淺埋暗挖隧道上軟下硬地層工法轉換關鍵技術研究

趙春華

(中鐵隧道集團杭州公司，浙江 杭州 310000)

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淺埋暗挖隧道上軟下硬地層工法轉換關鍵技術研究

趙春華

(中鐵隧道集團杭州公司，浙江 杭州 310000)

摘要:以杭州紫之隧道為工程背景，通過對初期支護鋼拱架應力分布規律及現階段圍巖成拱能力進行分析，探討在本工程特有地質情況下進行工法轉換的可行性；利用大型有限元軟件ABAQUS分別對掌子面不同入巖深度的11種工況進行二維開挖支護數值模擬，得到不同入巖深度對圍巖及支護結構變形影響規律，確定合理的工法轉換時機；并針對杭州紫之隧道埋深淺、周邊環境復雜、不宜進行爆破施工的實際情況，進行三臺階法非爆破快速施工機械選型研究，經過論證采用260型挖掘機搭載RW120型液壓臥式巖土銑挖機進行銑挖施工。由于工法轉換的成功實施，在保證施工安全的前提下，有效提高了施工效率，對今后上軟下硬地層中的隧道施工具有借鑒意義。

關鍵詞：隧道工程；上軟下硬地層；工法轉換； 機械選型

隨著城市基礎設施建設的不斷深化，淺埋暗挖法在我國的地鐵及市政工程中應用日趨廣泛。關于淺埋暗挖法的研究工作雖已取得很多成果，但多數淺埋暗挖施工均是在土層相對單一的地層中進行，對于在上軟下硬特殊地層中進行淺埋暗挖施工國內外經驗較少[1-2]。上軟下硬地層具有一個顯著特點，巖石空間分布差異大；當在上軟下硬特殊地層中進行淺埋暗挖施工時，出于安全、成本及進度等綜合考慮，單一的開挖方法往往不能滿足施工要求，因地制宜的提出施工方案，結合不同地質情況采取適宜的開挖方法往往能取得良好的工程效果[3-6]。綜上所述，針對上軟下硬地層中淺埋暗挖隧道施工方法轉換問題進行詳細研究顯得尤為重要。杭州紫之隧道地層總體呈“上軟下硬”，巖石空間分布差異大，單一的開挖方法已不能滿足施工要求。隨著號地層凝灰質粉砂巖侵入掌子面，掌子面入巖深度不斷增加，原設計采用CRD法施工已嚴重阻礙施工進度。本文以此為工程背景，探討在本工程特有地質情況下進行工法轉換的可行性，分析確定合理的工法轉換時機，并對三臺階法非爆破快速施工機械選型進行了研究。由于工法轉換的成功實施，及時進行工法調整，在保證施工安全的前提下，有效提高了施工效率，對今后上軟下硬地層中的隧道施工具有一定的指導作用。

1工程概況

杭州市紫之隧道(紫金港路-之江路)土建工程第VI標段，南起紫金港路與西溪路交叉口，北至紫金港路包建港橋附近，全長1 440 m。暗挖隧道設計為雙線雙向四車道，其中東線長869.1 m、西線長877.1 m，斷面開挖跨度12.8 m，高9.7 m，開挖面積102.8 m2。淺埋暗挖隧道段下穿紫金港路、天目山路等城市主要交通道路，車流量大，地下管線眾多；同時，隧道依次下穿沿山河橋、杭州汽車西站、中紀委培訓中心等建筑物，周邊環境復雜；且瀕臨世界級景區施工，對地表變形控制及環保要求較高。淺埋暗挖段隧道以V和VI級圍巖為主，地層總體呈“上軟下硬”，地質縱斷面圖如圖1所示。隨著隧道的不斷掘進，號地層凝灰質粉砂巖開始侵入掌子面，掌子面入巖深度不斷增加。原設計采用CRD法施工，工作面被分割成多處小空間，只能人工或小型機械開挖，嚴重阻礙施工進度。由于隧道埋深較淺(埋深約20 m)，且周邊環境復雜，鄰近建(構)筑物眾多，爆破對周邊擾動大，不適宜采用爆破施工。為保證施工進度不受影響，擬考慮進行工法轉換，采用三臺階法施工，增強外支護措施，不架設臨時支撐，為大型施工機械提供足夠作業空間，提高施工效率。

