楊建民

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

談高速鐵路黃土隧道CRD法施工中的幾個問題

楊建民

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

為了研究長段落大斷面黃土隧道CRD法開挖安全問題，依托鄭州至西安高速鐵路工程實例，開展地表及初期支護沉降量測，臨時支護內(nèi)力及拆除臨時支護過程的沉降、內(nèi)力變化測試分析。研究結(jié)果表明：CRD法能保證大斷面黃土隧道的開挖安全；砂質(zhì)黃土淺埋段地表沉降值多在20cm以上；臨時豎撐橫向擺幅達9.8cm；逐榀拆除臨時支護時拱部下沉2mm，拆除范圍大于1倍隧道開挖寬度時，拱部下沉增長顯著，達到拆除前下沉量的40%。研究結(jié)論：設(shè)計中應(yīng)加強臨時橫豎撐剛度；相比三臺階法，CRD法不利于仰拱盡快封閉而控制最終沉降，地表沉降控制效果不明顯；控制拆撐長度。

高速鐵路；鐵路隧道；大斷面黃土隧道；CRD工法；沉降；變形；拆撐

1 概述

我國自鄭州至西安高速鐵路為起點，開始大量修建開挖面積160 m2以上的超大斷面黃土隧道(砂質(zhì)黃土開挖面積174 m2)。在該線53.1 km的黃土隧道群中，按顆粒成分可以分為黏性黃土和砂性黃土。前者一般土體有一定強度，圍巖自穩(wěn)條件較好，設(shè)計施工多采用三臺階七步開挖法。而砂性黃土極為松散，幾乎沒有自穩(wěn)能力，施工過程中不論采用CRD法還是三臺階法初期支護下沉均較大，一般都超過20 cm以上，地表沉降也很難控制，往往隨著隧道的開挖，地表沉降槽也向前延伸。在鄭西高速鐵路建設(shè)中，穿過黃土臺塬的淺埋隧道，即埋深一般在70 m以內(nèi)的砂性黃土多采用CRD法開挖[1]。這也是我國在大范圍、長距離交通隧道工程中首次推廣使用這種施工方法，有很多值得總結(jié)的內(nèi)容。由于CRD工法復(fù)雜，施工單位一般均不愿采用，現(xiàn)場也經(jīng)常為工法變更的事達不成一致意見，這個問題也成為我國高速鐵路建設(shè)十年來隧道專業(yè)爭論最大的老大難問題。通過從地表及臨時支護變形的角度，對這種工法在鄭西高速鐵路的應(yīng)用情況進行總結(jié)，并對今后高速鐵路黃土隧道乃至其他軟弱圍巖隧道工法選擇提出建議。

2 CRD法及支護參數(shù)

2.1 CRD工法簡介

以往的雙線鐵路隧道長距離大范圍開挖多采用臺階法，CRD法為較為復(fù)雜的分部開挖及支護方法，一般應(yīng)用于對地表沉降要求嚴格、安全風險相對較高的特殊地段。由于時速350 km的高速鐵路開挖面積較傳統(tǒng)鐵路隧道大幅度提高，CRD法開始大量應(yīng)用于鄭西高速鐵路大斷面黃土隧道，在該線砂質(zhì)淺埋黃土地段多采用了這種方法。開挖步驟及現(xiàn)場照片見圖1、圖2。

(1)開挖①部，施作①部初期支護和臨時支護；(2)開挖②部，初噴4 cm厚混凝土，接長型鋼鋼架和臨時鋼架，并設(shè)鎖腳錨管，安設(shè)橫撐，鉆設(shè)徑向錨桿后復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度；(3)開挖③、④部并施作初期支護和臨時支護，步驟及工序同上；(4)開挖⑤部，隧底周邊初噴4 cm厚混凝土，接長臨時鋼架，復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度；(5)拆除下部橫撐，安設(shè)型鋼鋼架之仰拱單元，使之封閉成環(huán)；(6)待初期支護收斂后，拆除臨時鋼架及上部臨時橫撐；(7)灌注邊墻基礎(chǔ)與仰拱，灌注仰拱填充至設(shè)計高度[2]。

圖1 開挖步序

圖2 現(xiàn)場照片

2.2 初期及臨時支護參數(shù)

