隧道CRD工法中臺階長度對掌子面穩定性影響研究

文 輝 孫 壽

(中交隧道局第二工程有限公司,陜西 西安 710007)

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隧道CRD工法中臺階長度對掌子面穩定性影響研究

文 輝 孫 壽

(中交隧道局第二工程有限公司,陜西 西安 710007)

以某左右線分離式四車道隧道洞口段為例，建立了三維數值仿真模型，對采用4步CRD法施工時臺階長度對掌子面穩定性的影響進行了研究，研究表明，CRD法分部開挖時，掌子面縱向位移隨分部開挖臺階長度增大而減小，臺階長度增大有利于掌子面穩定。

隧道工程，CRD工法，臺階長度，掌子面穩定性

0 引言

某左右線分離式四車道隧道洞口段埋深20 m～30 m，地面坡度較緩。洞口段圍巖為殘坡積、沖洪積碎石層，土體松散，粘結性差，遇水極易坍塌，同時隧道位于河床線以下，隧道圍巖地下水富集。參考國內外相關工程案例，并經分析后確定采用4步CRD法施工。主要支護參數為：初期支護25 cm厚C20噴射混凝土，Ⅰ20工字鋼間距50 cm。系統錨桿:φ42小導管，L=3.5 m，環向間距1 m。二次襯砌：55 cm厚C45S8防水混凝土。

從國內外一些類似工程，尤其是廈門翔安隧道建設過程看，在富水、地層軟弱等困難條件下修建大跨度隧道，即使采用工序較為復雜、安全性相對較好的CRD法，施工中也面臨諸多挑戰，其中重點和難點為預防和控制坍塌、支護結構的大變形、開裂以及沉降過大等。以下重點就掌子面穩定性及相關影響因素等方面的研究進行介紹。

1 隧道掌子面穩定性分類

根據巖體強度、拱部效應、圍巖變形、掌子面應力狀態等，隧道掌子面穩定性可分為：

1)整個掌子面穩定；2)隧道掌子面短期穩定；3)掌子面巖體過度松弛，不穩定。隧道掌子面穩定分類如表1,圖1所示。

由圖1可看出，隧道掌子面穩定狀態與掌子面的擠出位移和拱頂沉降等變形指標有密切關系。掌子面的縱向擠出位移過大，通常預示著隧道掌子面穩定狀態的改變，即，掌子面由短期穩定狀態向不穩定狀態轉變，如圖2所示。

2 臺階長度對掌子面穩定性的影響

在軟弱地層中進行CRD法施工，需要合理確定各開挖面之間的間隔距離，即臺階長度。既有施工實踐表明，支護參數不變的情況下，隧道全斷面支護封閉成環時間的長短直接決定了支護結構與圍巖的最終變位值，縮短臺階長度，及時對各開挖面支護封閉成環，可降低支護結構的總沉降量，有利于支護體系的安全穩定；同時，臺階長度應滿足掌子面穩定以及施工作業的需要，不宜過短。

為此，就臺階長度對掌子面穩定的影響情況進行對比分析。臺階長度選取1 m～15 m等10個工況，采用三維有限元模型進行分析，分析模型如圖3所示(圖中臺階長度6 m)。

表1 隧道掌子面穩定性分類

分析表明，因地層軟弱，在分部臺階開挖時，存在掌子面穩定性較差的問題，以下采用擠出位移作為指標，如臺階長度2 m工況，下臺階開挖完成后，掌子面擠出位移情況如圖4所示。

從圖4可看出，超短臺階時，掌子面附近的上、下臺階實際是一起聯動的。為更清楚顯示上、下臺階掌子面的位移，將隧道掌子面前方圍巖單獨取出，并做適當剖面，如圖5所示。由圖可以看出，在不采取措施的情況下，掌子面整體向外擠出，下臺階位移明顯大于上臺階；上、下臺階擠出位移呈現為“鼓肚”形狀。

由上可見，上、下臺階掌子面中部是隧道CRD開挖時分部掌子面縱向擠出位移較大的部位，選取該位置典型節點的縱向擠出位移作為掌子面穩定性的指標，則CRD法施工時，臺階長度不同時，該位置擠出位移變化情況如圖6所示。

從圖6可看出：

1)CRD法分部開挖時的臺階長度對掌子面的穩定狀態有直接影響。

2)掌子面縱向位移隨分部開挖臺階長度增大而減小，臺階長度增大有利于掌子面穩定。但臺階長度增至某范圍時，臺階效應開始減弱。

本工程臺階長度比較適合的距離是1倍開挖跨度，因此，此時上、下臺階開挖的相互影響較小，有利于上臺階施工時的掌子面穩定。同時，1倍開挖跨度的臺階長度(6 m左右)，能滿足開挖和支護等小型機械作業要求。

3 結語

本文利用三維隧道專用FEM分析軟件MIDAS/GTS就CRD施工時臺階長度對掌子面穩定性影響進行了分析和研究，主要結論如下：

1)隧道施工過程中，根據巖體強度、拱部效應、掌子面變形和應力情況等，隧道掌子面狀態可分為穩定、短期穩定、不穩定等三類狀態，掌子面的穩定狀態與掌子面縱向擠出位移、拱頂沉降等變形指標直接關聯，可根據掌子面擠出位移大小對其穩定狀態作定性評價。

2)CRD法分部開挖時的臺階長度對掌子面的穩定狀態有直接影響。掌子面縱向位移隨分部開挖臺階長度增大而減小，臺階長度增大有利于掌子面穩定。從掌子面穩定性、小型機械作業要求等因素考慮，本工程CRD法施工時，臺階長度比較適合的距離是1倍開挖跨度。

[1] 汪小敏,黃宏偉,謝雄耀.軟弱圍巖隧道施工三維有限元分析[J].地下空間與工程學報,2007,3(6):1114-1118.

[2] 郭桃明,李德武,宋 妍.核心土對軟弱圍巖隧道掌子面穩定性的影響[J].蘭州交通大學學報，2007,26(6):34-37.

[3] 史彥文,丁小軍,韓常領.極軟巖隧道沉降變形的控制措施[J].中外公路,2009,29(4):397-400.

The influence research on step length to tunnel face stability in tunnel CRD method

Wen Hui Sun Shou

(CCCCTunnelBureauSecondEngineeringLimitedCompany,Xi’an710007,China)

Taking a left-right lines separate four lane tunnel portal section as an example, this paper established 3D numerical simulation, researched the influence of step length to tunnel face stability using four step CRD method construction, the research showed that the CRD method subsection excavation, the longitudinal displacement of tunnel face subsection excavation increased with step length, the step length increased conducive to the stability of tunnel face.

tunnel engineering, CRD method, step length, tunnel face stability

1009-6825(2017)17-0153-03

2017-03-13

文 輝(1982- )，男，工程師

U455

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