谷拴成 王兵強(qiáng)

（西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,710054,西安∥第一作者,教授）

西安地鐵區(qū)間隧道交叉中隔墻（CRD）工法施工變形監(jiān)測與分析*

谷拴成 王兵強(qiáng)

（西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,710054,西安∥第一作者,教授）

以西安地鐵3號線區(qū)間隧道為工程背景,利用收斂計(jì)三角形量測法原理,對隧道交叉中隔墻（CRD）工法施工進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控量測,分析隧道的變形規(guī)律。研究結(jié)果表明：該隧道CRD工法施工監(jiān)控量測應(yīng)以拱頂沉降為主,水平收斂為輔；拱頂沉降趨勢為最后趨于一穩(wěn)定值的臺階狀上升曲線,各分部開挖引起的拱頂沉降增量呈一定的比例關(guān)系,進(jìn)而提出了西安地鐵區(qū)間隧道CRD工法施工相鄰導(dǎo)坑掌子面的合理間距,各導(dǎo)坑正常段和極軟弱地段循環(huán)開挖距離以及導(dǎo)坑內(nèi)臺階的合理長度,對控制最終沉降和保證支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

隧道開挖；交叉中隔墻工法；監(jiān)控量測；拱頂沉降

0 引言

隧道工作面及洞壁的變形監(jiān)測是隧道施工中及時反饋支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性的最直接有效的方法。近年來針對隧道監(jiān)控量測及反饋分析的研究日趨活躍［1-9］。雖然西安地鐵1號和2號線已經(jīng)為黃土地層中修建地鐵積累了一定的施工經(jīng)驗(yàn),但由于黃土地層的復(fù)雜性,導(dǎo)致施工難度較大、風(fēng)險高,尤其在采用CRD（交叉中隔墻）工法多導(dǎo)坑分步開挖時,轉(zhuǎn)換工序復(fù)雜,初期支護(hù)閉合成環(huán)時間長,因此,通過施工過程中變形監(jiān)控量測及反饋分析指導(dǎo)開挖和控制變形顯得尤為重要。但針對黃土地區(qū)淺埋暗挖隧道CRD工法施工支護(hù)變形控制值以及支護(hù)穩(wěn)定性判斷標(biāo)準(zhǔn)的研究還不多,而且由于工程地質(zhì)條件和施工工藝的差異性,目前還缺乏成熟的CRD工法監(jiān)控量測通用控制標(biāo)準(zhǔn)［10-12］。

正在修建的西安地鐵3號線太白南路站—吉祥村站區(qū)間,起訖里程為：YDK18+658.726～YDK20 +107.867,右線全長1 449.141 m；ZDK18+658.726～ZDK20+107.867,左線短鏈7.767 m,左線全長為1 441.465 m。區(qū)間采用礦山法施工。該區(qū)間位于科技路與吉祥路下,地面道路兩側(cè)為西安市商業(yè)中心之一；科技路為東西干線,人流車流量大,交通繁忙。該區(qū)間跨越2個地貌單元,分別為皂河一級階地和黃土洼地,Ⅴ級圍巖,埋深14.0～28.4 m,隧道毛洞開挖寬度約8.02～8.333 m,高約9.2 m。該標(biāo)段地下水位為：地表以下9.69～12.60 m,相應(yīng)標(biāo)高396.28～399.57 m,高差達(dá)3.29 m,東高西低,地下水流向?yàn)镹W。地下水對混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性,在干濕交替條件下,對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具微腐蝕性。該場地地基土對混凝土結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具微腐蝕性。隧道平面分布如圖1所示。本文重點(diǎn)研究其中某個的區(qū)段,里程為YDK19+942.627～YDK19+970.986。為控制開挖引起的圍巖變形,該里程區(qū)間隧道采用CRD工法施工,分4個導(dǎo)坑,按①→②→③→④依次進(jìn)行開挖和支護(hù),變形穩(wěn)定后拆除中隔壁和仰拱臨時支護(hù),形成整個隧道斷面,如圖1所示。在CRD工法施工時,設(shè)置合理的預(yù)留變形量,掌握各導(dǎo)洞分步開挖中的初期支護(hù)受力變形規(guī)律,并對變形進(jìn)行適當(dāng)控制,以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,是施工中的難點(diǎn)之一,如處理不當(dāng)則容易造成施工安全問題,產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失。本文選取該區(qū)段隧道中6個具有類似水文地質(zhì)條件、埋深、支護(hù)形式的典型監(jiān)測斷面進(jìn)行監(jiān)測,研究分析其變形規(guī)律,為隧道信息化施工和動態(tài)設(shè)計(jì)以及施工現(xiàn)場控制提供指導(dǎo)。