鄭西高速鐵路黃土隧道初期支護采用錨網(wǎng)噴和型鋼鋼架體系，二次襯砌均為鋼筋混凝土[3]，隧道初期支護及臨時支護參數(shù)如表1、表2所示。

表1 初期支護參數(shù)

表2 臨時支護參數(shù)

2.3 理論分析

選取新黃土淺埋隧道CRD法進行計算分析，計算模型為三維模型，模型縱向長為90 m，兩側(cè)離隧道中心為100 m，底部邊界離隧道軌面100 m，隧道上部覆土為30 m。共有57 900個8節(jié)點六面體單元，共有節(jié)點數(shù)62 093個。上二襯前初支的彎矩、安全系數(shù)見圖3、圖4。

圖3 彎矩(單位：kN·m)

圖4 安全系數(shù)

計算結(jié)論：(1)初期支護安全系數(shù)最小值發(fā)生在拱頂、墻腳位置，其量值為1.4≥1.0，初期支護強度滿足要求；(2)臨時支護在被拆除前安全系數(shù)最小值為1.2，發(fā)生在控制點中間接頭處，應(yīng)予以足夠的重視；(3)圍巖塑性區(qū)最大發(fā)展深度發(fā)生在拱腳和墻腳部位，最大發(fā)展深度將近10 m。塑性區(qū)在縱向發(fā)展深度在掌子面前方12 m，應(yīng)加強對掌子面的監(jiān)測。

3 黃土隧道工法統(tǒng)計

鄭西高速鐵路全線黃土隧道總長53.1 km，其中采用臺階法(主要為三臺階七步法)施工的黃土隧道長度為41.3 km，占比為78%，可見三臺階法是大斷面黃土隧道主要開挖方法。靈寶至潼關(guān)段共計6座砂質(zhì)黃土隧道，總延長6 355 m隧道采用了CRD法施工，在我國鐵路隧道建設(shè)中如此大范圍長距離采用這種工法開挖還是首次。澠池至靈寶段CRD法施工段落統(tǒng)計見表3。

表3 澠池至靈寶段CRD法施工段落統(tǒng)計

4 拱頂及地表沉降

從鄭西高速鐵路應(yīng)用情況來看，長距離采用CRD法施工效果不是很好，采用CRD法施工的砂質(zhì)黃土隧道初期支護及地表普遍下沉過大，一般在15～20 cm以上，地表開裂依然嚴重，隧道兩側(cè)縱向裂縫寬度一般在10 mm以上，沉降控制效果并不比三臺階法好[4]。分析原因主要是砂質(zhì)黃土地質(zhì)較差，CRD法分四部開挖，雖然有利于各分部盡早閉合，但不利于仰拱盡快封閉而控制最終沉降變形，同時也不利于大型機械的使用，導(dǎo)致施工進度緩慢。

函谷關(guān)隧道DK270+504、+515、+525和+535斷面從2006年6月24開始測量，到2006年11月6日結(jié)束，歷時135 d。最大拱頂沉降210 mm，最大地表沉降250 mm[5]，拱頂沉降測試結(jié)果見表4(表中GD1為中隔壁附近拱頂沉降，GD2為拱頂)。采用三臺階和CRD法開挖的部分黃土隧道地表沉降開裂對比情況見表5[6]。

表4 函谷關(guān)隧道拱頂沉降匯總

表5 部分黃土隧道地表沉降開裂調(diào)查情況

注：表中賀家莊隧道地質(zhì)為黏質(zhì)老黃土，黃龍村、呂家崖隧道為黏質(zhì)和砂質(zhì)黃土過渡段，其余均為砂質(zhì)黃土隧道。臺村隧道進口初期支護侵限。

5 臨時支護變形問題

考慮到臨時支護在初期支護封閉后要拆除，設(shè)計的臨時支護體系偏弱，橫撐沒考慮滿噴混凝土。施工過程中完全靠工字鋼承受豎向支撐和初期支護之間的橫向力，工字鋼受壓極易扭曲變形，導(dǎo)致現(xiàn)場施工中工字鋼橫撐變形較多。后來對橫撐增設(shè)了2 m寬噴混凝土條帶，改善了其受力條件[7]。但對于開挖面積達160 m2的大斷面黃土隧道，CRD法臨時支護采用I18鋼架還是偏弱。特別是仰拱第⑤部開挖時，豎向支撐左右擺動幅度較大，有一定安全隱患[8]。但對于長距離采用這種工法，如果臨時支護措施增大又額外增加較大投資，這確實是應(yīng)該考慮的一個問題。

