王學(xué)斌

(廈門路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，福建 廈門 361009)

廈門翔安海底隧道陸域淺埋段CRD法變形分配控制方法研究

王學(xué)斌

(廈門路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，福建 廈門 361009)

基于變形分配理論、數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測，研究了廈門翔安海底隧道兩端陸域和淺灘地段大斷面軟弱地層淺埋暗挖CRD法施工變形機(jī)理，得到合理開挖順序和變形分配控制標(biāo)準(zhǔn)，提出控制導(dǎo)坑封閉時間、導(dǎo)坑間距以及臺階長度等有效的變形控制措施，成功把施工變形控制在目標(biāo)范圍，避免發(fā)生超限變形和坍塌，大大提高施工進(jìn)度，并確保了施工安全。研究成果和工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)對后續(xù)類似工程有一定借鑒意義。

海底隧道；CRD工法；軟弱地層；變形分配控制方法；累積沉降

控制開挖變形量是保證隧道施工安全和減少對鄰近構(gòu)造物影響的關(guān)鍵所在。大斷面隧道淺埋暗挖常采用CRD法分部開挖，其變形總量在分部開挖過程中累積產(chǎn)生，難以直接控制。變形分配控制方法是通過研究各分部開挖對總變形量的貢獻(xiàn)，分階段實(shí)施過程控制，有利于最終變形總量控制和現(xiàn)場實(shí)施，在工程實(shí)踐中成效良好[1-2]。但變形分配機(jī)制與水文地質(zhì)條件、隧道斷面尺寸、分部開挖方法、支護(hù)參數(shù)等密切相關(guān)，必須針對實(shí)際工程具體研究[3-4]。

廈門翔安海底隧道兩端陸域和淺灘均為全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層，行車隧道為三車道大斷面隧道，毛洞開挖寬度約17.0m、高約12.5m，開挖斷面積達(dá)170m2以上，處于地下水位或海水之下，為典型的富水、軟弱地層大斷面淺埋暗挖施工，極易發(fā)生超限變形，建設(shè)初期曾多次出現(xiàn)異常變形，部分地段噴射混凝土開裂、初期支護(hù)嚴(yán)重變形等狀況。為更好控制變形，避免發(fā)生超限換拱和坍塌，減少損失，確保施工安全，筆者基于變形分配理論和現(xiàn)場監(jiān)測研究了廈門翔安海底隧道變形分配機(jī)理和變形控制方法，并對現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)。

1 分部開挖變形累積過程分析

隧道分部開挖產(chǎn)生的變形是一個由開挖卸載引起的動態(tài)累積過程。以圓形斷面洞室為例，假設(shè)洞室半徑為r0，圍巖為粘彈性體，依據(jù)Kelvin蠕變模型，由蠕變規(guī)律得到蠕變量為：

(1)

式中，E1為巖體彈性模型；c1、k1為與地層有關(guān)的材料常數(shù)。

隧道開挖過程中，應(yīng)力釋放過程可表示為：

σ(t)=σz(1-0.7e-mt)

(2)

式中，m=3.15V/2r0；σz為洞室周邊初始地應(yīng)力；V為掌子面平均推進(jìn)速度。

(3)

(4)

綜上，最終引起的地層的徑向位移增量為：

(5)

2 變形控制標(biāo)準(zhǔn)

2.1計(jì)算模型

基于上述理論分析，采用FLAC3D數(shù)值模擬。實(shí)際施工中，服務(wù)隧道斷面較小采用臺階法超前開挖60～100m，超前2～3個月；行車隧道采用CRD法開挖，有2種開挖順序，即CRD1-2-3-4和CRD1-3-2-4，如圖1所示。左、右線行車隧道由不同單位施工，錯開間距為50～80m，錯開時間2～3個月，三孔隧道施工相互影響很小，可忽略。選取左線行車隧道典型地段(里程樁號ZKl2+40)，平均覆土厚度12m，建立模型(見圖2)。計(jì)算采用圍巖物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和工程經(jīng)驗(yàn)，在數(shù)值分析過程中注漿超前小導(dǎo)管采用提高加固區(qū)c、φ值的方法進(jìn)行模擬。根據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗(yàn)，相鄰導(dǎo)坑掌子面間距取10m，導(dǎo)坑內(nèi)臺階長度取5m。

