趙春華

(中鐵隧道集團(tuán)杭州公司，浙江 杭州 310000)

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淺埋暗挖隧道上軟下硬地層工法轉(zhuǎn)換關(guān)鍵技術(shù)研究

趙春華

(中鐵隧道集團(tuán)杭州公司，浙江 杭州 310000)

摘要:以杭州紫之隧道為工程背景，通過(guò)對(duì)初期支護(hù)鋼拱架應(yīng)力分布規(guī)律及現(xiàn)階段圍巖成拱能力進(jìn)行分析，探討在本工程特有地質(zhì)情況下進(jìn)行工法轉(zhuǎn)換的可行性；利用大型有限元軟件ABAQUS分別對(duì)掌子面不同入巖深度的11種工況進(jìn)行二維開(kāi)挖支護(hù)數(shù)值模擬，得到不同入巖深度對(duì)圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響規(guī)律，確定合理的工法轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)；并針對(duì)杭州紫之隧道埋深淺、周邊環(huán)境復(fù)雜、不宜進(jìn)行爆破施工的實(shí)際情況，進(jìn)行三臺(tái)階法非爆破快速施工機(jī)械選型研究，經(jīng)過(guò)論證采用260型挖掘機(jī)搭載RW120型液壓臥式巖土銑挖機(jī)進(jìn)行銑挖施工。由于工法轉(zhuǎn)換的成功實(shí)施，在保證施工安全的前提下，有效提高了施工效率，對(duì)今后上軟下硬地層中的隧道施工具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：隧道工程；上軟下硬地層；工法轉(zhuǎn)換； 機(jī)械選型

隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷深化，淺埋暗挖法在我國(guó)的地鐵及市政工程中應(yīng)用日趨廣泛。關(guān)于淺埋暗挖法的研究工作雖已取得很多成果，但多數(shù)淺埋暗挖施工均是在土層相對(duì)單一的地層中進(jìn)行，對(duì)于在上軟下硬特殊地層中進(jìn)行淺埋暗挖施工國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)較少[1-2]。上軟下硬地層具有一個(gè)顯著特點(diǎn)，巖石空間分布差異大；當(dāng)在上軟下硬特殊地層中進(jìn)行淺埋暗挖施工時(shí)，出于安全、成本及進(jìn)度等綜合考慮，單一的開(kāi)挖方法往往不能滿足施工要求，因地制宜的提出施工方案，結(jié)合不同地質(zhì)情況采取適宜的開(kāi)挖方法往往能取得良好的工程效果[3-6]。綜上所述，針對(duì)上軟下硬地層中淺埋暗挖隧道施工方法轉(zhuǎn)換問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)研究顯得尤為重要。杭州紫之隧道地層總體呈“上軟下硬”，巖石空間分布差異大，單一的開(kāi)挖方法已不能滿足施工要求。隨著號(hào)地層凝灰質(zhì)粉砂巖侵入掌子面，掌子面入巖深度不斷增加，原設(shè)計(jì)采用CRD法施工已嚴(yán)重阻礙施工進(jìn)度。本文以此為工程背景，探討在本工程特有地質(zhì)情況下進(jìn)行工法轉(zhuǎn)換的可行性，分析確定合理的工法轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)，并對(duì)三臺(tái)階法非爆破快速施工機(jī)械選型進(jìn)行了研究。由于工法轉(zhuǎn)換的成功實(shí)施，及時(shí)進(jìn)行工法調(diào)整，在保證施工安全的前提下，有效提高了施工效率，對(duì)今后上軟下硬地層中的隧道施工具有一定的指導(dǎo)作用。

