软弱围岩地层CRD法施工隧道沉降数值模拟分析

王 鹏

（华设设计集团股份有限公司,江苏 南京 210014）

0 引言

随着城市交通的飞速发展，城市对地铁建设的需求日益增多，国家隧道工程也快速发展，在隧道建设过程中，通常会遇到隧道近距离下穿既有建筑或道路的情况，且大多数情况为浅埋隧道[1]。浅埋隧道在开挖时，若施工方法不当，会导致地表产生过大沉降，进而破坏地表现状的建筑物及道路，因此选择合适的施工方式控制地表沉降尤为重要。目前开挖隧道常用的方法有交叉中隔壁法（CRD法）、中隔壁法（CD法）、双侧壁导洞法以及三台阶法。其中CRD法同时具有台阶法和双侧壁导坑法的优点，适用于对施工扰动较为敏感的软弱围岩地层，以及严格要求地面沉降的工程[2]。

国内外学者针对不同开挖方法、施工工序对隧道地表沉降的影响展开了诸多数值模拟分析。严鹏飞[3]建立数值模型，分析不同隧道埋深对地表沉降的影响。结果表明，随着埋深的增加，拱顶沉降表现为先增加后减小，当隧道埋深为3倍隧道开挖直径时，拱顶沉降达到最大，约为6.7 mm。黄春峰[4]以乌鲁木齐地铁河南路段工程为依托，使用PFC3D软件，分析新建隧道下穿既有隧道时对既有隧道的竖向位移影响，发现当新建隧道开挖至既有隧道下方时，已建隧道竖向位移变化较大，但未发生明显位移突变。梁海涛等[5]基于张家口东太平山隧道工程，采用Midas GTS/NX数值模拟软件，从竖向沉降、拱顶沉降、仰拱隆起、水平收敛和地表沉降五个方面对比了不同施工工法对隧道变形控制效果。柳之森[6]基于武汉地铁5号线彭司区间隧道工程，探讨了软弱围岩条件下CRD工法开挖地铁隧道的施工重难点，强调需及时做好上部围岩监测，防止坍塌。屈文彬[7]使用Ansys建立软弱砂岩CRD法隧道开挖模型，分析了初期支护的变形情况与应力分布，发现模型水平位移值较小，而拱顶沉降与拱底隆起变化较大，现场监测值验证了模型的准确性，最后提出施工建议：实际施工中应考虑预留核心土，增大开挖掌子面开挖步距，以减小地层扰动，保证施工的安全性。

该文以大顶山隧道下穿沈丹高速公路工程为依托，采用ANSYS建立岩石层与隧道模型，采用FLAC3D有限差分软件建立软弱围岩地层CRD法施工隧道的三维模型，并与CD法、双侧壁导洞法进行对比，研究在不同工法作用下，隧道施工时的地表沉降变化规律，研究成果可为后续类似施工工程提供参考。

1 工程概况及施工工法

1.1 工程概况

该隧道下穿沈丹高速公路，与公路交叉角度为60°。隧道开挖顶面与路面净距约为13.2 m，围岩等级为Ⅴ级，多为水平层理薄层状页岩、强风化、岩体破碎，节理发育与岩体条件差，极易发生坍塌甚至冒顶。围岩中含有裂隙水，地表有山间流水，且围岩裂隙与山间地表存在连通的可能性。

1.2 CRD施工工法

CRD工法，又称交叉中隔壁法。CRD工法施工步骤：首先开挖左侧上导洞①，间隔一定距离后开挖左侧下导洞②，在中间部位做中隔壁，起临时支撑作用，然后开始右侧上导洞③，间隔一定距离开挖右侧下导洞④，最后开挖⑤部，及时施作第二层初期支护，并及时施作仰拱，如图1所示[8]。CRD工法将隧道分为5个部分错距开挖，开挖过程中步步成环，提高了施工的安全性，可有效控制水平与竖向位移，适用于开挖直径较大、地层条件较差的不稳定岩体，和严格要求地面沉降的地下工程。