圖1 CRD法開挖順序及位移監(jiān)測點(diǎn)布置 圖2 計(jì)算模型圖

表1 圍巖物理力學(xué)指標(biāo)

2.2計(jì)算結(jié)果分析

表2 2種開挖順序下CRD1部拱頂下沉量

計(jì)算表明，CRD法施工拱頂下沉絕對值較大，而隧道整體水平收斂絕對值較小。拱頂下沉是CRD法安全性判斷的最敏感指標(biāo)，也是設(shè)計(jì)和現(xiàn)場施工最直觀的控制指標(biāo)。因此，重點(diǎn)分析拱頂下沉。

2種開挖順序下各導(dǎo)坑開挖引起CRD1部拱頂下沉增量及比例關(guān)系計(jì)算結(jié)果如表2所示。采用CRD1-2-3-4開挖比采用CRD1-3-2-4開挖拱頂下沉總量要大，這一規(guī)律得到現(xiàn)場監(jiān)測驗(yàn)證[5]?？梢姡捎肅RD1-3-2-4開挖更有利于拱頂下沉控制。究其原因，是由于隧道埋深很淺，上覆土層成拱性差，豎向荷載偏大，易產(chǎn)生拱頂下沉，CRD1-2-3-4施工時2部緊接1部在其正下方開挖，雖然開挖跨度較小，但1部下方缺乏支撐(2部采用臺階法開挖，臺階長度一般為5m，即從開挖到初支封閉通常需要3～5d)，直接引起1部下沉增量很大；而CRD1-3-2-4施工時，2部在3部閉合后才開挖，此時隧道上半斷面左右都已封閉成環(huán)，已閉合成形的隧道上半斷面跨度雖較大，但中隔墻起到很好支撐作用，且4部尚未開挖，3部對1部可起到牽制和支撐作用，能有效減少2部開挖導(dǎo)致的1部下沉。表2還表明，2種開挖順序下，都是CRD1部開挖產(chǎn)生的拱頂下沉最大，應(yīng)加以重點(diǎn)控制。

由此，建議采用CRD1-3-2-4開挖，被施工現(xiàn)場采納，下面僅分析該開挖順序。

2.3目標(biāo)控制值的確定

翔安隧道兩端陸域及淺灘V級圍巖淺埋段最初設(shè)計(jì)預(yù)留變形量為120mm，實(shí)際施工中超標(biāo)較多，現(xiàn)場監(jiān)測表明，拱頂下沉一般超過200mm時初支開始出現(xiàn)開裂。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測，且考慮到該地段隧頂上方無建筑物，以初支不破壞為準(zhǔn)則，取200mm作為拱頂下沉總量控制值。根據(jù)既往工程經(jīng)驗(yàn)和變形分配原理，數(shù)值計(jì)算所得變形量與實(shí)際變形量會有所偏差，但各導(dǎo)坑變形分配比例關(guān)系和變形規(guī)律是比較準(zhǔn)確的。因此，采用表2分配比例制定分階段變形控制目標(biāo)，目標(biāo)控制值如表3所示。

3 現(xiàn)場監(jiān)控量測與變形控制措施

3.1現(xiàn)場監(jiān)控量測

翔安隧道V級圍巖淺埋段CRD法施工一般每10m設(shè)置一個位移監(jiān)測斷面，測點(diǎn)橫斷面布置如圖3所示。調(diào)取計(jì)算斷面附近的11個典型斷面實(shí)測資料(按CRD1-3-2-4開挖順序)，CRD1部最終拱頂下沉量為153～237mm，平均192mm。各導(dǎo)坑引起CRD1部拱頂下沉量實(shí)測統(tǒng)計(jì)如表4所示。由表4可見，各導(dǎo)坑變形分配比例實(shí)測值與上述理論計(jì)算基本一致。

表3 CRD1部拱頂下沉目標(biāo)控制值(CRD1-3-2-4)

