岩溶地区大断面浅埋暗挖隧道CRD 工法优化研究

刘成虎

（贵阳市公共交通投资运营集团有限公司，贵州 贵阳 550081）

0 引言

贵阳作为我国西南地区的重要城市，近年来正在加速推进城市地铁的建设，由于该地区位于西南岩溶地区，在此处进行地铁隧道工程所采用的CRD工法（交叉中隔壁法）已备受关注。由于岩溶地区CRD工法可借鉴的工程经验较少。经查阅国内相关文献，杨招等［1］通过增加锚杆数量，提高喷混强度，简化临时支护方法进行CRD工法优化；杨恩等［2］对临时支撑结构、横撑连接方式、中隔壁底部钢架等部位进行优化研究；姚红伟等［3］采用理论分析和现场试验手段对CRD工法关键工序进行优化；汪正斌［4］从施工工序方面评估CRD工法对周边环境的影响；杜亚江等［5］从施工步序调整及研究断面选择方面分析CRD工法对施工地表和隧道变形的差异；谷拴成等［6］分析了CRD工法各分部开挖时对拱顶沉降和水平收敛变化规律，并取得了一定的研究结果。

该文依托于贵阳地铁3号线大营坡站—茶店站区间暗挖隧道工程，结合现场实际情况，进行CRD工法优化分析对隧道围岩变形、围岩应变、技术经济及工期的影响，本研究对同类城市地铁暗挖隧道工程CRD工法优化问题具有一定的参考价值。

1 工程背景

1.1 工程概况

贵阳地铁3号线大营坡站—茶店站区间位于新添大道南段省二医旁，沿新添大道南北向设置。该区间设临时存车线，长度为263.5 m，开挖跨度12.7 m、高度10.1 m、开挖断面达103 m2，为单洞双线马蹄形大断面隧道，现场采用CRD工法施工，拱顶埋深10.1 m～11.4 m。大营坡站—茶店站区间隧道典型断面见图1。

图1 大营坡站—茶店站区间隧道典型断面

1.2 地质、水文情况

该区间位于中风化泥灰岩中，上部为杂填土、红黏土，穿越岩层围岩等级V级。勘察结果显示，该段共圈定3个溶洞发育区，发育深度范围基本在10.8 m～30.1 m之间，沿隧道中线方向发育宽度范围一般在1.1 m～4.3 m。

该工程岩土物理力学性质参数值见表1。

表1 岩土物理力学性质参数值

1.3 周边环境情况

该区间位于贵阳老城区市政主干道下方，交通繁忙，周边建（构）筑物分布较密，人员密集，管线错综复杂。

2 大断面浅埋暗挖隧道CRD工法比选和优化

2.1 CRD工法选取

在城市地铁区间隧道暗挖工程施工中，应结合地质、周边环境等情况，综合对比工程造价、施工安全性及对周边环境的影响、工序转换难度、工期等因素后，再确定适宜的工法进行施工。常用的大断面隧道暗挖工法对比分析如表2所示。

表2 大断面隧道暗挖工法对比分析表

根据表2大断面隧道暗挖工法沉降、支护、工序转换和适用条件的特性，结合本区间岩溶发育情况，经过综合比选，采用CRD工法进行区间隧道掘进可行。

2.2 CRD工法优化

2.2.1 工法优化原因

1）施工现场揭示的围岩完整性较好，岩体较硬，针对此种工况下进行多次设备选型，常用的施工机具不能满足现场施工要求。

2）该CRD工法施工上台阶开挖支护仅能采用人工和小型机具作业，上台阶断面仅为21 m2。土石方及初期支护材料运输仅能通过人工进行搬运，施工工效较低，且随开挖段加长，工效单洞每天仅能开挖0.5 m，施工进度不能满足工期要求［7］。

3）各工序作业时间长，掌子面暴露时间长，安全隐患大。

2.2.2 CRD工法优化设计

1）开挖左右上台阶（①部，②部）时，将原设计CRD工法横向临时支撑位置下移1.5 m，与初期支护拱架成环，以便满足施工需要。

2）掌子面开挖采用左右侧分幅，上下台阶法开挖，减少隧道开挖时对掌子面的扰动面积。

3）施工下部仰拱时，拆除下部横向临时支撑，置换为上部临时横撑，使初支拱架始终处于封闭成环的状态，增加初期支护的刚度，确保围岩的稳定性。

该工程CRD工法优化前后断面见图2。

图2 CRD工法优化前后断面图

3 有限元模拟分析

3.1 模型建立

通过使用Midas-GTS软件建立优化前、后的CRD工法模型，计算围岩变形和应力变化。模型上边界取至地面，左右边界宽度为100 m，下边界宽度取值为距离区间隧道断面60 m。隧道周边围岩采用摩尔-库仑（M-C）非线性模拟，锚杆采用全长黏结式杆材料模拟，衬砌采用全长黏结式直梁材料模拟，超前小导管注浆采用围岩加固圈进行模拟。区间隧道施工的分步开挖过程通过软件提供的 “钝化” 来实现。该工程CRD工法优化前后计算模型见图3。

