

Gu Shuancheng,Wang Bingqiang

With the engineering of Xi'an metro Line 3 tunnel as the background,and according to the principle of convergence gauge triangle measuring method,CRD method for tunnel construction issurveyed on-site,the deformation law of the tunnel is analyzed.The research shows that the supervision of CRD method in tunnel construction should give priority to vault subsidence,while taling the horizontal convergence as the complementary factor.Vault subsidence trend will finally tend to reach a stable value rising curve,the steps of each division excavation incremental vault subsidence are caused by a certain proportion,thus the reasonable spacing of the constraints on Xi'an subway tunnel adjacent a pilot tunnel constructed by CRD method is put forward,the normal period of pilot tunnel,the extremely weak section of cycle excavation distance and reasonable length of the gate in the steps are studied to control the final settlement and guarantee the stability of supporting structure.This research has a certain guidance and reference significance.

tunnel excavation；central cross diagram（CRD）method；monitoring measurement；vault subsidenceFirst-author'saddressCollege of Architecture and Civil Engineering,XUST,710054,Xi'an,China

U 456.3+1

2014-02-23）

*陕西省教育厅科学研究项目（2013JK0961）