CRD法和臺階法施工對地鐵隧道圍巖變形的影響分析

劉小川

摘 要：本文將以青島地鐵1號線水開區(qū)間隧道工程為基礎(chǔ)，應(yīng)用CRD法（交叉中隔墻法）以及臺階法動態(tài)監(jiān)測隧道施工過程中圍巖變形狀況，回歸處理數(shù)據(jù)信息，借助相應(yīng)軟件模擬分析這兩種方法。在相關(guān)研究中可知，借助CRD法一般可以更有效地對水平收斂量以及拱頂沉降加以控制，使圍巖受到施工擾動的程度降低，在維持圍巖穩(wěn)定性、自持能力上作用明顯。與此同時，施工過程中借助臺階法可以使快速開挖隧道得以實(shí)現(xiàn)，但是在有較高施工要求或者有復(fù)雜地層條件區(qū)域中還應(yīng)采用CRD法展開施工，從而進(jìn)一步對圍巖變形加以控制，使圍巖保持穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：CRD法；臺階法；地鐵隧道施工；圍巖變形；施工質(zhì)量

中圖分類號：U451.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-9052（2020）04-0182-02

如今地鐵隧道施工過程中常用的開挖法主要有臺階法、中壁法以及雙側(cè)導(dǎo)坑開挖法等。在不同環(huán)境、條件下，一般會采用不同的方法。因此，在實(shí)際篩選施工方案的時候，需要按照工程要求、地質(zhì)狀況、周邊環(huán)境以及隧道埋深與斷面等進(jìn)行綜合篩選。在此過程中，不同開挖方法會在不同程度上影響圍巖，而在對比不同方法圍巖的變形特征時，能幫助施工部門明確特定環(huán)境中各類方法的優(yōu)劣性，進(jìn)而篩選出最合適的施工方法。

1 工程概況

1.1 工程實(shí)例

青島市地鐵1號線水開區(qū)間兩站點(diǎn)之間全長約為1354.5m。在此區(qū)間，拱頂埋深16～26m，主要穿越地層為微風(fēng)化花崗巖，Ⅱ～Ⅳ級圍巖。沿線下穿、側(cè)穿建筑物較多，距離爆破點(diǎn)最近建筑物距離為12.2m，此處地層地址主要為素填土、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中等風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖、花崗巖（塊狀碎裂巖）。除此之外，區(qū)間地下水類型為潛水，其穩(wěn)定的水位埋深達(dá)14～21m，具有超過約7m的高差，此處地下水主要的流向?yàn)橛杀毕蚰希撍淼赖亩瓷韺艿降叵滤挠绊憽?/p>

本段區(qū)間隧道的斷面結(jié)構(gòu)類型包括：人防段斷面、標(biāo)準(zhǔn)斷面、渡線段（擴(kuò)大段）。其中，渡線段采用的施工方法為CRD法；而標(biāo)準(zhǔn)斷、人防段采用的施工方法為臺階法。本文將對此工程中典型的監(jiān)測斷面作為分析案例，分別研究臺階法與CRD法所引發(fā)圍巖變形的主要規(guī)律。

1.2 圍巖變形監(jiān)測

借助相應(yīng)數(shù)顯收斂儀來監(jiān)測圍巖變形狀況，主要的監(jiān)測內(nèi)容包含了凈空水平收斂量測以及拱頂沉降量測[1]。充分考慮CRD法和臺階法的各自施工特征布置測點(diǎn)，其中因?yàn)榧茉O(shè)了臨時性的橫支撐，因此需要布設(shè)的凈空水平收斂測線為2條。在監(jiān)測拱頂沉降的時候，需要按照“三角形測量”的原理展開動態(tài)監(jiān)測。應(yīng)當(dāng)注意的是，凈空水平收斂量測以及拱頂沉降量測相應(yīng)監(jiān)測作業(yè)需要在相同斷面中展開，同時采用的量測頻率也應(yīng)該相同[2]。

2 數(shù)值模擬

第一，對拱部的小導(dǎo)管展開超前預(yù)注漿，對左側(cè)導(dǎo)坑的第一部分土體進(jìn)行分部開挖，并且將臨時性仰拱架設(shè)于此，以便形成初期的支護(hù)。

第二，對第二部分的土體進(jìn)行開挖作業(yè)，同樣形成初期的支護(hù)。

第三，對拱部的小導(dǎo)管展開超前預(yù)注漿，對左側(cè)導(dǎo)坑的第三部分土體進(jìn)行分部開挖，并且將臨時性仰拱架設(shè)于此，以便形成初期的支護(hù)。