5.1 臨時支護變形

在函谷關(guān)隧道進口CRD法施工過程中開展了支護收斂變形量測[9]，收斂變形量測測點的斷面布置見圖 5，現(xiàn)場橫撐變形情況見圖6，量測結(jié)果見表6、表7。

從表6、表7可以看出，CRD法中由于①部最先開挖而擾動次數(shù)最多，①部的收斂也最大達98 mm。SL1、SL2、SL3、SL4部均遠較初期支護的SL5、SL6部大得多，說明中間臨時豎撐左右確實擺動幅度較大，工字鋼橫撐發(fā)生扭曲變形。因此，從現(xiàn)場看須加強橫撐剛度。

圖5 沉降收斂觀測布置

圖6 現(xiàn)場橫撐變形情況

測點編號測點里程初始數(shù)值/m本次數(shù)值/m累計收斂/mmSL1DK270+5045.8335.760-73.0SL2DK270+5047.6147.604-10.0SL3DK270+5047.2747.252-22.0SL4DK270+5047.3307.285-45.0SL5DK270+50412.99212.991-1.0SL6DK270+50415.06815.0691.0

表7 函谷關(guān)隧道DK270+525收斂量測情況

5.2 臨時支護內(nèi)力

在函谷關(guān)隧道初支型鋼鋼架設(shè)置了3個應(yīng)力測試斷面，分別為DK270+504、+515、+525，測試時間從2006年6月30日開始，至2006年12月結(jié)束。每個斷面有7個測點，另外，中隔壁和橫撐也各有2個測點，每個測點有內(nèi)外側(cè)各有1個表面應(yīng)變計。鋼架內(nèi)力量測點布置如圖7所示，測點2、6、7表示為拱頂處鋼架應(yīng)力，測點10、11表示仰拱處鋼架應(yīng)力，測點3、8為邊墻處鋼架應(yīng)力測點。DK270+504斷面內(nèi)側(cè)鋼架應(yīng)力時態(tài)曲線如圖8所示。

圖7 內(nèi)力量測點布置

圖8 DK270+504斷面內(nèi)側(cè)鋼架應(yīng)力時態(tài)曲線

從圖8及其他量測點可知，WG1開始表現(xiàn)為壓力，在②部開挖后表現(xiàn)為拉力增加；③部的開挖后拱WG1表現(xiàn)為壓力迅速增加，NG1在安裝后表現(xiàn)為拉力，隨著②部的開挖，壓力逐漸增大，在③部開挖施作后，受力變化平穩(wěn)。在②部開挖施作后，WG2表現(xiàn)為拉力增加，NG2表現(xiàn)為壓力增加。在拱腳位置的WG3 、NG3表現(xiàn)為壓力的緩慢增加，無突變。NG4在③部開挖后，壓力迅速增加又回彈，WG4變化平穩(wěn)。WG5表現(xiàn)為壓力持續(xù)增加，NG5表現(xiàn)為拉力，在②部施作后表現(xiàn)為壓力增加WG6和NG6表現(xiàn)為壓力持續(xù)增加。WG7和NG7開始表現(xiàn)為壓力的持續(xù)增加，變化平穩(wěn)，無突變。