1工程概況

杭州市紫之隧道(紫金港路-之江路)土建工程第VI標(biāo)段，南起紫金港路與西溪路交叉口，北至紫金港路包建港橋附近，全長(zhǎng)1 440 m。暗挖隧道設(shè)計(jì)為雙線雙向四車(chē)道，其中東線長(zhǎng)869.1 m、西線長(zhǎng)877.1 m，斷面開(kāi)挖跨度12.8 m，高9.7 m，開(kāi)挖面積102.8 m2。淺埋暗挖隧道段下穿紫金港路、天目山路等城市主要交通道路，車(chē)流量大，地下管線眾多；同時(shí)，隧道依次下穿沿山河橋、杭州汽車(chē)西站、中紀(jì)委培訓(xùn)中心等建筑物，周邊環(huán)境復(fù)雜；且瀕臨世界級(jí)景區(qū)施工，對(duì)地表變形控制及環(huán)保要求較高。淺埋暗挖段隧道以V和VI級(jí)圍巖為主，地層總體呈“上軟下硬”，地質(zhì)縱斷面圖如圖1所示。隨著隧道的不斷掘進(jìn)，號(hào)地層凝灰質(zhì)粉砂巖開(kāi)始侵入掌子面，掌子面入巖深度不斷增加。原設(shè)計(jì)采用CRD法施工，工作面被分割成多處小空間，只能人工或小型機(jī)械開(kāi)挖，嚴(yán)重阻礙施工進(jìn)度。由于隧道埋深較淺(埋深約20 m)，且周邊環(huán)境復(fù)雜，鄰近建(構(gòu))筑物眾多，爆破對(duì)周邊擾動(dòng)大，不適宜采用爆破施工。為保證施工進(jìn)度不受影響，擬考慮進(jìn)行工法轉(zhuǎn)換，采用三臺(tái)階法施工，增強(qiáng)外支護(hù)措施，不架設(shè)臨時(shí)支撐，為大型施工機(jī)械提供足夠作業(yè)空間，提高施工效率。

圖1　地質(zhì)縱斷面圖Fig.1 Longitudinal profile of geology

2工法轉(zhuǎn)換可行性分析

2.1　特有地質(zhì)條件下初期支護(hù)鋼拱架應(yīng)力分布規(guī)律

為探究在本工程特有地質(zhì)情況下淺埋暗挖隧道初期支護(hù)鋼拱架應(yīng)力分布規(guī)律，以期能為工法轉(zhuǎn)換的可行性研究提供現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)支撐，選取K13+439里程處作為科研斷面，對(duì)鋼拱架應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。K13+439斷面上臺(tái)階1和2部開(kāi)挖支護(hù)時(shí)間為08-15，下臺(tái)階3和4部開(kāi)挖支護(hù)時(shí)間為08-21，隧底5和6部開(kāi)挖時(shí)間為09-01左右，且此時(shí)初支封閉成環(huán)。

圖2為K13+439斷面不同測(cè)點(diǎn)鋼拱架應(yīng)力時(shí)程曲線圖，由圖2對(duì)比分析可知，在整個(gè)隧道施工過(guò)程中臨時(shí)支護(hù)(中隔壁、臨時(shí)仰拱)鋼拱架的應(yīng)力水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于永久支護(hù)鋼拱架。以上分析表明，在本工程特有的地質(zhì)情況下，臨時(shí)支護(hù)(中隔壁、臨時(shí)仰拱)荷載分配比重遠(yuǎn)小于初期支護(hù)。表1詳細(xì)列出了穩(wěn)定階段鋼拱架各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力分布情況，分析表中數(shù)據(jù)可知，臨時(shí)支護(hù)鋼拱架應(yīng)力水平較永久支護(hù)鋼拱架低，受力較小。

綜上所述，在本工程特有的地質(zhì)情況下臨時(shí)支撐(中隔壁、臨時(shí)仰拱)受力較小，應(yīng)力水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于永久支護(hù)鋼拱架，臨時(shí)支護(hù)荷載分配比重遠(yuǎn)小于初期支護(hù)。隨著目前掌子面入巖深度的增加，圍巖穩(wěn)定性越來(lái)越好，圍巖自承能力強(qiáng)，臨時(shí)支撐受力亦不可避免地會(huì)隨之進(jìn)一步減小，可以考慮進(jìn)行工法轉(zhuǎn)換，采用臺(tái)階法，不架設(shè)臨時(shí)支撐，擴(kuò)大作業(yè)空間，提高施工效率。

圖2　鋼拱架應(yīng)力監(jiān)測(cè)分析Fig.2 Monitoring and analysis of steel arch stress

表1　穩(wěn)定階段鋼拱架應(yīng)力分布

另一方面，原設(shè)計(jì)采用CRD法施工，CRD法基于分塊開(kāi)挖思想，在施工過(guò)程中開(kāi)挖和臨時(shí)支護(hù)拆除多次擾動(dòng)圍巖，致使圍巖多次進(jìn)行應(yīng)力重分布，造成圍巖二次變形；且其工序轉(zhuǎn)化復(fù)雜，操作空間小，不利于大型機(jī)械設(shè)備的使用，施工進(jìn)度慢。目前，本工程地質(zhì)條件越來(lái)越好，圍巖自承能力強(qiáng)，選取臺(tái)階法進(jìn)行施工，既可避免分部開(kāi)挖多次擾動(dòng)圍巖，同時(shí)也為機(jī)械化施工提供足夠的作業(yè)空間，提高施工效率，保證施工進(jìn)度，并能減少由于增加臨時(shí)支護(hù)帶來(lái)的額外預(yù)算。