圖1　地質縱斷面圖Fig.1 Longitudinal profile of geology

2工法轉換可行性分析

2.1　特有地質條件下初期支護鋼拱架應力分布規律

為探究在本工程特有地質情況下淺埋暗挖隧道初期支護鋼拱架應力分布規律，以期能為工法轉換的可行性研究提供現場數據支撐，選取K13+439里程處作為科研斷面，對鋼拱架應力進行實時監測。K13+439斷面上臺階1和2部開挖支護時間為08-15，下臺階3和4部開挖支護時間為08-21，隧底5和6部開挖時間為09-01左右，且此時初支封閉成環。

圖2為K13+439斷面不同測點鋼拱架應力時程曲線圖，由圖2對比分析可知，在整個隧道施工過程中臨時支護(中隔壁、臨時仰拱)鋼拱架的應力水平遠遠低于永久支護鋼拱架。以上分析表明，在本工程特有的地質情況下，臨時支護(中隔壁、臨時仰拱)荷載分配比重遠小于初期支護。表1詳細列出了穩定階段鋼拱架各測點應力分布情況，分析表中數據可知，臨時支護鋼拱架應力水平較永久支護鋼拱架低，受力較小。

綜上所述，在本工程特有的地質情況下臨時支撐(中隔壁、臨時仰拱)受力較小，應力水平遠遠低于永久支護鋼拱架，臨時支護荷載分配比重遠小于初期支護。隨著目前掌子面入巖深度的增加，圍巖穩定性越來越好，圍巖自承能力強，臨時支撐受力亦不可避免地會隨之進一步減小，可以考慮進行工法轉換，采用臺階法，不架設臨時支撐，擴大作業空間，提高施工效率。

圖2　鋼拱架應力監測分析Fig.2 Monitoring and analysis of steel arch stress

表1　穩定階段鋼拱架應力分布

另一方面，原設計采用CRD法施工，CRD法基于分塊開挖思想，在施工過程中開挖和臨時支護拆除多次擾動圍巖，致使圍巖多次進行應力重分布，造成圍巖二次變形；且其工序轉化復雜，操作空間小，不利于大型機械設備的使用，施工進度慢。目前，本工程地質條件越來越好，圍巖自承能力強，選取臺階法進行施工，既可避免分部開挖多次擾動圍巖，同時也為機械化施工提供足夠的作業空間，提高施工效率，保證施工進度，并能減少由于增加臨時支護帶來的額外預算。

2.2　現階段地質情況成拱能力分析

圍巖拱效應是指圍巖為抵抗洞室開挖引起的圍巖不均勻變形而進行自我調節的一種現象[7]，如果把圍巖和支護結構看成一個整體，壓力拱是保證洞周穩定和減小支護結構受力的內在原因。其主要特點是洞室開挖，初始應力場被打破，荷載傳遞路線發生偏離，主應力方向發生偏轉，并形成重分配應力場，最大主應力流線形呈拱形狀[8-9]。洞室開挖后，圍巖最大主應力將隨之增大，在洞室周圍形成一個應力集中區，此應力集中區即為圍巖壓力拱。根據圍巖應力分布特征，洞室開挖后圍巖可分為應力釋放區、應力集中區和原始應力區3個區域，如圖3所示，其中應力集中區是圍巖主要承載單元，可以根據應力集中區的范圍來確定圍巖壓力拱的內外邊界。

