浅埋暗挖隧道CRD工法优化与现场试验研究

姚红伟，王薇

(1. 中国中铁隧道集团有限公司 杭州公司，浙江 杭州 310000；2. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

随着城市基础设施建设的不断深化，浅埋暗挖法在我国公路、地铁隧道及市政管线工程中的应用日趋广泛[1]。地质条件差、隧道埋置深度较浅时，浅埋暗挖隧道施工一般采用CRD法[2−3]。CRD法施工时，下台阶中隔壁的存在影响机械操作，导致开挖及出渣作业严重受限，施工进度慢[4]，同时由于施工步序太多且工序转化复杂，初期支护整体闭合成环慢，致使拱顶及地表沉降控制效果有时不够理想[5]。已有的CRD法相关研究中，许文峰等[6]针对CRD工法特点，通过有限元模拟手段对CRD工法的开挖形状、开挖顺序等进行优化研究。郭衍敬等[7]依托厦门翔安海底隧道工程，运用数值计算方法对 CRD法和双侧壁法穿越砂质地层的施工适应性进行分析，得出了2种工法施工控制要点。张建斌等[8]以翔安海底隧道陆域段软弱地层浅埋隧道为工程依托，结合现场监测对 CRD工法的各施工部对拱顶沉降的影响进行研究，得到各分部仰拱及时闭合是控制拱顶沉降的关键。已有研究多数侧重于CRD工法与现有其他工法的对比分析与选择，少数的 CRD工法的优化研究中，研究手段过于单一，研究不够系统，未能真正解决 CRD工法施工中存在的问题，因此，有必要进行工法优化研究，探索一种安全、快速、经济、有效的施工方法，以满足浅埋暗挖隧道施工的需要。本文依托杭州紫之隧道工程，针对原 CRD工法存在的不足，采用理论分析和数值模拟对多个关键技术问题进行优化研究，提出一套的合理的优化工法体系，并结合现场试验段施工情况验证优化工法的合理性。

1 工程概况

杭州紫之隧道全长 14.4 km，是全国最长的城市公路隧道。其中土建工程第 VI标段，起讫里程K12+700～K14+140，全长1 440 m，分为U型槽段、明挖段及暗挖段，暗挖隧道设计为双线双向4车道，东线里程为 K13+569.1～K12+700，断面开挖跨度12.8 m，高9.7 m，断面面积102.8 m2。

本文以东线 K13+437～K13+497浅埋暗挖区段为主要研究对象，隧道穿越粉质黏土混碎石地层，为V级围岩，埋深约10 m，东线K13+467断面地质剖面图见图1，原设计采用CRD法施工[9]。

图1 地质剖面图Fig. 1 Geological section

2 工法优化研究

2.1 工法优化的初步思路

隧道浅埋暗挖段原设计采用 CRD工法，上台阶为人工开挖，下台阶采用机械开挖，上台阶渣土需要翻到下台阶运出，但由于下台阶临时中隔壁的存在，导致下台阶开挖及出渣作业空间不足，机械操作困难，严重影响施工进度，采用 CRD工法的日进尺不足1 m。经多方商讨，初步提出取消下台阶中隔壁的优化思路，原 CRD工法和优化工法的施工工序见图2。

图2 开挖工序图Fig. 2 Excavation process

2.2 计算模型及参数

为分析优化工法的安全性，以K13+437～K13+497施工段为原型进行数值计算。模型总尺寸 100 m×50 m×45 m，分别采用CRD工法和优化工法进行隧道施工模拟，按图2所示步骤进行开挖和支护。

地层通过实体单元模拟，采用摩尔-库伦本构模型；初期支护和二次衬砌分别采用壳单元和实体单元模拟。模型上表面为自由面，侧面和底面为法向位移约束；地层及支护结构物理力学参数见表 1，计算模型网格见图3。

图3 计算模型Fig. 3 Computational model

表1 计算参数表Table 1 Calculation parameter table

2.3 2种工法的计算结果对比

2种工法在临时支撑拆除前的计算结果见表2，两者的变形控制能力基本一致；相对于CRD工法，优化工法减小了中隔壁应力，但增加了初期支护应力，为了保证其安全性，应采取加强锁腰锁脚锚管及钢拱架间纵向连接钢筋等必要措施。

表2 数值计算结果Table 2 Numerical results

2.4 优化工法关键技术研究

2.4.1 临时支护拆除方式研究

已有研究表明[10−11]，隧道断面内临时格栅或型钢支撑的拆除打破了结构系统原有的平衡，成为初期支护受力最危险的时期之一，优化工法下台阶土体开挖后，临时支护将处于悬空的不利受力状态，对此提出“滞后拆除”和“分部拆除”2种拆除方案。在已有数值模型基础上，计算2种拆除方案下隧道支护结构的附加沉降值，即临时支护拆除后的沉降值减去未拆前的值，计算结果见表3。

计算结果表明，方案2对结构的扰动要小于方案1。方案1虽然保证了临时支护的作用时间，但由于没有下台阶中隔壁支持，上部临时支护长时间处于悬空状态，对支护结构变形控制不利；相比之下，方案2更有利于变形控制，故采用方案2进行临时支护拆除。

2.4.2 合理开挖步距研究

已有研究发现[12]，初期支护闭合时间越短，支护结构变形收敛速度越快，但受到施工技术及施工组织的制约，分部开挖时各部开挖间距过小将给施工组织带来障碍，因此对优化工法的开挖步距进行研究，以寻求既能加快断面支护结构闭合速度同时又能减轻各部施工之间相互影响、保证施工顺利进行的最优开挖步距。