2.2　現(xiàn)階段地質(zhì)情況成拱能力分析

圍巖拱效應(yīng)是指圍巖為抵抗洞室開(kāi)挖引起的圍巖不均勻變形而進(jìn)行自我調(diào)節(jié)的一種現(xiàn)象[7]，如果把圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)看成一個(gè)整體，壓力拱是保證洞周穩(wěn)定和減小支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的內(nèi)在原因。其主要特點(diǎn)是洞室開(kāi)挖，初始應(yīng)力場(chǎng)被打破，荷載傳遞路線發(fā)生偏離，主應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并形成重分配應(yīng)力場(chǎng)，最大主應(yīng)力流線形呈拱形狀[8-9]。洞室開(kāi)挖后，圍巖最大主應(yīng)力將隨之增大，在洞室周?chē)纬梢粋€(gè)應(yīng)力集中區(qū)，此應(yīng)力集中區(qū)即為圍巖壓力拱。根據(jù)圍巖應(yīng)力分布特征，洞室開(kāi)挖后圍巖可分為應(yīng)力釋放區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和原始應(yīng)力區(qū)3個(gè)區(qū)域，如圖3所示，其中應(yīng)力集中區(qū)是圍巖主要承載單元，可以根據(jù)應(yīng)力集中區(qū)的范圍來(lái)確定圍巖壓力拱的內(nèi)外邊界。

圖3　圍巖應(yīng)力分區(qū)Fig.3 Surrounding rock stress partition

壓力拱的內(nèi)邊界為圍巖松動(dòng)區(qū)與壓力拱(應(yīng)力集中區(qū))的分界線，由于拱體自身和其上的荷載向洞室兩側(cè)轉(zhuǎn)移，在拱體內(nèi)部最大主應(yīng)力增大，最小主應(yīng)力減小，最大主應(yīng)力達(dá)到最大處即為內(nèi)邊界。

壓力拱的外邊界為壓力拱(應(yīng)力集中區(qū))與原始應(yīng)力區(qū)的分界線，在原始應(yīng)力區(qū)，圍巖的應(yīng)力狀態(tài)基本不受隧道開(kāi)挖的影響，圍巖應(yīng)力趨近于地層初始地應(yīng)力。據(jù)此，可用圍巖中主應(yīng)力的變化率來(lái)判斷圍巖是否屬于拱體，如變化率過(guò)大，則被認(rèn)為該部分圍巖進(jìn)入了拱體，反之未進(jìn)入拱體。一般認(rèn)為，開(kāi)挖前后的圍巖主應(yīng)力差與原主應(yīng)力比不超過(guò)3%，圍巖受隧道開(kāi)挖影響可忽略不計(jì)，圍巖屬于原始應(yīng)力區(qū)。

為研究在本工程特有地質(zhì)情況下隧道開(kāi)挖圍巖成拱能力，利用大型有限元軟件ABAQUS根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況建立隧道開(kāi)挖模型。為分析隧道開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力分布規(guī)律，在模型中定義了一條具有代表性的應(yīng)力監(jiān)測(cè)路徑，如圖4所示，路徑起點(diǎn)為隧道邊緣(拱頂)，終點(diǎn)為模型邊界。

由圖5可知，隧道開(kāi)挖后圍巖發(fā)生應(yīng)力重分布，最大主應(yīng)力在距離拱頂3 m處達(dá)到最大；因此，壓力拱內(nèi)邊界為距拱頂3 m處。由圖6及表2可知，隧道開(kāi)挖后，圍巖在距拱頂12 m處最大主應(yīng)力變化率開(kāi)始小于3%，所以壓力拱外邊界為距拱頂12 m處。