圖3　圍巖應力分區Fig.3 Surrounding rock stress partition

壓力拱的內邊界為圍巖松動區與壓力拱(應力集中區)的分界線，由于拱體自身和其上的荷載向洞室兩側轉移，在拱體內部最大主應力增大，最小主應力減小，最大主應力達到最大處即為內邊界。

壓力拱的外邊界為壓力拱(應力集中區)與原始應力區的分界線，在原始應力區，圍巖的應力狀態基本不受隧道開挖的影響，圍巖應力趨近于地層初始地應力。據此，可用圍巖中主應力的變化率來判斷圍巖是否屬于拱體，如變化率過大，則被認為該部分圍巖進入了拱體，反之未進入拱體。一般認為，開挖前后的圍巖主應力差與原主應力比不超過3%，圍巖受隧道開挖影響可忽略不計，圍巖屬于原始應力區。

為研究在本工程特有地質情況下隧道開挖圍巖成拱能力，利用大型有限元軟件ABAQUS根據實際地質情況建立隧道開挖模型。為分析隧道開挖后圍巖應力分布規律，在模型中定義了一條具有代表性的應力監測路徑，如圖4所示，路徑起點為隧道邊緣(拱頂)，終點為模型邊界。

由圖5可知，隧道開挖后圍巖發生應力重分布，最大主應力在距離拱頂3 m處達到最大；因此，壓力拱內邊界為距拱頂3 m處。由圖6及表2可知，隧道開挖后，圍巖在距拱頂12 m處最大主應力變化率開始小于3%，所以壓力拱外邊界為距拱頂12 m處。

圖4　應力監測路徑示意圖Fig.4 Stress monitoring path

由以上分析可知，現階段工程地質條件良好，圍巖能形成壓力拱(壓力拱內邊界為距拱頂3 m處，外邊界為距拱頂12 m處)，具有良好的自穩能力，能保證洞周穩定及減小作用在支護結構上的土壓力；綜上所述，現階段地質情況已適宜進行工法轉換，采用三臺階法施工，為機械化施工提供足夠的作業空間，提高施工效率。

圖5　監測路徑開挖后最大主應力Fig.5 Maximum main stress of monitoring path after excavation

圖6　監測路徑開挖前后最大主應力對比Fig.6 Contrast about the maximum main stress of monitoring path before and after excavation

表2　監測路徑開挖后最大主應力變化率

表2　監測路徑開挖后最大主應力變化率

表2　監測路徑開挖后最大主應力變化率

表2　監測路徑開挖后最大主應力變化率

3工法轉換時機研究

為確定合理的工法轉換時機，將工法轉換帶來的施工風險降到最低，利用大型有限元軟件ABAQUS分別對掌子面不同入巖深度的11種工況進行二維開挖支護數值模擬，以得到不同入巖深度對圍巖及支護結構變形影響規律，確定出合理的工法轉換時機。

3.1　數值計算模型

3.1.1模型幾何尺寸

基于圣維南原理，為了使模型不產生明顯的邊界效應，模型尺寸一般要取3~5倍洞徑，本隧道模型尺寸橫向取為90 m，豎向上部取至地表，下部取至地勘鉆孔底部，豎向總高度為50 m。根據設計圖紙及地勘資料將模型豎向簡化劃分為上下兩種地層，上層為粉質粘土混碎石，下層為中風化凝灰質粉砂巖。

3.1.2計算模擬工況

為分析掌子面不同入巖深度下圍巖、支護結構變形的變化規律，沿豎向分別選取11種不同入巖深度工況進行數值分析，具體工況劃分見圖7所示。注：圖中“0”代表土石分界線位于隧道底部，“2.5”代表土石分界線位于隧道底部以上2.5 m處，依次類推。