第四，對第四部分的土體進(jìn)行開挖作業(yè)，同樣形成初期的支護(hù)。

以短臺階法對斷面進(jìn)行開挖，在對上半部斷面展開相應(yīng)作業(yè)的時候，需要對核心土進(jìn)行保留，從而將掌子面當(dāng)中三維支撐的作用充分發(fā)揮出來，以便確保掌子面穩(wěn)定性。在開挖作業(yè)中，主要采用的開挖方式為人工開挖，需要確保臺階達(dá)到3.5m的長度，保持鋼拱架有0.5m的間距。在正式開始開挖作業(yè)后，應(yīng)該在第一時間施做臨時性支護(hù)以及初期支護(hù)，使斷面被及時封閉。此過程的主要作業(yè)步驟是：超前注漿小導(dǎo)管→開挖上臺階，對核心土進(jìn)行保留→在上臺階進(jìn)行初期支護(hù)→開挖下部→對下部進(jìn)行初期支護(hù)→對防水層展開施工→先行仰拱。另外，還要采用“先墻后拱”的方法展開二次鋼混襯砌施工。

技術(shù)人員在施工過程中借助相應(yīng)軟件模擬CRD法以及臺階法開挖隧道的過程。同時，為了確保以上述方法更有效地研究圍巖變形所受的相應(yīng)影響，應(yīng)保證兩個模型保持相似。開挖作業(yè)的模擬情況應(yīng)該根據(jù)實(shí)際工序展開，并根據(jù)實(shí)際支護(hù)方式展開模擬。在兩種方法的對應(yīng)模擬階段，需要各自設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)（3個），分別是右拱腰水平收斂監(jiān)測點(diǎn)、拱頂沉降監(jiān)測點(diǎn)以及左拱腰水平收斂監(jiān)測點(diǎn)。

3 實(shí)測與模擬分析圍巖變形

能夠直接反映隧道圍巖變形狀況的因素，便是隧道水平收斂以及拱頂沉降，其能夠?qū)⒖煽啃畔?shù)據(jù)提供給對隧道空間穩(wěn)定性展開判斷的工作當(dāng)中。在隧道施工階段，需要在第一時間將監(jiān)測點(diǎn)布置到設(shè)計(jì)斷面當(dāng)中，同時展開動態(tài)監(jiān)測，進(jìn)而獲得拱頂沉降伴隨時間改變而發(fā)生變化的主要規(guī)律。在分析拱頂沉降的規(guī)律時，還應(yīng)借助相應(yīng)軟件模擬施工的整體流程，進(jìn)而經(jīng)由對比驗(yàn)證以上分析途徑，深入研究兩種方法在應(yīng)用過程中圍巖的變形狀況及其規(guī)律。

3.1 回歸分析實(shí)測數(shù)據(jù)

在每一次觀測隧道的收斂量或者沉降量之后，便需要回歸分析各個量測斷面當(dāng)中的每一條測線，將各自的回歸方程求出來，進(jìn)而對圍巖變形的特征展開深入分析，對其變形規(guī)律加以掌握。借助回歸分析采用臺階法拱頂沉降的實(shí)測數(shù)據(jù)的時候，需要優(yōu)先按照標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)曲線和實(shí)測數(shù)據(jù)信息相應(yīng)曲線的關(guān)聯(lián)程度對最優(yōu)回歸曲線的函數(shù)形式加以確定，而最常用到的回歸曲線主要是指數(shù)函數(shù)。在實(shí)際分析過程中得知，得出的實(shí)測信息數(shù)據(jù)和回歸曲線有著較好的準(zhǔn)確性以及相關(guān)性，可以較為精準(zhǔn)地將拱頂沉降變化趨勢反映出來[3]。

3.2 分析拱頂沉降

當(dāng)開挖隧道施工進(jìn)行到預(yù)設(shè)監(jiān)測斷面的時候，便應(yīng)該在第一時間布置監(jiān)測點(diǎn)，同時伴隨掌子面的持續(xù)推進(jìn)展開收斂監(jiān)測工作。在分析相應(yīng)數(shù)據(jù)信息時，采用CRD法與臺階法展開施工的過程中，拱頂沉降的主要特征為：

第一，在拱頂沉降逐漸穩(wěn)定之前，相應(yīng)曲線主要包含緩慢增長以及快速增長這兩個階段，而對應(yīng)拱頂沉降的速率總體變化曲線呈現(xiàn)漸漸降低的狀況，然而同時都伴有一定波動出現(xiàn)。在有關(guān)人員的分析過程中可知，在上臺階開挖過程中，圍巖也會出現(xiàn)較為明顯的拱頂沉降現(xiàn)象。在開挖下臺階的時候，隧道圍巖的變形速率提升得很明顯。這主要是因?yàn)樵陂_挖掌子面時，裸露在外的土體會持續(xù)增大，使得土體受到的擾動同時加大，進(jìn)而提升了圍巖的變形速率。

