軟弱圍巖地層CRD法施工隧道沉降數值模擬分析

王 鵬

（華設設計集團股份有限公司,江蘇 南京 210014）

0 引言

隨著城市交通的飛速發展，城市對地鐵建設的需求日益增多，國家隧道工程也快速發展，在隧道建設過程中，通常會遇到隧道近距離下穿既有建筑或道路的情況，且大多數情況為淺埋隧道[1]。淺埋隧道在開挖時，若施工方法不當，會導致地表產生過大沉降，進而破壞地表現狀的建筑物及道路，因此選擇合適的施工方式控制地表沉降尤為重要。目前開挖隧道常用的方法有交叉中隔壁法（CRD法）、中隔壁法（CD法）、雙側壁導洞法以及三臺階法。其中CRD法同時具有臺階法和雙側壁導坑法的優點，適用于對施工擾動較為敏感的軟弱圍巖地層，以及嚴格要求地面沉降的工程[2]。

國內外學者針對不同開挖方法、施工工序對隧道地表沉降的影響展開了諸多數值模擬分析。嚴鵬飛[3]建立數值模型，分析不同隧道埋深對地表沉降的影響。結果表明，隨著埋深的增加，拱頂沉降表現為先增加后減小，當隧道埋深為3倍隧道開挖直徑時，拱頂沉降達到最大，約為6.7 mm。黃春峰[4]以烏魯木齊地鐵河南路段工程為依托，使用PFC3D軟件，分析新建隧道下穿既有隧道時對既有隧道的豎向位移影響，發現當新建隧道開挖至既有隧道下方時，已建隧道豎向位移變化較大，但未發生明顯位移突變。梁海濤等[5]基于張家口東太平山隧道工程，采用Midas GTS/NX數值模擬軟件，從豎向沉降、拱頂沉降、仰拱隆起、水平收斂和地表沉降五個方面對比了不同施工工法對隧道變形控制效果。柳之森[6]基于武漢地鐵5號線彭司區間隧道工程，探討了軟弱圍巖條件下CRD工法開挖地鐵隧道的施工重難點，強調需及時做好上部圍巖監測，防止坍塌。屈文彬[7]使用Ansys建立軟弱砂巖CRD法隧道開挖模型，分析了初期支護的變形情況與應力分布，發現模型水平位移值較小，而拱頂沉降與拱底隆起變化較大，現場監測值驗證了模型的準確性，最后提出施工建議：實際施工中應考慮預留核心土，增大開挖掌子面開挖步距，以減小地層擾動，保證施工的安全性。

該文以大頂山隧道下穿沈丹高速公路工程為依托，采用ANSYS建立巖石層與隧道模型，采用FLAC3D有限差分軟件建立軟弱圍巖地層CRD法施工隧道的三維模型，并與CD法、雙側壁導洞法進行對比，研究在不同工法作用下，隧道施工時的地表沉降變化規律，研究成果可為后續類似施工工程提供參考。

1 工程概況及施工工法

1.1 工程概況

該隧道下穿沈丹高速公路，與公路交叉角度為60°。隧道開挖頂面與路面凈距約為13.2 m，圍巖等級為Ⅴ級，多為水平層理薄層狀頁巖、強風化、巖體破碎，節理發育與巖體條件差，極易發生坍塌甚至冒頂。圍巖中含有裂隙水，地表有山間流水，且圍巖裂隙與山間地表存在連通的可能性。

1.2 CRD施工工法

CRD工法，又稱交叉中隔壁法。CRD工法施工步驟：首先開挖左側上導洞①，間隔一定距離后開挖左側下導洞②，在中間部位做中隔壁，起臨時支撐作用，然后開始右側上導洞③，間隔一定距離開挖右側下導洞④，最后開挖⑤部，及時施作第二層初期支護，并及時施作仰拱，如圖1所示[8]。CRD工法將隧道分為5個部分錯距開挖，開挖過程中步步成環，提高了施工的安全性，可有效控制水平與豎向位移，適用于開挖直徑較大、地層條件較差的不穩定巖體，和嚴格要求地面沉降的地下工程。