圖7　不同入巖深度劃分圖Fig.7 Different rock depth distribution

3.2　計算結果分析

隨著掌子面入巖深度的增加，拱頂沉降、隧底隆起及地表沉降變化規律如圖8所示，不同入巖深度下拱頂沉降、隧底隆起及地表沉降數值見表3。

表3　不同入巖深度圍巖及支護結構變形值

圖8　不同入巖深度圍巖及支護結構變形曲線Fig.8 Surrounding rock and supporting structure deformation curve at different rock depth

由以上分析可知：1)不同掌子面入巖深度下拱頂沉降變化曲線大致可以分為2個階段：第1階段是入巖深度從0~11 m，隨著入巖深度的增加，拱頂沉降急劇減小；第2階段，入巖深度大于11 m，巖層已經完全覆蓋隧道拱頂后，拱頂沉降隨入巖深度的增加變化很小，基本穩定。2)隧底隆起受掌子面入巖深度影響較小，不同入巖深度下，隧底隆起基本無變化。3)不同掌子面入巖深度下地表沉降的變化曲線大致可以分為3個階段：第1階段是入巖深度從0~5 m，隨著入巖深度的增加，地表沉降急劇減小；第2階段，入巖深度從5~11 m，隨著入巖深度的增加，地表沉降減小速率趨于緩和；第三階段，入巖深度大于11m，巖層已完全覆蓋隧道拱頂后，地表沉降隨入巖深度的增加基本無變化。

通過以上分析可知，隨著掌子面入巖深度的增加，圍巖變形呈減小的趨勢，并最終都趨于穩定，其大小不再隨入巖深度的增加而變化，表4為圍巖變形不隨掌子面入巖深度增加而變化時的入巖深度值。綜合考慮安全、經濟等因素，最終確定在掌子面入巖深度為11 m時進行工法轉換，由原設計的CRD工法改為三臺階法進行施工。

表4　圍巖變形穩定入巖深度值

4三臺階法非爆破快速施工機械選型研究

根據以往類似施工經驗，淺埋暗挖硬巖隧道多采用爆破或液壓破碎錘開挖。采用爆破施工對圍巖擾動大，易造成圍巖掉塊或坍塌，存在較大安全隱患，杭州紫之隧道埋深較淺(埋深約20 m)，周邊環境復雜，鄰近建(構)筑物眾多，不宜進行爆破施工。采用液壓破碎錘施工超挖現象較嚴重，并且開挖效率低，無法滿足目前的施工進度要求。以上分析表明，本工程不適宜采用傳統的爆破或液壓破碎錘進行施工。

雷向峰[10]通過對5座不同地質情況隧道進行統計，分析不同地質條件下隧道銑挖工藝的施工效率，詳細數據如表5所示。對數據進行擬合分析，銑挖機施工效率隨圍巖強度變化規律如圖9所示，由圖9可知，施工效率隨圍巖強度的增大而急劇減小，且當圍巖強度大于20 MPa時銑挖施工效率低，不宜采用銑挖機施工。隨著掌子面入巖深度的增加，杭州紫之隧道侵入掌子面巖石主要為12-3號地層中風化凝灰質粉砂巖，天然單軸抗壓強度約為14.18 MPa，由圖9可知，在此圍巖強度下銑挖施工效率較高，表明在本工程特有地質情況下采用銑挖機施工是合理可行的，能滿足工期要求。并且，采用銑挖施工對圍巖、已支護拱架擾動小，同時能很好的控制超欠挖現象。

圖9　不同圍巖地質情況下的銑挖工效統計示意圖Fig.9 Curve of efficiency of milling excavation method in different geological conditions

表5　不同地質情況下銑挖工效統計分析

根據隧道圍巖強度特征、斷面大小，綜合考慮經濟、銑挖工效等因素，最終選用泰安恒大機械有限公司夯神RW系列中的RW120型液壓臥式巖土銑挖機進行銑挖施工。夯神RW系列液壓銑挖機是采用專利技術研發的新型巖土銑挖機械，成套采用了世界名牌液壓驅動裝置及零部件。銑挖機安裝在260型挖掘機斗桿前端，直接利用挖掘機的液壓動力驅動和操控。RW120型液壓臥式巖土銑挖機主要性能及技術參數如表6所示。圖10為銑挖機正在進行上臺階銑挖施工，根據現場統計，每小時開挖量可達到25m3，施工效率高。