可見，隨著各部開挖進展，鋼架應(yīng)力調(diào)整較大，和鋼架變形形成對應(yīng)關(guān)系。

6 臨時支護拆除問題

6.1 鋼架內(nèi)力測試分析

CRD法很容易讓人擔心拆除臨時支護的施工安全問題[10]。在函谷關(guān)隧道進口施工段開展了拆除臨時支撐的初期支護內(nèi)力與變形測試分析。在施工過程中，當初期支護仰拱閉合成環(huán)后，即可以逐榀拆除中間的臨時中隔壁。從現(xiàn)場量測的鋼架應(yīng)力來看，在拆撐前后，各部位的應(yīng)力雖然有一定的波動，但是基本保持穩(wěn)定，且處于同一個應(yīng)力狀態(tài)，沒有應(yīng)力的轉(zhuǎn)變(拉壓應(yīng)力的相互轉(zhuǎn)變)，基本穩(wěn)定后為全斷面受壓。從量值上看，在-123～23 MPa，遠小于鋼架極限強度。在10月27號拆撐以后，各部應(yīng)力發(fā)生了一定的變化，就目前量測的鋼架最大拉壓應(yīng)力來看，遠小于《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》要求的抗拉極限強度380 MPa，抗壓計算強度260 MPa。拆撐前初期支護的軸力均為壓力，彎矩值較小，而且波動很小，安全系數(shù)滿足要求。在10月27號拆撐后，軸力除左側(cè)測點有小幅度的增大外，增幅在-36.1～-137.8 kN，其余測點均減小，減小幅度在10%～38%，量值減幅在39.5～185.1 kN。彎矩值在拆撐后增減幅度在-0.15～2.9 kN·m。彎矩值變化很小，安全系數(shù)能夠滿足要求。DK270+504斷面在10月27日拆撐前后，初期支護的內(nèi)力及安全系數(shù)如表8所示。

函谷關(guān)隧道進口逐榀拆除臨時支護，每拆除10 m即施作二次襯砌，此時拱頂下沉幾乎沒有變化，而水平收斂的變化很小，幅度在-1～2 mm的范圍[11]，所以拆撐對于初期支護的變形影響是很小的，結(jié)構(gòu)變形是穩(wěn)定的。

表8 DK270+504斷面拆撐前后內(nèi)力及安全系數(shù)

6.2 初支沉降變形分析

在另一座隧道開展了CRD法拆撐前后初期支護拱部下沉情況的監(jiān)測。CRD法左、右洞仰拱同時開挖將引起較大拱部下沉增長(較仰拱開挖前增量為35%)，仰拱封閉后拱部下沉變化趨于穩(wěn)定(圖9)。本例CRD法中壁一次拆除長度為20 m，大于1倍隧道開挖寬度。測試顯示，此時拱部下沉增長顯著，增量達到拆除前下沉量的40%。說明淺埋情況下CRD法一次拆撐過長(大于1倍隧道開挖寬度)、襯砌施作滯后，將引起較大拱部下沉。

圖9 拆除中壁階段拱部下沉時態(tài)曲線

7 結(jié)語

通過鄭西高速鐵路大斷面黃土隧道CRD工法的工程實踐，可以得到以下結(jié)論。

(1)該工法能保證開挖安全，但施工分部多、不利于大型機械的使用，機械配套較困難，進度較慢，施工單位多不愿采用，現(xiàn)場管理存在一定難度。

(2)采用該工法施工的幾處砂質(zhì)黃土隧道淺埋下穿公路段，地表下沉量值一般大于20 cm，控制地表沉降的效果和三臺階法比較并不明顯，地表沉降量值和土體自身的穩(wěn)定性(黏質(zhì)或砂質(zhì))關(guān)聯(lián)更強[12]。CRD法雖然有利于各分部盡早閉合，但不利于整個仰拱的盡快封閉，控制最終沉降的效果不理想。

(3)施工過程中臨時豎撐橫向位移接近10 cm，橫向擺動幅度過大，設(shè)計及施工應(yīng)加強臨時豎橫撐的剛度，特別是加強噴混凝土。由于支護接頭較多，加上擺動幅度較大，存在施工安全隱患。

(4)臨時支護拆除過程中由于應(yīng)力轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致拆除臨時支撐后拱部初期支護產(chǎn)生不同程度的下沉，為保證施工安全，應(yīng)逐榀拆除臨時支護，并保證二次襯砌緊跟。

(5)通過鄭西高速鐵路的工程實踐，已經(jīng)證明三臺階七步開挖法在高速鐵路黃土隧道乃至其他Ⅳ、Ⅴ級圍巖隧道的應(yīng)用是成熟的，并且工法簡單易行[13]。CRD法工藝較為復(fù)雜，若施工不到位則更易出問題。建議在今后的大范圍長距離高速鐵路大斷面隧道設(shè)計施工中首選三臺階法，盡量減少CRD法的施工范圍，以便于現(xiàn)場統(tǒng)一認識及方便管理。