圖1 西安地鐵3號線區(qū)間隧道平面圖及CRD工法施工斷面圖

1 隧道施工及變形監(jiān)測方案

因左右線隧道開挖錯開間距保持在30～50 m,故其施工過程中的相互影響非常小。該區(qū)間隧道圍巖為Ⅴ級,隧道埋深為18 m,采用CRD法施工,導(dǎo)坑施工順序?yàn)樽笊稀笙隆疑稀蚁?。采用注漿小導(dǎo)管加固前方土體。在掌子面尚未開挖的拱部土體中,根據(jù)設(shè)計(jì)要求沿隧道拱部范圍內(nèi)打入φ42 mm、長度為2.5 m、環(huán)向間距0.3 m、縱向間距0.5 m的超前注漿小導(dǎo)管；初期支護(hù)采用由φ22 mm主筋按設(shè)計(jì)型式焊接而成的鋼架（每榀間距75 cm）；土體與鋼筋格柵之間設(shè)全環(huán)單層鋼筋網(wǎng),規(guī)格為φ6.5 mm@150 mm×150 mm；并在鋼拱架安裝完畢后,及時噴射30 cm厚C25混凝土。在極軟弱和局部不穩(wěn)定地段適當(dāng)調(diào)整支護(hù)參數(shù)（增加鎖腳錨桿等）進(jìn)行加固處理。

在采用CRD工法對區(qū)段隧道進(jìn)行施工時,每5 m設(shè)置一個位移監(jiān)測斷面,位移測點(diǎn)橫斷面布置如圖2所示。根據(jù)施工場地條件,選用收斂計(jì)三角形量測法對CRD工法施工引起的洞壁收斂和拱頂下沉進(jìn)行量測,要求測點(diǎn)應(yīng)距掌子面1 m范圍內(nèi)盡快安設(shè),并應(yīng)在掌子面開挖12 h內(nèi)和下一次開挖前測取初始讀數(shù)。通常情況下拱頂下沉和凈空收斂的量測頻率如表1所示。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果,當(dāng)隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)呈不穩(wěn)定狀態(tài)時,需適當(dāng)加密量測頻率,發(fā)布監(jiān)測異常報(bào)告,并及時建議施工單位適當(dāng)加強(qiáng)支護(hù)。將變形監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制成時態(tài)曲線,通過變形曲線的分析,得到CRD工法施工隧道襯砌的變形規(guī)律。

圖2 位移測點(diǎn)橫斷面布置

表1 拱頂下沉和凈空收斂量測頻率［12］

2 拱頂下沉變形分析

本隧道CRD工法施工中的①、③部均布置拱頂下沉測點(diǎn),典型斷面①部施工實(shí)測拱頂沉降時態(tài)曲線和沉降曲線模型如圖3和圖4所示。拱頂沉降由分段曲線組成,總體呈臺階狀上升,最后趨于穩(wěn)定。曲線中存在多個反彎點(diǎn),每個反彎點(diǎn)與之后通過該斷面的施工分部開挖有關(guān)；曲線中的上反彎點(diǎn)基本出現(xiàn)在分步開挖斷面到達(dá)監(jiān)測斷面前5 m左右,且當(dāng)分部開挖面經(jīng)過該監(jiān)測斷面10 m后曲線呈現(xiàn)明顯的收斂趨勢,也即下半斷面施工部開挖對隧道變形有顯著影響的范圍一般是在該開挖面前方5 m到后方10 m之間；曲線中的下反彎點(diǎn)與開挖分部仰拱相對應(yīng),即仰拱閉合快慢直接影響到拱頂沉降的大小。而拱頂沉降速率也會因開挖分部的通過發(fā)生變化,如圖5所示。