圖10　上臺階銑挖Fig.9 Excavation of upper step

表6　RW120型液壓臥式巖土銑挖機主要性能及技術參數

5工法轉換合理性驗證

5.1　現場監控數據分析

進行工法轉換后，由原設計CRD法改為三臺階法施工，不架設臨時支撐，擴大作業空間，方便大型機械銑挖機施工。為探究在本工程特有地質情況下三臺階法施工圍巖穩定性狀況，進行工法轉換后，對隧道圍巖變形進行了實時監測。此處選取隧道東西線拱頂沉降進行分析，東西線拱頂沉降測點分為GD37-E(東線)、GD33-W(西線)，拱頂沉降累積變形時程曲線、拱頂沉降速率曲線、拱頂沉降加速度曲線分別見圖11~13。

圖11　拱頂沉降累積變形時程曲線Fig.11 Deformation curve of crown displacement

圖12　拱頂沉降變形速率時程曲線Fig.12 Deformation rate curve of crown displacement

圖13　拱頂沉降變形加速度時程曲線Fig.13 Deformation acceleration curve of crown displacement

由圖11拱頂沉降累積變形時程曲線圖分析可知，三臺階法施工過程中隧道圍巖在初期階段變形速率較大，圍巖累積變形一直處于急劇爬升狀態；約經過15 d，變形速率變緩，圍巖變形處于平緩發展階段，并最終趨于穩定。由圖12拱頂沉降速率曲線同樣可看出，歷經15 d后，拱頂沉降速率在0 mm/d附近很小的范圍內波動，幾乎沒有變化，圍巖趨于穩定；圖13拱頂沉降加速度曲線圖也顯示此時圍巖變形加速度基本為0 mm/d2，圍巖變形趨于穩定。以上分析表明，工法轉換合理，工法轉換后三臺階法施工過程中，圍巖變形穩定，無異常變形情況。

5.2　施工進度分析

杭州紫之隧道原設計采用CRD法施工，工作面被分割成多處小空間，只能人工或小型機械開挖，因動力不足，開挖極其困難，施工進度已無法滿足工期要求，如表7所示。通過工法轉換，采用三臺階法施工，將原設計CRD工法的臨時支撐體系轉化為外支護體系，為銑挖施工提供了足夠的作業空間，有效的提高了施工效率。工法轉換后，根據現場反饋施工進度可達3 m/d，而由表7可知完成剩余工程量所需計劃進度約為2.5 m/d，表明工法轉換的實施有效解決了施工進度無法滿足工期要求這一難題。

表7　施工進度分析

6結論

1)杭州紫之隧道地層總體呈“上軟下硬”，巖石空間分布差異大，單一的開挖方法已不能滿足施工要求。隨著號地層凝灰質粉砂巖侵入掌子面，掌子面入巖深度不斷增加，原設計采用CRD法施工已嚴重阻礙施工進度。通過工法轉換，及時調整施工方法，采用三臺階法施工，成功保證了施工進度不受影響。本工程工法轉換的成功實施，可為類似工程項目提供借鑒。

2)選取K13+439里程作為科研斷面，對鋼拱架應力進行實時監測，探究在本工程特有地質情況下初期支護鋼拱架應力分布規律。監測數據顯示，在施工過程中臨時支護(中隔壁、臨時仰拱)鋼拱架的應力水平遠遠低于永久支護鋼拱架，臨時支護荷載分配比重遠小于初期支護。并且，隨著掌子面入巖深度的增加，圍巖穩定性越來越好，臨時支撐受力亦不可避免地會隨之進一步減小。以上分析表明，可以考慮進行工法轉換，不架設臨時支撐，采用三臺階法施工，為大型施工機械提供足夠的作業空間。