圖4　應(yīng)力監(jiān)測(cè)路徑示意圖Fig.4 Stress monitoring path

由以上分析可知，現(xiàn)階段工程地質(zhì)條件良好，圍巖能形成壓力拱(壓力拱內(nèi)邊界為距拱頂3 m處，外邊界為距拱頂12 m處)，具有良好的自穩(wěn)能力，能保證洞周穩(wěn)定及減小作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力；綜上所述，現(xiàn)階段地質(zhì)情況已適宜進(jìn)行工法轉(zhuǎn)換，采用三臺(tái)階法施工，為機(jī)械化施工提供足夠的作業(yè)空間，提高施工效率。

圖5　監(jiān)測(cè)路徑開(kāi)挖后最大主應(yīng)力Fig.5 Maximum main stress of monitoring path after excavation

圖6　監(jiān)測(cè)路徑開(kāi)挖前后最大主應(yīng)力對(duì)比Fig.6 Contrast about the maximum main stress of monitoring path before and after excavation

表2　監(jiān)測(cè)路徑開(kāi)挖后最大主應(yīng)力變化率

表2　監(jiān)測(cè)路徑開(kāi)挖后最大主應(yīng)力變化率

表2　監(jiān)測(cè)路徑開(kāi)挖后最大主應(yīng)力變化率

表2　監(jiān)測(cè)路徑開(kāi)挖后最大主應(yīng)力變化率

3工法轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)研究

為確定合理的工法轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)，將工法轉(zhuǎn)換帶來(lái)的施工風(fēng)險(xiǎn)降到最低，利用大型有限元軟件ABAQUS分別對(duì)掌子面不同入巖深度的11種工況進(jìn)行二維開(kāi)挖支護(hù)數(shù)值模擬，以得到不同入巖深度對(duì)圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響規(guī)律，確定出合理的工法轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)。

3.1　數(shù)值計(jì)算模型

3.1.1模型幾何尺寸

基于圣維南原理，為了使模型不產(chǎn)生明顯的邊界效應(yīng)，模型尺寸一般要取3~5倍洞徑，本隧道模型尺寸橫向取為90 m，豎向上部取至地表，下部取至地勘鉆孔底部，豎向總高度為50 m。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及地勘資料將模型豎向簡(jiǎn)化劃分為上下兩種地層，上層為粉質(zhì)粘土混碎石，下層為中風(fēng)化凝灰質(zhì)粉砂巖。

3.1.2計(jì)算模擬工況

為分析掌子面不同入巖深度下圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的變化規(guī)律，沿豎向分別選取11種不同入巖深度工況進(jìn)行數(shù)值分析，具體工況劃分見(jiàn)圖7所示。注：圖中“0”代表土石分界線位于隧道底部，“2.5”代表土石分界線位于隧道底部以上2.5 m處，依次類(lèi)推。

圖7　不同入巖深度劃分圖Fig.7 Different rock depth distribution

3.2　計(jì)算結(jié)果分析

隨著掌子面入巖深度的增加，拱頂沉降、隧底隆起及地表沉降變化規(guī)律如圖8所示，不同入巖深度下拱頂沉降、隧底隆起及地表沉降數(shù)值見(jiàn)表3。

表3　不同入巖深度圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形值

圖8　不同入巖深度圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形曲線Fig.8 Surrounding rock and supporting structure deformation curve at different rock depth

由以上分析可知：1)不同掌子面入巖深度下拱頂沉降變化曲線大致可以分為2個(gè)階段：第1階段是入巖深度從0~11 m，隨著入巖深度的增加，拱頂沉降急劇減??；第2階段，入巖深度大于11 m，巖層已經(jīng)完全覆蓋隧道拱頂后，拱頂沉降隨入巖深度的增加變化很小，基本穩(wěn)定。2)隧底隆起受掌子面入巖深度影響較小，不同入巖深度下，隧底隆起基本無(wú)變化。3)不同掌子面入巖深度下地表沉降的變化曲線大致可以分為3個(gè)階段：第1階段是入巖深度從0~5 m，隨著入巖深度的增加，地表沉降急劇減??；第2階段，入巖深度從5~11 m，隨著入巖深度的增加，地表沉降減小速率趨于緩和；第三階段，入巖深度大于11m，巖層已完全覆蓋隧道拱頂后，地表沉降隨入巖深度的增加基本無(wú)變化。