圖3 拱頂沉降時態(tài)曲線（①部）

圖4 拱頂沉降時態(tài)曲線模型（①部）

圖5 拱頂沉降速率曲線（①部）

在拱頂下沉?xí)r態(tài)曲線第一個上反彎點(diǎn)出現(xiàn)之前,拱頂沉降量完全由①開挖引起,之后的拱頂沉降則由已開挖經(jīng)過該斷面的施工分部共同引起。選取本隧道6個典型斷面的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,①部測得的拱頂最終沉降量要比③部大32%；各分部開挖引起的拱頂沉降增量與總的拱頂沉降量具有一定的比例關(guān)系,其中①部開挖對拱頂沉降的影響最大,占其最終沉降量的40%～50%；③部開挖對③部的拱頂沉降量的影響最大,占其最終沉降量的55%～65%。

由拱頂沉降速率曲線可知,拱頂在①部開挖之后3天內(nèi)沉降速率最大,且在其他開挖分部通過監(jiān)測斷面時,拱頂沉降速率都會變大,說明開挖分部都會對拱頂沉降產(chǎn)生不同程度的影響。

由拱頂沉降曲線形態(tài)可知,在下半斷面②部、④部開挖通過時,該開挖面前5 m和后10 m范圍內(nèi)上半斷面會產(chǎn)生拱頂沉降快速增大的現(xiàn)象,應(yīng)予以重點(diǎn)監(jiān)控；各分部仰拱是否及時閉合對控制總體沉降量的大小非常重要,故在施工中必須加快初期支護(hù)中鋼拱架的安裝速率,特別是在軟弱地段,應(yīng)切實(shí)做到短進(jìn)尺、早封閉,尤其是先行開挖的上半斷面導(dǎo)坑支護(hù)的及時閉合對控制拱頂沉降最為關(guān)鍵。各施工部初期支護(hù)閉合與整個斷面支護(hù)的閉合所需時間與現(xiàn)場施工工藝和效率直接相關(guān),所以縮短臺階長度和相鄰施工部掌子面之間的間距,可縮短斷面閉合時間,有效控制最終拱頂沉降,但間距太小對各掌子面穩(wěn)定不利而且無法滿足施工場地的要求。西安地鐵3號線區(qū)間隧道CRD工法施工采用人工開挖,現(xiàn)場施工經(jīng)驗(yàn)表明,相鄰施工部導(dǎo)坑掌子面間距控制在5 m左右,導(dǎo)坑內(nèi)臺階長度控制在2 m以內(nèi),每循環(huán)開挖1.5 m（極軟弱地段開挖0.75 m）后立即支護(hù),重點(diǎn)加快上半斷面初期支護(hù)的閉合速度,是施工作業(yè)空間、掌子面開挖穩(wěn)定性和“早封閉”之間比較理想的平衡點(diǎn),能有效控制拱頂最終沉降。

3 水平收斂變形分析

該區(qū)間隧道CRD工法施工中每個分部仰拱閉合后立即進(jìn)行水平收斂量測。實(shí)測數(shù)據(jù)表明①部、③部水平收斂變化幅度和絕對值都較大,必須予以重點(diǎn)監(jiān)測；而②部、④部水平收斂變化幅度及絕對值均較小,故只對①部、③部的水平收斂變形規(guī)律予以重點(diǎn)研究。

隧道典型斷面①部實(shí)測的水平收斂時態(tài)曲線如圖6所示,其基本曲線模型如圖7所示（正值代表水平收斂,負(fù)值代表水平擴(kuò)張）。通常情況下,①部水平收斂總體趨勢表現(xiàn)為擴(kuò)張值先增大后減小,最后趨于穩(wěn)定呈擴(kuò)張狀態(tài)；曲線上存在多個反彎點(diǎn),與之后通過該斷面的施工分部開挖有關(guān)。由于水平收斂量測開始時①部臨時仰拱已經(jīng)閉合,而①部從掌子面開挖到臨時仰拱的閉合期間的水平收斂數(shù)據(jù)無法測得,因此在下一施工部到達(dá)前其水平收斂量測值很小。而水平收斂速率也會因開挖分部的通過發(fā)生變化,如圖8所示。