[1] 趙勇，李國良，喻渝.黃土隧道工程[M].北京：中國鐵道出版社，2011．

[2] 唐斌，雷向鋒，劉旭全，等.淺埋大斷面黃土隧道CRD法快速施工技術(shù)[J].鐵道標準設(shè)計，2007(S1)：58-60．

[3] 楊建民.函谷關(guān)隧道砂質(zhì)黃土地層支護受力測試分析[J].鐵道工程學(xué)報，2008(6)，6(117)：56-60．

[4] 王曉州，丁維利，王慶林，等.淺埋大斷面黃土隧道下穿既有鐵路施工技術(shù)[J].鐵道標準設(shè)計，2007(S1)：67-70．

[5] 孟慶明，楊林浩.函谷關(guān)隧道下穿連霍高速公路施工技術(shù)[J].鐵道標準設(shè)計，2007(S1)：126-129．

[6] 丁維利，王曉州，朱永全，等.鄭西客運專線黃土隧道施工地表裂縫調(diào)查分析[J].鐵道標準設(shè)計，2007(S1)：87-89．

[7] 魏保存，田志杰，陳風山.黃土隧道淺埋段施工技術(shù)[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報，2001，14(S)：32-34．

[8] 原郭兵，王慶林，孟飛彪，等.砂質(zhì)黃土大斷面隧道CRD法施工技術(shù)[J].鐵道標準設(shè)計，2007(S1)：102-105．

[9] 劉旭全，王永璽，雷向鋒，等.監(jiān)控量測技術(shù)在客運專線大斷面黃土隧道中的應(yīng)用[J].鐵道標準設(shè)計，2007(S1)：113-116．

[10]劉旭全，范恒秀.客運專線大斷面黃土隧道含水地段快速施工技術(shù)[J].鐵道標準設(shè)計，2007(S1)：93-97．

[11]霍玉華，王曉州，孟飛彪，等.大斷面黃土隧道快速掘進施工方法研究[J].鐵道標準設(shè)計，2007(S1)：122-125．

[12]李寧軍，夏永旭.基質(zhì)吸力對非飽和黃土隧道力學(xué)特性影響研究[J].西安公路交通大學(xué)學(xué)報，2000，20(2)：49-51．

[13]譚忠盛，喻渝，楊建民，等.大斷面深埋黃土隧道錨桿作用效果的試驗研究[J].巖土力學(xué)與工程學(xué)報，2008(8)，27(8)：1618-1625.

Problems in the Construction of Loess Tunnel of high Speed Railway with CRD Method

YANG Jian-min

(China Railway Eryuan Engineering Group Co.， Ltd.， Chengdu 610031， China)

In order to study the safety issues in the excavation of long and large cross-section loess tunnel with CRD method， with

ettlement of ground surface and primary support is measured， and test and analysis of the settlement in the processes of primary supporting and support demolishing and the change of internal force are conducted with reference to the practices in the high speed railway between Zhengzhou and xi’an. The results show that: CRD method can ensure the safety of excavation in large cross-section loess tunnel; sandy shallow buried loess section of the surface subsidence value is over 20 cm; the temporary end brace transverse swing is up to 9.8 cm; when the demolition of temporary support arch sinks 2 mm and the range of demolishment is more than twice of the tunnel excavation width， the arch sinking grows significantly， reaching 40% of the settlement before demolishing. Research conclusions: temporary bearing brace stiffness should be strengthened in the design; in comparison with three-steps method， CRD method is ineffective to quick closing of inverted arch to control final settlement; the control of surface subsidence is not obvious; the length of support demolition should be controlled．

High-speed railway; Railway tunnels; Large cross-section loess tunnel; CRD method; Settlement; Deformation; Demolition of support

2015-02-03；

2015-03-14

楊建民(1968—)，男，教授級高級工程師，1991年畢業(yè)于西南交通大學(xué)隧道及地下工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail:yyyjjjmm@163.com。

1004-2954(2015)10-0134-05

U238； U455

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.10.030