通過(guò)以上分析可知，隨著掌子面入巖深度的增加，圍巖變形呈減小的趨勢(shì)，并最終都趨于穩(wěn)定，其大小不再隨入巖深度的增加而變化，表4為圍巖變形不隨掌子面入巖深度增加而變化時(shí)的入巖深度值。綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)等因素，最終確定在掌子面入巖深度為11 m時(shí)進(jìn)行工法轉(zhuǎn)換，由原設(shè)計(jì)的CRD工法改為三臺(tái)階法進(jìn)行施工。

表4　圍巖變形穩(wěn)定入巖深度值

4三臺(tái)階法非爆破快速施工機(jī)械選型研究

根據(jù)以往類(lèi)似施工經(jīng)驗(yàn)，淺埋暗挖硬巖隧道多采用爆破或液壓破碎錘開(kāi)挖。采用爆破施工對(duì)圍巖擾動(dòng)大，易造成圍巖掉塊或坍塌，存在較大安全隱患，杭州紫之隧道埋深較淺(埋深約20 m)，周邊環(huán)境復(fù)雜，鄰近建(構(gòu))筑物眾多，不宜進(jìn)行爆破施工。采用液壓破碎錘施工超挖現(xiàn)象較嚴(yán)重，并且開(kāi)挖效率低，無(wú)法滿足目前的施工進(jìn)度要求。以上分析表明，本工程不適宜采用傳統(tǒng)的爆破或液壓破碎錘進(jìn)行施工。

雷向峰[10]通過(guò)對(duì)5座不同地質(zhì)情況隧道進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析不同地質(zhì)條件下隧道銑挖工藝的施工效率，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表5所示。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，銑挖機(jī)施工效率隨圍巖強(qiáng)度變化規(guī)律如圖9所示，由圖9可知，施工效率隨圍巖強(qiáng)度的增大而急劇減小，且當(dāng)圍巖強(qiáng)度大于20 MPa時(shí)銑挖施工效率低，不宜采用銑挖機(jī)施工。隨著掌子面入巖深度的增加，杭州紫之隧道侵入掌子面巖石主要為12-3號(hào)地層中風(fēng)化凝灰質(zhì)粉砂巖，天然單軸抗壓強(qiáng)度約為14.18 MPa，由圖9可知，在此圍巖強(qiáng)度下銑挖施工效率較高，表明在本工程特有地質(zhì)情況下采用銑挖機(jī)施工是合理可行的，能滿足工期要求。并且，采用銑挖施工對(duì)圍巖、已支護(hù)拱架擾動(dòng)小，同時(shí)能很好的控制超欠挖現(xiàn)象。

圖9　不同圍巖地質(zhì)情況下的銑挖工效統(tǒng)計(jì)示意圖Fig.9 Curve of efficiency of milling excavation method in different geological conditions

表5　不同地質(zhì)情況下銑挖工效統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)隧道圍巖強(qiáng)度特征、斷面大小，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、銑挖工效等因素，最終選用泰安恒大機(jī)械有限公司夯神RW系列中的RW120型液壓臥式巖土銑挖機(jī)進(jìn)行銑挖施工。夯神RW系列液壓銑挖機(jī)是采用專利技術(shù)研發(fā)的新型巖土銑挖機(jī)械，成套采用了世界名牌液壓驅(qū)動(dòng)裝置及零部件。銑挖機(jī)安裝在260型挖掘機(jī)斗桿前端，直接利用挖掘機(jī)的液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和操控。RW120型液壓臥式巖土銑挖機(jī)主要性能及技術(shù)參數(shù)如表6所示。圖10為銑挖機(jī)正在進(jìn)行上臺(tái)階銑挖施工，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，每小時(shí)開(kāi)挖量可達(dá)到25m3，施工效率高。

圖10　上臺(tái)階銑挖Fig.9 Excavation of upper step

表6　RW120型液壓臥式巖土銑挖機(jī)主要性能及技術(shù)參數(shù)

5工法轉(zhuǎn)換合理性驗(yàn)證

5.1　現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析

進(jìn)行工法轉(zhuǎn)換后，由原設(shè)計(jì)CRD法改為三臺(tái)階法施工，不架設(shè)臨時(shí)支撐，擴(kuò)大作業(yè)空間，方便大型機(jī)械銑挖機(jī)施工。為探究在本工程特有地質(zhì)情況下三臺(tái)階法施工圍巖穩(wěn)定性狀況，進(jìn)行工法轉(zhuǎn)換后，對(duì)隧道圍巖變形進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。此處選取隧道東西線拱頂沉降進(jìn)行分析，東西線拱頂沉降測(cè)點(diǎn)分為GD37-E(東線)、GD33-W(西線)，拱頂沉降累積變形時(shí)程曲線、拱頂沉降速率曲線、拱頂沉降加速度曲線分別見(jiàn)圖11~13。