图1 CRD法施工工序图

2 数值模型

2.1 数值模型建立

隧道下穿高速公路区域内围岩等级为Ⅴ级，工程地质条件较差，计算模型时采用摩尔-库伦破坏准则。有限元模型计算范围在水平方向通常取3~5倍的车站主体隧道跨度，在竖直方向向上取至地表。根据该工程实际地质条件，该模型水平方向取3倍隧道跨度，约为105 m；在竖直方向，向上至地表，隧道底部向下取至2倍隧道开挖直径，深度约为64 m；模型纵向长度按50 m计算。

模型上部地表设置为自由边界，隧道四个侧面约束模型的水平位移，底部约束模型的竖向位移，初始应力场考虑为自重应力场。基本可变荷载主要为地面超载、交通荷载、设备荷载以及施工荷载。考虑隧道上方交通荷载的影响，均布荷载按50 kN/m2考虑。计算模型图如图2所示。

图2 计算模型

2.2 模拟分析结果

将隧道分成5个小导洞分别开挖，建立二维模型，模拟各分部开挖。开挖过程中各部分沉降规律如图3所示，工后整体沉降云图如图4所示。

图3 CRD工法分步开挖位移云图

图4 CRD工法工后模型整体沉降云图

在模拟开挖过程时，设置21个地表沉降监测点，从隧道中心开始沿横向每3 m设置一个监测点，监控范围为60 m，每侧各30 m；纵向分别于路面-0.5 m、-15 m、-25 m、-35 m、-49.5 m处设置监测点。各部开挖结束后地表监控点的整体沉降如图5所示。

图5 CRD工法工后地表沉降

从CRD分步开挖位移云图3可知，开挖左导洞，即①②导洞开挖时，①②导洞开挖造成的沉降差较小。当开始开挖右侧上导洞③时，地表沉降突变明显。当④⑤导洞开挖时，沉降值变化。当临时支撑拆除后，沉降值增加较小。因此，不难发现：在右导洞开挖时，特别是③导坑，以及临时支撑拆除这几个过程，地表沉降突变明显，在施工过程中应注意其突变，必须严格按照施工图施工，并及时喷射混凝土、施做初期支护，提高监测频率。从CRD工法工后模型整体沉降云图4以及工后地表沉降图5可知，地表最大沉降发生在隧道上方中心线位置，地表沉降最大值约为3.7 mm，且隧道两侧沉降沿隧道中心线对称分布。

3 CRD法与CD法、双侧壁导洞法沉降对比

3.1 CD法

采用CD法施工，工后地表沉降如图6所示，隧道上方地表沉降最大值为6.40 mm，发生在隧道中心线正上方，距地面0.5 m处，随着埋深增加沉降减小；沉降值从隧道中心线上方向两侧递减，且隧道上方地表两侧沉降沿隧道中心线近似对称分布。

图6 CD工法工后地表沉降

3.2 双侧壁导洞法

双侧壁导洞法工后地表沉降如图7所示，由图可知，各路面断面沉降差别较小，隧道上方地表沉降最大值为5.50 mm，发生在隧道中心线正上方，沉降值从隧道中心线上方向两侧递减，隧道两侧沉降沿中心线对称分布。

图7 双侧壁导洞法工后地表沉降

4 结论

该文依托大顶山隧道下穿沈丹高速公路工程，研究了不同施工工法的分部开挖地表沉降规律。主要结论如下：

（1）应用CRD施工方法在①号导坑开挖时，地表沉降变化明显，同时③开挖以及临时支撑拆除时沉降变化也相对比较明显，所以施工过程中上台阶开挖时应特别注意，必须及时施做初期支护，同时提高监测频率，根据监测情况采取相应措施以保证施工安全。

（2）施工过程中隧道最大沉降发生在隧道中心线上方，且隧道两侧沉降沿中心基本呈对称分布。CRD法、CD法、双侧壁导洞法3种施工方法工后最大沉降分别为3.6 mm、6.4 mm、5.5 mm，说明CRD施工在地表沉降控制方面表现较好。