表3 临时支护拆除方案对比Table 3 Comparison of removal schemes of temporary supporting

本工程为满足正常施工作业要求，上下台阶的开挖步距取0.5倍的隧道开挖宽度，但左右导坑的开挖步距有待探讨。取左右导坑的开挖步距为2，4及6 m 3种工况进行模拟分析，隧道开挖24 m时的竖向位移云图见图4，初始断面DK13+469处的拱顶沉降曲线见图5。

图4 不同开挖步距竖向位移云图Fig. 4 Vertical displacement contours with different excavation pitches

计算结果表明，开挖步距越短，拱顶沉降收敛速度越快，拱顶沉降稳定值越小；其中，开挖步距2 m和4 m的工况拱顶沉降已经基本稳定，但开挖步距6 m的工况还未达到稳定。实际施工时开挖步距过短将引发各施工步间的相互影响，容易造成施工效率低下，所以应在保证施工组织效率的前提下尽可能加大开挖步距，结合对现场施工情况的调查，左右导坑的开挖步距取为3 m。

图5 不同开挖步距的拱顶沉降曲线Fig. 5 Curves of crown settlement with different excavation pitches

表4 优化工法支护参数表(每延米)Table 4 Support structure parameters of the optimized method (Per meter)

2.5 优化工法的最终方案

针对现场采用 CRD工法存在的不足，对优化工法的关键技术问题进行多种工况数值计算分析，并综合考虑优化工法在进度、施工工序、资源配置、施工风险、施工成本等方面的指标，提出一套完整的优化工法施工技术方案，其支护参数和施工步骤见表4～5。

表5 优化工法的施工步骤Table 5 Construction procedure of optimized method

3 优化工法现场试验

以杭州紫之隧道浅埋暗挖段东线 K13+467～K13+427为试验段，采用优化工法进行施工，上台阶采用人工开挖，下台阶采用机械开挖，现场施工情况见图 6，采集现场监测数据进行分析，并对比工法优化前后的施工进度。

3.1 现场监测数据分析

3.1.1 拱架应力

拱架应力监测断面的测点布置在拱顶、左右拱腰、左右拱脚、临时中隔壁及临时仰拱处布置8处，对比CRD法的东线K13+487断面以及优化工法的东线K13+457断面的监测结果，拱架应力稳定值分布见图7。

图6 现场施工情况Fig. 6 Photos of site constrcution

图7 拱架应力分布图Fig. 7 Distributions of stresses in arch frames

由图7可知，优化工法的拱顶和临时支护拱架应力值明显小于原 CRD工法，但拱腰和拱脚的拱架应力值要大于原 CRD法。此规律说明优化工法减轻了临时支护结构的荷载分担比例，虽然使初期支护拱腰、拱脚的受力变大，但是围岩荷载最终是由初支和二衬承担的，优化工法能有效降低临时支护拆除对支护结构体系的影响。针对优化工法初期支护受力增大问题，可以通过加强锁腰锁脚锚管及钢拱架间纵向连接钢筋等措施来保障初期支护的可靠性。

3.1.2 拱顶沉降

K13+467断面为工法转换的分界线，CRD工法施工的 K13+477断面和优化工法施工的 K13+457断面的拱顶沉降时程曲线见图 8，拱顶沉降稳定值随里程变化见图9。

图8 拱顶沉降时程曲线Fig. 8 Time-step curves of crown settlement

由图8～9可知，在CRD工法转换为优化工法的过程中，拱顶沉降的收敛速度明显提高，且拱顶沉降稳定值也显著减小，分析原因如下：1) 优化工法施工工序相对减少，对围岩产生的扰动次数少；2) 优化工法施工速度较快，各分部及初支的闭合时间比CRD法短；3) 优化工法的初期支护与临时支护荷载分配合理，临时支护拆除方法和时机合理，降低了临时支护拆除对支护结构体系的影响，使整体结构体系受力转化平稳。

3.2 现场施工进度分析

优化工法东线试验段里程K13+467～K13+427，施工开始时间8月20日，完成时间9月17日，共历时28 d，平均日进度1.43 m/d，明显快于前期进度的0.99 m/d，施工效率约为原工法的1.45倍。经现场跟踪统计，施工过程各工序人员机械配置能满足施工需求，施工能达到立体作业，工序衔接顺畅。在施工过程中有不同因素影响施工进度，其中因竖井提升能力有限使渣土不能及时外运，而使工法不能全速展开，另外受机械保养情况影响，对施工进度也产生一定滞延，如果解决以上2个问题，施工进度可进一步提高。

图9 拱顶沉降稳定值随里程变化图Fig. 9 Curve of crown settlement with different mileage

4 结论

1) 相比于原设计的CRD工法，本优化工法提高了初期支护闭合成环速度，减少了临时支护结构的荷载分担比例，减弱了临时支护拆除对围岩和初期支护的扰动，保证整体支护结构在施工过程中的合理转化，有效地控制拱顶及地表沉降的发展。

2) 本优化工法应用时应适当加强初期支护结构，增加锁脚锁腰锚管的数量以及初期支护拱脚拱腰位置的钢拱架斜向连接筋；临时支护拆除采用分部拆除方式，开挖下台阶时先拆除上台阶中隔壁，初期支护整体闭合后再拆除临时仰拱。

3) 本优化工法取消了下台阶中隔壁的施做，简化了施工工序，使下台阶满足机械开挖及出渣要求，提高了机械设备的综合利用率，平均进度提高到原工法的1.45倍。

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