第二，在采用以上兩種方法展開施工的時候，不同的拱頂沉降發(fā)展階段有著不同的持續(xù)時間。一是在借助CRD法展開施工的時候，拱頂沉降快速增長會持續(xù)7d左右，而8～17d處于緩慢增長狀態(tài)，在埋設(shè)監(jiān)測點(diǎn)17d之后，整體變化逐漸穩(wěn)定下來；二是在借助臺階法展開施工的時候，拱頂沉降快速增長會持續(xù)10d左右，而在之后的13d中處于緩慢增長狀態(tài)，在埋設(shè)監(jiān)測點(diǎn)23d之后，整體變化漸漸穩(wěn)定下來。

第三，在采用以上兩種方法展開施工的時候，不同的拱頂沉降發(fā)展階段有著不同的沉降速率與幅度。其中，經(jīng)過計(jì)算便能夠獲得相應(yīng)速率、幅度。此外，從實(shí)測數(shù)據(jù)中能夠得知，在采用兩種方法展開隧道施工的時候，拱頂沉降的速率變化呈現(xiàn)出一定的周期性，通過有關(guān)軟件的模擬分析，便可以較為精準(zhǔn)地得出相應(yīng)最大拱頂沉降量。

在實(shí)際分析和對比過程中得知，在隧道圍巖整體變形的過程中，臺階法會引起比CRD法更大的拱頂沉降量。與此同時，在以CRD法展開施工時，其對應(yīng)拱頂沉降變形持續(xù)的時間以及速率等也較小。由此可見，采用CRD法展開此項(xiàng)施工的時候，其引發(fā)拱頂擾動的程度更低，使得圍巖在受到擾動之后可以更為迅速地穩(wěn)定下來。

3.3 分析水平分?jǐn)?/p>

在施工過程中監(jiān)測水平收斂時，也能夠?qū)鷰r變形規(guī)律反映出來。然而因?yàn)楝F(xiàn)場環(huán)境狀況有限，很難及時監(jiān)測拱腰，因此往往會借助“雙測線法”來監(jiān)測水平收斂。結(jié)合實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)信息可知，采用CRD法以及臺階法展開此項(xiàng)施工的時候，水平收斂特征如下：

第一，兩種方法在施工過程中引起水平收斂和拱頂沉降的變化趨勢基本是相同的，整體處于先快速收斂、隨后漸漸變緩直至穩(wěn)定。另外，在不同開挖階段，水平收斂變化規(guī)律各不相同。

第二，在應(yīng)用CRD法和臺階法展開施工的時候，會伴隨不同水平收斂量呈現(xiàn)出不同的發(fā)展持續(xù)時間。一是以CRD法展開施工時，上測線水平收斂量的快速收斂將會持續(xù)8d左右，而在22d后水平收斂逐漸穩(wěn)定；二是以臺階法展開施工時，上測線水平收斂量的快速收斂將會持續(xù)13d左右，而在28d后水平收斂逐漸穩(wěn)定。

第三，在采用兩種方法展開施工的時候，不同階段拱頂沉降收斂速率與幅度也會各不相同，通過相應(yīng)計(jì)算方式便可得到兩種方法各自上、下測線快速收斂階段當(dāng)中的平均收斂速度、最大收斂速度以及累計(jì)收斂量等。與此同時，從相關(guān)實(shí)測數(shù)據(jù)當(dāng)中可知，以上述兩種方法展開施工的時候，其對應(yīng)水平收斂速率變化呈現(xiàn)一定周期性，這主要是因?yàn)楦髯允┕さ墓ば驅(qū)艿焦把鼉蓚?cè)的不同影響。

在實(shí)際分析和對比過程中得知，開展開挖作業(yè)時CRD法相比于臺階法，其引起水平收斂的量更小。同時因?yàn)楦鞒两党掷m(xù)變形的時間及其速率也較小，證明CRD法可以在很大程度上確保圍巖穩(wěn)定。

4 結(jié)語

總體而言，從本文涉及工程案例當(dāng)中可知，圍巖變形通常都會經(jīng)歷三個階段，即快速變形、緩慢變形以及穩(wěn)定時期。借助相關(guān)軟件展開模擬后得知，施工不同階段會造成圍巖呈現(xiàn)出不同變形狀況，而CRD法和臺階法使得各階段變形持續(xù)時間各不相同，其中CRD法往往可以在很大程度上確保圍巖穩(wěn)定，這主要是因?yàn)槠涫┕すば驍_動圍巖的程度比臺階法更小，進(jìn)而可以對水平收斂量以及拱頂沉降進(jìn)行有效控制。如果需要用臺階法施工，則要盡量將仰拱間距減小來確保底部圍巖保持穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳寶軍.岳榮區(qū)間地鐵隧道施工誘發(fā)的圍巖及地表變形規(guī)律研究[D].西安科技大學(xué)碩士論文，2018.

[2]艾光讀.軟弱圍巖隧道施工方法的比較研究[D].蘭州大學(xué)碩士論文，2018.

[3]李越.新建地鐵下穿既有區(qū)間隧道的暗挖工法對沉降變形的影響分析[D].北京交通大學(xué)碩士論文，2017.

（責(zé)任編輯：李凌峰）