圖11　拱頂沉降累積變形時(shí)程曲線Fig.11 Deformation curve of crown displacement

圖12　拱頂沉降變形速率時(shí)程曲線Fig.12 Deformation rate curve of crown displacement

圖13　拱頂沉降變形加速度時(shí)程曲線Fig.13 Deformation acceleration curve of crown displacement

由圖11拱頂沉降累積變形時(shí)程曲線圖分析可知，三臺(tái)階法施工過(guò)程中隧道圍巖在初期階段變形速率較大，圍巖累積變形一直處于急劇爬升狀態(tài)；約經(jīng)過(guò)15 d，變形速率變緩，圍巖變形處于平緩發(fā)展階段，并最終趨于穩(wěn)定。由圖12拱頂沉降速率曲線同樣可看出，歷經(jīng)15 d后，拱頂沉降速率在0 mm/d附近很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，幾乎沒(méi)有變化，圍巖趨于穩(wěn)定；圖13拱頂沉降加速度曲線圖也顯示此時(shí)圍巖變形加速度基本為0 mm/d2，圍巖變形趨于穩(wěn)定。以上分析表明，工法轉(zhuǎn)換合理，工法轉(zhuǎn)換后三臺(tái)階法施工過(guò)程中，圍巖變形穩(wěn)定，無(wú)異常變形情況。

5.2　施工進(jìn)度分析

杭州紫之隧道原設(shè)計(jì)采用CRD法施工，工作面被分割成多處小空間，只能人工或小型機(jī)械開(kāi)挖，因動(dòng)力不足，開(kāi)挖極其困難，施工進(jìn)度已無(wú)法滿足工期要求，如表7所示。通過(guò)工法轉(zhuǎn)換，采用三臺(tái)階法施工，將原設(shè)計(jì)CRD工法的臨時(shí)支撐體系轉(zhuǎn)化為外支護(hù)體系，為銑挖施工提供了足夠的作業(yè)空間，有效的提高了施工效率。工法轉(zhuǎn)換后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋施工進(jìn)度可達(dá)3 m/d，而由表7可知完成剩余工程量所需計(jì)劃進(jìn)度約為2.5 m/d，表明工法轉(zhuǎn)換的實(shí)施有效解決了施工進(jìn)度無(wú)法滿足工期要求這一難題。

表7　施工進(jìn)度分析

6結(jié)論

1)杭州紫之隧道地層總體呈“上軟下硬”，巖石空間分布差異大，單一的開(kāi)挖方法已不能滿足施工要求。隨著號(hào)地層凝灰質(zhì)粉砂巖侵入掌子面，掌子面入巖深度不斷增加，原設(shè)計(jì)采用CRD法施工已嚴(yán)重阻礙施工進(jìn)度。通過(guò)工法轉(zhuǎn)換，及時(shí)調(diào)整施工方法，采用三臺(tái)階法施工，成功保證了施工進(jìn)度不受影響。本工程工法轉(zhuǎn)換的成功實(shí)施，可為類(lèi)似工程項(xiàng)目提供借鑒。

2)選取K13+439里程作為科研斷面，對(duì)鋼拱架應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，探究在本工程特有地質(zhì)情況下初期支護(hù)鋼拱架應(yīng)力分布規(guī)律。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在施工過(guò)程中臨時(shí)支護(hù)(中隔壁、臨時(shí)仰拱)鋼拱架的應(yīng)力水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于永久支護(hù)鋼拱架，臨時(shí)支護(hù)荷載分配比重遠(yuǎn)小于初期支護(hù)。并且，隨著掌子面入巖深度的增加，圍巖穩(wěn)定性越來(lái)越好，臨時(shí)支撐受力亦不可避免地會(huì)隨之進(jìn)一步減小。以上分析表明，可以考慮進(jìn)行工法轉(zhuǎn)換，不架設(shè)臨時(shí)支撐，采用三臺(tái)階法施工，為大型施工機(jī)械提供足夠的作業(yè)空間。