圖1 CRD法施工工序圖

2 數值模型

2.1 數值模型建立

隧道下穿高速公路區域內圍巖等級為Ⅴ級，工程地質條件較差，計算模型時采用摩爾-庫倫破壞準則。有限元模型計算范圍在水平方向通常取3~5倍的車站主體隧道跨度，在豎直方向向上取至地表。根據該工程實際地質條件，該模型水平方向取3倍隧道跨度，約為105 m；在豎直方向，向上至地表，隧道底部向下取至2倍隧道開挖直徑，深度約為64 m；模型縱向長度按50 m計算。

模型上部地表設置為自由邊界，隧道四個側面約束模型的水平位移，底部約束模型的豎向位移，初始應力場考慮為自重應力場。基本可變荷載主要為地面超載、交通荷載、設備荷載以及施工荷載。考慮隧道上方交通荷載的影響，均布荷載按50 kN/m2考慮。計算模型圖如圖2所示。

圖2 計算模型

2.2 模擬分析結果

將隧道分成5個小導洞分別開挖，建立二維模型，模擬各分部開挖。開挖過程中各部分沉降規律如圖3所示，工后整體沉降云圖如圖4所示。

圖3 CRD工法分步開挖位移云圖

圖4 CRD工法工后模型整體沉降云圖

在模擬開挖過程時，設置21個地表沉降監測點，從隧道中心開始沿橫向每3 m設置一個監測點，監控范圍為60 m，每側各30 m；縱向分別于路面-0.5 m、-15 m、-25 m、-35 m、-49.5 m處設置監測點。各部開挖結束后地表監控點的整體沉降如圖5所示。

圖5 CRD工法工后地表沉降

從CRD分步開挖位移云圖3可知，開挖左導洞，即①②導洞開挖時，①②導洞開挖造成的沉降差較小。當開始開挖右側上導洞③時，地表沉降突變明顯。當④⑤導洞開挖時，沉降值變化。當臨時支撐拆除后，沉降值增加較小。因此，不難發現：在右導洞開挖時，特別是③導坑，以及臨時支撐拆除這幾個過程，地表沉降突變明顯，在施工過程中應注意其突變，必須嚴格按照施工圖施工，并及時噴射混凝土、施做初期支護，提高監測頻率。從CRD工法工后模型整體沉降云圖4以及工后地表沉降圖5可知，地表最大沉降發生在隧道上方中心線位置，地表沉降最大值約為3.7 mm，且隧道兩側沉降沿隧道中心線對稱分布。

3 CRD法與CD法、雙側壁導洞法沉降對比

3.1 CD法

采用CD法施工，工后地表沉降如圖6所示，隧道上方地表沉降最大值為6.40 mm，發生在隧道中心線正上方，距地面0.5 m處，隨著埋深增加沉降減小；沉降值從隧道中心線上方向兩側遞減，且隧道上方地表兩側沉降沿隧道中心線近似對稱分布。

圖6 CD工法工后地表沉降

3.2 雙側壁導洞法

雙側壁導洞法工后地表沉降如圖7所示，由圖可知，各路面斷面沉降差別較小，隧道上方地表沉降最大值為5.50 mm，發生在隧道中心線正上方，沉降值從隧道中心線上方向兩側遞減，隧道兩側沉降沿中心線對稱分布。

圖7 雙側壁導洞法工后地表沉降

4 結論

該文依托大頂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開挖地表沉降規律。主要結論如下：

（1）應用CRD施工方法在①號導坑開挖時，地表沉降變化明顯，同時③開挖以及臨時支撐拆除時沉降變化也相對比較明顯，所以施工過程中上臺階開挖時應特別注意，必須及時施做初期支護，同時提高監測頻率，根據監測情況采取相應措施以保證施工安全。

（2）施工過程中隧道最大沉降發生在隧道中心線上方，且隧道兩側沉降沿中心基本呈對稱分布。CRD法、CD法、雙側壁導洞法3種施工方法工后最大沉降分別為3.6 mm、6.4 mm、5.5 mm，說明CRD施工在地表沉降控制方面表現較好。