表4 實(shí)測CRD1部拱頂下沉統(tǒng)計(jì)(CRD1-3-2-4)

3.2變形控制措施

圖3 實(shí)測CRD1部拱頂下沉曲線

在極軟弱地段或施工組織不當(dāng)時，變形可能超過控制目標(biāo)，即發(fā)生異常變形，需分析原因并采取工程措施，盡可能按階段目標(biāo)控制。主要措施如下：①施工總體原則“管超前、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測”，信息化施工，動態(tài)管理。②調(diào)整導(dǎo)坑封閉時間、設(shè)置合理的導(dǎo)坑間距及臺階長度是控制變形的主要措施?？疾斓湫蛿嗝鍯RD1部拱頂下沉實(shí)測曲線，如圖3所示，呈臺階狀上升。進(jìn)一步分析表明，變形發(fā)展曲線上的反彎點(diǎn)和各導(dǎo)坑開挖、支護(hù)閉合有密切對應(yīng)關(guān)系?？梢姡绶忾]和合理間距有利于控制變形。CRD法各導(dǎo)坑初期支護(hù)小環(huán)閉合與整個斷面初期支護(hù)大環(huán)閉合所需的時間與現(xiàn)場施工工藝和工效直接相關(guān)，縮短臺階長度和相鄰導(dǎo)坑掌子面間距，可縮短小環(huán)和大環(huán)閉合時間，對控制最終拱頂下沉有利，但間距太小無法滿足施工場地要求且導(dǎo)坑相互影響對安全不利。翔安隧道現(xiàn)場施工經(jīng)驗(yàn)表明，相鄰導(dǎo)坑掌子面間距控制在10～15m，導(dǎo)坑內(nèi)臺階長度控制在6 m以內(nèi)，每循環(huán)開挖1.0～1.5m (極軟弱地段只允許開挖0.5m)后立即支護(hù)，重點(diǎn)加快上半斷面支護(hù)的閉合時間，是作業(yè)空間、掌子面開挖穩(wěn)定性和“早封閉”之間較適合的平衡點(diǎn)，對控制最終拱頂下沉十分有效。③加強(qiáng)初期支護(hù)參數(shù)，施作鎖腳錨管，仰拱注漿、初支背后回填注漿等組合措施也是控制變形的有效措施，在翔安隧道都有成功的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

3.3現(xiàn)場應(yīng)用成效

上述變形分配控制標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)場監(jiān)測與變形控制措施應(yīng)用于翔安海底隧道軟弱地層大斷面淺埋段CRD法。與工程建設(shè)初期相比，施工速度顯著提高，月均進(jìn)尺從不足30m提高到60m，創(chuàng)同類地質(zhì)條件下CRD法施工進(jìn)度記錄，同時異常變形大幅減少，有效保證了施工安全。

4 結(jié) 語

推導(dǎo)了隧道分部開挖變形累積過程，結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測，研究了廈門翔安海底隧道兩端陸域和淺灘地段大斷面軟弱地層淺埋暗挖CRD法施工變形機(jī)理，得到合理開挖順序?yàn)镃RD1-3-2-4，制定了變形分配控制標(biāo)準(zhǔn)，提出控制導(dǎo)坑封閉時間、導(dǎo)坑間距以及臺階長度等變形控制有效措施，成功破解了該工程軟弱地層大斷面隧道淺埋暗挖技術(shù)難點(diǎn)，具有較好的借鑒意義。

[1]呂勤，張頂立，黃俊.城市地鐵暗挖施工地層變形機(jī)制及控制實(shí)踐[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2003，13(7)：29-34.

[2]鐘有信，羅草原.淺埋暗挖地鐵施工地層沉降監(jiān)測與控制[J].西部探礦工程，2003(4)：91-93.

[3]夏才初，李永盛.地下工程測試?yán)碚撆c監(jiān)測技術(shù)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1999.

[4]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組.JTJ042-94公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，1994.

[5]張建斌.廈門翔安海底隧道陸域段CRD法位移監(jiān)測分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007，26(S2):3653-3657.

[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.12.041

U456.3

A

1673-1409(2012)12-N125-04