图3 工法优化前后计算模型

3.2 隧道围岩位移变形模拟分析

通过有限元分析模型对工法优化前后隧道周边围岩变形进行模拟计算得到工法优化前后周边围岩变形位移，见图4。

图4 工法优化前后围岩变形位移云图

通过图4周边围岩变形位移云图可以看出：

1）隧道工法优化前后，隧道周边围岩变形规律大致一致。

2）优化方案前，隧顶最大沉降出现在拱顶处为5.7 mm，隧底最大隆起出现在仰拱处为0.6 mm；优化调整后，隧顶最大沉降出现在拱顶处为4.1 mm，隧底最大隆起出现在仰拱处为0.6 mm。通过对隧道CRD工法优化前后模拟计算分析可知：优化后的方案在控制围岩变形上比优化前的方案更好一些，在隧顶最大沉降量比优化前减小28.1%，两者在隧底最大隆起量一致。同时，在施工过程中，初期支护结构处于安全状态。

3.3 隧道围岩应力变化模拟分析

通过有限元分析模型对工法优化前后隧道周边围岩应力进行模拟计算得到工法优化前后围岩应力，如图5所示。

图5 工法优化前后围岩应力变化云图

通过图5隧道围岩应力变化云图可以看出：

1）隧道工法优化前后，隧道周边围岩应力变化大致一致。

2）优化方案前，隧道周边围岩最大压应力为0.91 MPa；优化调整后，隧道周边围岩最大压应力为0.80 MPa。参阅勘察报告，隧道周边围岩抗压强度为30.2 MPa，均满足安全要求，而工法优化后的岩层最大压应力比优化前岩层最大压应力小12.0%。

4 优化施工过程控制要点

4.1 隧道周边围岩预处理控制

1）根据本区间岩溶发育的特点，在勘察阶段通过地质调查法、物探法（TSP203+红外探测+地质雷达探测）、超前钻探法（超前钻孔5孔）等先进的地质探测技术手段，查明隧道开挖断面及其一倍洞径范围内岩溶发育情况，制定专项地质处置方案，防止引起地表塌陷安全隐患。

2）施工前应掌握施工影响范围内的地面建（构）筑物、地下障碍物、地下管线等，必要时可进行物探或开样槽探明，对重要建（构）筑物应提出相应的保护措施。

4.2 施工过程控制

1）严格按照 “管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测” 方针进行开挖施工。在施工过程中加强隧道掌子面风险管控及监控测量工作，严格控制地面沉降量和隧道收敛，动态调整支护参数和开挖步距，确保隧道施工安全。

2）针对周边围岩较差地段需进行超前帷幕注浆处置。

3）隧道每一循环开挖后及时进行支护（含初期支护和临时支护），各道支护措施紧密衔接，实现支护结构尽早封闭成环。

4）在初期支护完成3榀～5榀拱架距离后，应立即对初期支护进行充填注浆，避免因初期支护后的空隙或空洞引起地表沉降。

5）在隧道周边围岩和初期支护变形基本稳定，拆除中隔壁临时支撑结构后及时施作二次衬砌，确保安全步距满足设计要求。

5 工法优化安全技术经济性分析

5.1 地表沉降分析［7］

大断面隧道暗挖施工过程中涉及多个工序衔接，特别是在岩溶发育区施工安全风险较一般地区更高。在保证洞内施工安全的前提条件下，使周边围岩变形得到有效的控制，最终结果表现在地表沉降变形大小。针对该工程采用CRD工法优化，剔除特殊工况下数值，工后地表沉降与模拟沉降位移变化数值对比曲线见图6。

图6 CRD工法优化工后地表沉降对比曲线图

通过图6可以看出：

1）该工程采用CRD工法优化后施工时，地表实测沉降变化与有限元模拟规律一致。

2）工后地表实测沉降量为14.5 mm，与优化前模拟沉降量减少1.6 mm。

5.2 技术经济分析

针对该工程大断面区间隧道采用CRD工法优化后施工，从人工费、机械费和工期方面与优化调整前进行对比分析。该工程CRD工法优化前后技术经济分析表见表3。

结合工程造价的构成，通过表3可知：

表3 CRD工法优化前后技术经济分析表

1）CRD工法优化后人工费、机械费较工法优化前节约30.6%。

2）CRD工法优化后工期较工法优化前节约25.0%。

由此可见，采用CRD工法优化后在工程造价和工期方面较工法优化前更优一些。

6 结语

以贵阳地铁3号线大营坡站—茶店站区间隧道CRD工法开挖为背景，探讨了贵阳典型岩溶地区大断面区间隧道CRD工法优化问题，利用有限元软件对工法优化前后进行了围岩变形和应力变化数值模拟分析，并对现场监测数据和技术经济性进行分析，在人工费、机械费方面可节约30.6%，提高了开挖进度，平均提高到工法优化前的1.33倍。优化CRD工法具有施工工序转换快、地表沉降控制好等优点，提高机械设备工效，保障施工安全性和可靠性。