3)利用大型有限元軟件ABAQUS對現階段地質情況下圍巖成拱能力進行分析，分析表明，現階段工程地質條件良好，圍巖能形成壓力拱(壓力拱內邊界為距拱頂3 m處，外邊界為距拱頂12 m處)，具有良好的自穩能力，能保證洞周穩定及減小支護結構受力。綜上所述，現階段地質情況已適宜進行工法轉換，采用三臺階法施工，為機械化施工提供足夠的作業空間，提高施工效率。

4)利用大型有限元軟件ABAQUS分別對掌子面不同入巖深度的11種工況進行二維開挖支護模擬，分析不同入巖深度對圍巖及支護結構變形影響規律，以確定合理的工法轉換時機。分析表明，隨著掌子面入巖深度的增加，圍巖變形呈減小趨勢，當掌子面入巖深度大于11 m時其大小不再隨入巖深度的增加而變化，綜合考慮安全、經濟等因素，選在掌子面入巖深度為11 m時進行工法轉換，由原設計的CRD工法改為三臺階法進行施工。

5)杭州紫之隧道埋深淺，周邊環境復雜，工期緊，不宜采用傳統的爆破或液壓破碎錘進行施工。通過研究銑挖施工效率隨圍巖強度變化規律，發現本工程掌子面圍巖強度下(天然單軸抗壓強度約為14.18 MPa)銑挖施工效率較高，采用銑挖施工合理可行。綜合考慮經濟、銑挖工效等因素，選用260型挖掘機搭載RW120型液壓臥式巖土銑挖機進行銑挖施工。根據現場反饋，每小時開挖量約為25 m3，銑挖施工進度可達3 m/d，表明工法轉換的實施有效解決了施工進度無法滿足工期要求這一難題。

6)為探究工法轉換后三臺階法施工圍巖穩定性狀況，對隧道圍巖變形進行了實時監測，監測數據顯示圍巖變形穩定，無異常變形情況，表明工法轉換時機正確，工法轉換合理。

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(編輯陽麗霞)

Research on key technology of shallow-buried tunnel’s constructionmethod conversion in upper-soft lower-hard strata

ZHAO Chunhua

(Hangzhou Company, China Railway Tunnel Group , Hangzhou 310000, China)

Abstract:Based on the practical tunnel project of Hang Zhou Zi Zhi , this paper presents the feasibility of method conversion under special geological conditions by analyzing its initial bracing steel arch’s stress distribution rule and surrounding rocks’ arching ability on the present stage.Large-scale finite element software ABAQUS is applied in the two-dimensional numerical simulation of the tunnel excavation and Support under 11 different working conditions corresponding to tunnel face’s different depth into rock.Reasonable timing of method conversion is determined on the base structural deformation rule of the surrounding rocks and supporting caused by tunnel face’s different depth into rock.Based on the machinery selection study of three-step non-blasting rapid construction in the actual situation where blasting construction method is unfavorable due to a comprehensive consideration of tunnel’s buried depth and complicated surrounding environment ,a milling and digging method is proposed to apply with the use of 260 Excavator together with RW120 Hydraulic Horizontal Geotechnical Milling Driver.On the premise of safe construction, the successful implementation of method conversion means the efficiency increasing of construction.It also has referentin meaning for tunnel construction in upper-soft lower-hard strata.

Key words:tunnel engineering; upper-soft lower-hard strata; method transformation; machinery selection

通訊作者：趙春華(1971-)，男，云南彌勒人，高級工程師，從事隧道與地下工程領域研究工作；E-mail: 1336476694@qq.com

基金項目：國家自然科學基金資助項目(U1134208)；中鐵隧道集團科技創新計劃資助項目(隧研合2013-30)

收稿日期：2015-08-27

中圖分類號：U455

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2015)06-1444-08