3)利用大型有限元軟件ABAQUS對(duì)現(xiàn)階段地質(zhì)情況下圍巖成拱能力進(jìn)行分析，分析表明，現(xiàn)階段工程地質(zhì)條件良好，圍巖能形成壓力拱(壓力拱內(nèi)邊界為距拱頂3 m處，外邊界為距拱頂12 m處)，具有良好的自穩(wěn)能力，能保證洞周穩(wěn)定及減小支護(hù)結(jié)構(gòu)受力。綜上所述，現(xiàn)階段地質(zhì)情況已適宜進(jìn)行工法轉(zhuǎn)換，采用三臺(tái)階法施工，為機(jī)械化施工提供足夠的作業(yè)空間，提高施工效率。

4)利用大型有限元軟件ABAQUS分別對(duì)掌子面不同入巖深度的11種工況進(jìn)行二維開(kāi)挖支護(hù)模擬，分析不同入巖深度對(duì)圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響規(guī)律，以確定合理的工法轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)。分析表明，隨著掌子面入巖深度的增加，圍巖變形呈減小趨勢(shì)，當(dāng)掌子面入巖深度大于11 m時(shí)其大小不再隨入巖深度的增加而變化，綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)等因素，選在掌子面入巖深度為11 m時(shí)進(jìn)行工法轉(zhuǎn)換，由原設(shè)計(jì)的CRD工法改為三臺(tái)階法進(jìn)行施工。

5)杭州紫之隧道埋深淺，周邊環(huán)境復(fù)雜，工期緊，不宜采用傳統(tǒng)的爆破或液壓破碎錘進(jìn)行施工。通過(guò)研究銑挖施工效率隨圍巖強(qiáng)度變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)本工程掌子面圍巖強(qiáng)度下(天然單軸抗壓強(qiáng)度約為14.18 MPa)銑挖施工效率較高，采用銑挖施工合理可行。綜合考慮經(jīng)濟(jì)、銑挖工效等因素，選用260型挖掘機(jī)搭載RW120型液壓臥式巖土銑挖機(jī)進(jìn)行銑挖施工。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋，每小時(shí)開(kāi)挖量約為25 m3，銑挖施工進(jìn)度可達(dá)3 m/d，表明工法轉(zhuǎn)換的實(shí)施有效解決了施工進(jìn)度無(wú)法滿足工期要求這一難題。

6)為探究工法轉(zhuǎn)換后三臺(tái)階法施工圍巖穩(wěn)定性狀況，對(duì)隧道圍巖變形進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示圍巖變形穩(wěn)定，無(wú)異常變形情況，表明工法轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)正確，工法轉(zhuǎn)換合理。

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(編輯陽(yáng)麗霞)

Research on key technology of shallow-buried tunnel’s constructionmethod conversion in upper-soft lower-hard strata

ZHAO Chunhua

(Hangzhou Company, China Railway Tunnel Group , Hangzhou 310000, China)

Abstract:Based on the practical tunnel project of Hang Zhou Zi Zhi , this paper presents the feasibility of method conversion under special geological conditions by analyzing its initial bracing steel arch’s stress distribution rule and surrounding rocks’ arching ability on the present stage.Large-scale finite element software ABAQUS is applied in the two-dimensional numerical simulation of the tunnel excavation and Support under 11 different working conditions corresponding to tunnel face’s different depth into rock.Reasonable timing of method conversion is determined on the base structural deformation rule of the surrounding rocks and supporting caused by tunnel face’s different depth into rock.Based on the machinery selection study of three-step non-blasting rapid construction in the actual situation where blasting construction method is unfavorable due to a comprehensive consideration of tunnel’s buried depth and complicated surrounding environment ,a milling and digging method is proposed to apply with the use of 260 Excavator together with RW120 Hydraulic Horizontal Geotechnical Milling Driver.On the premise of safe construction, the successful implementation of method conversion means the efficiency increasing of construction.It also has referentin meaning for tunnel construction in upper-soft lower-hard strata.

Key words:tunnel engineering; upper-soft lower-hard strata; method transformation; machinery selection

通訊作者：趙春華(1971-)，男，云南彌勒人，高級(jí)工程師，從事隧道與地下工程領(lǐng)域研究工作；E-mail: 1336476694@qq.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(U1134208)；中鐵隧道集團(tuán)科技創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(隧研合2013-30)

收稿日期：2015-08-27

中圖分類(lèi)號(hào)：U455

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-7029(2015)06-1444-08