圖6 水平收斂時態(tài)曲線（①部）

圖7 水平收斂時態(tài)曲線模型

圖8 水平收斂速率曲線（①部）

由水平收斂速率曲線可知,水平收斂在③部開挖通過時變化速率最大,且在其他開挖分部通過監(jiān)測斷面時,水平收斂（或擴(kuò)張）速率都會變大,說明開挖分部都會對水平收斂產(chǎn)生不同程度的影響。

由實(shí)測數(shù)據(jù)可知,③部的臨時仰拱閉合后,其水平收斂變化曲線與①部趨勢基本呈相反趨勢。將所測得的①部和③部的水平收斂數(shù)據(jù)進(jìn)行迭加處理,得到隧道上半斷面整體水平收斂絕對值很小。因此①部和③部水平收斂變化主要是由于臨時支護(hù)中隔墻的撓曲變形引起的。

4 結(jié)語

本文對西安地鐵3號線區(qū)間隧道CRD工法施工進(jìn)行位移監(jiān)控量測與分析,得出如下結(jié)論：

（1）西安地鐵3號線區(qū)間隧道CRD工法施工引起的拱頂沉降量比較大,整體水平收斂比較小,總體變形量和變形速率均在規(guī)范的限值之內(nèi)。故CRD工法施工的位移監(jiān)控量測與分析應(yīng)以拱頂沉降為主,水平收斂為輔。

（2）根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù),西安地鐵3號線區(qū)間隧道CRD工法施工引起的拱頂沉降為一臺階狀上升并最終趨于穩(wěn)定的曲線。各分部開挖引起的拱頂沉降增量具有一定的比例分配關(guān)系。相鄰施工部導(dǎo)坑掌子面間距控制在5 m左右,導(dǎo)坑內(nèi)臺階長度控制在2 m以內(nèi),每循環(huán)開挖1.5 m（極軟弱地段開挖0.75 m）后立即支護(hù),對類似隧道工程的開挖和支護(hù)具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

（3）施工時應(yīng)重點(diǎn)控制引起沉降量比例最大的左上部,提高該部初期支護(hù)的閉合速率,對保證后續(xù)施工安全和控制圍巖變形具有重要作用。

（4）由實(shí)測數(shù)據(jù)可知,左上部、右上部水平收斂變化幅度和絕對值都較大,而測得的隧道上半斷面整體水平收斂絕對值卻很小,表明左上部和右上部水平收斂變化主要是由于臨時支護(hù)中隔墻的撓曲變形引起的,故中隔墻的撓曲變形是潛在的安全隱患,應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測。

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Monitoring and Analysis of Running Tunnel Deformation with CRD Method on Xi'an Metro

Gu Shuancheng,Wang Bingqiang

With the engineering of Xi'an metro Line 3 tunnel as the background,and according to the principle of convergence gauge triangle measuring method,CRD method for tunnel construction issurveyed on-site,the deformation law of the tunnel is analyzed.The research shows that the supervision of CRD method in tunnel construction should give priority to vault subsidence,while taling the horizontal convergence as the complementary factor.Vault subsidence trend will finally tend to reach a stable value rising curve,the steps of each division excavation incremental vault subsidence are caused by a certain proportion,thus the reasonable spacing of the constraints on Xi'an subway tunnel adjacent a pilot tunnel constructed by CRD method is put forward,the normal period of pilot tunnel,the extremely weak section of cycle excavation distance and reasonable length of the gate in the steps are studied to control the final settlement and guarantee the stability of supporting structure.This research has a certain guidance and reference significance.

tunnel excavation；central cross diagram（CRD）method；monitoring measurement；vault subsidenceFirst-author'saddressCollege of Architecture and Civil Engineering,XUST,710054,Xi'an,China

U 456.3+1

2014-02-23）

*陜西省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（2013JK0961）