陳國中，徐前衛(wèi)，程盼盼，董繼濤，吳永波（.中鐵七局集團第二工程有限公司，陜西 西安　7003；.同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室，上?！?804）

紅層軟巖隧道CRD法進洞施工合理工序研究

陳國中1，徐前衛(wèi)2，程盼盼2，董繼濤1，吳永波1
（1.中鐵七局集團第二工程有限公司，陜西 西安710032；2.同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804）

南華一號隧道進洞施工采用CRD法，但在按照原設計工序施工時，出現(xiàn)了開挖面失穩(wěn)、局部塌方等事故，影響施工安全和施工進度。本文采用數(shù)值模擬方法從隧道施工圍巖的變形、塑性區(qū)分布規(guī)律、初期支護結(jié)構(gòu)的受力特點等方面對CRD法施工的合理工序進行了研究。結(jié)果表明：采用左上、右上、左下、右下步序施工，圍巖的變形可以得到有效的控制，從而更有利于圍巖的穩(wěn)定。圍巖變形實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合，表明數(shù)值計算分析是正確的。

軟巖隧道；CRD法；施工順序；數(shù)值模擬；現(xiàn)場監(jiān)測

軟弱圍巖為松散、破碎、流變、強風化以及高地應力圍巖的總稱。紅層軟巖主要以紫紅色、紫灰、褐紅色為主，分布較為廣泛，多由薄～中厚層泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等組成，主要由鈣質(zhì)或泥質(zhì)膠結(jié)，遇水軟化、易崩解［1］。在軟巖地層中修建隧道，施工風險極高，尤其是在隧道進口段，常因處理不當導致洞內(nèi)塌方冒頂、洞外邊坡滑塌等事故。因此，選用合理的進洞施工工法和工序至關重要。CRD工法又稱交叉中隔壁法，施工中將大斷面洞室分割成一個個小的洞室，各個洞室支護結(jié)構(gòu)獨立封閉成環(huán)，能夠有效地控制軟弱圍巖隧道的變形，故而被較多應用于軟弱圍巖隧道的施工。梁偉、溫江濤等［2-3］結(jié)合具體工程實踐，在淺埋、偏壓隧道進洞施工中采用CRD工法，有效控制了圍巖的變形；黃松等［4］通過數(shù)值計算分析了CRD法在淺埋大跨隧道小角度下穿既有線中的實用性；石熊、劉惠敏等［5-6］結(jié)合具體工程采用數(shù)值模擬手段對CRD法施工工序開展了研究；胡斌等［7-10］結(jié)合具體工程對CRD法施工圍巖的穩(wěn)定性進行了分析；孫振川、趙鵬社等［11-15］結(jié)合具體工程分析了 CRD工法在特殊地層中的適應性及其優(yōu)化。盡管CRD法已被廣泛應用于眾多軟弱圍巖隧道的施工中，但由于其工序復雜，圍巖加、卸載較為頻繁，其對圍巖的穩(wěn)定性和變形仍有較大的影響，這也是近年來眾多學者關注和持續(xù)研究的重點。

本文結(jié)合云南省廣（通）—大（理）鐵路擴能改造工程南華一號隧道出現(xiàn)的局部塌方破壞問題，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測對該工法的合理施工步序開展研究，研究成果可為同類隧道的設計、施工提供借鑒。

1　工程概況

1.1地質(zhì)情況

南華一號隧道為時速200 km/h客貨共線雙線鐵路隧道，是廣（通）—大（理）鐵路擴能改造項目的控制性工程之一。隧道全長1.9 km，進口端高程約1 864 m，出口端高程約1 885 m，測區(qū)內(nèi)最高峰1 972 m，相對高差約100 m，最大埋深約96 m。隧址區(qū)屬山間盆地與低中山寬谷緩坡過渡區(qū)。

隧道進口段圍巖埋深淺，風化破碎。地勘資料顯示，巖體平均單軸抗壓強度僅為5.3 MPa。受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響，圍巖節(jié)理發(fā)育，巖體完整性差，浸水后易軟化崩解，還具有弱膨脹性，進洞施工風險極高。隧址區(qū)上覆第四系全新統(tǒng)坡殘積粉質(zhì)黏土，下伏基巖為白堊系中統(tǒng)馬頭山組（K2m）砂巖夾泥巖及下統(tǒng)普昌河組（K1p）泥巖夾砂巖、泥灰?guī)r。

1.2設計與施工情況

全隧采用復合式襯砌，進洞施工采用CRD工法，施工前采用φ108大管棚對開挖面前方40 m范圍進行超前支護。隧道初期支護采用I20鋼拱架、間距0.6 m，噴C25混凝土、鋼筋網(wǎng)支護。二次襯砌拱部、邊墻、仰拱采用C35耐腐蝕鋼筋混凝土，仰拱填充采用C25耐腐蝕噴射混凝土。

南華一號隧道進洞嚴格按照設計施工，原有設計工序如圖1所示。其中，①，③部開挖采用人工配合小型機械開挖，②，④部采用人工配合小型機械開挖，大型機械輔助。當施工開挖②部時，導洞左側(cè)即③部出現(xiàn)局部塌方，使得①部已施作好的臨時支撐懸空，施工安全受到嚴重威脅。鑒于此，采用數(shù)值模擬方法對CRD工法的合理工序進行研究。

圖1　CRD法施工工序

2　數(shù)值模擬

2.1計算模型和參數(shù)

計算選取南華一號隧道進口段Ⅴ級圍巖區(qū)段作為研究對象。據(jù)該段工程地質(zhì)資料，地層從上至下依次為〈6-3〉粉質(zhì)黏土、〈12-1〉W4全風化泥巖夾砂巖、泥灰?guī)r、〈12-1〉W3強風化泥巖夾砂巖、〈12-1〉W2弱風化泥巖。地層和襯砌結(jié)構(gòu)的物理力學參數(shù)見表1。

表1　地層和襯砌結(jié)構(gòu)物理力學參數(shù)

計算模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。模型的上邊界取至地表、左右邊界取5倍洞徑即60 m，下邊界取4倍洞徑即48 m，隧道埋深約為7 m，左右前后和下邊界沿法向進行位移約束，上邊界設為自由面，不考慮地下水的滲流作用。

圖2　計算模型網(wǎng)格劃分

巖體材料采用塊體單元來模擬，初期支護采用Shell單元，超前支護采用 Cable單元。圍巖本構(gòu)服從摩爾-庫侖準則，襯砌材料按彈性材料考慮，鋼拱架和鋼筋網(wǎng)的作用通過提高混凝土的彈性模量來模擬。根據(jù)現(xiàn)場實際工況，初襯厚度為0.27 m，二次襯砌厚度為0.55 m。

2.2計算工況

實際工程按原有設計工序施工時，開挖面附近出現(xiàn)了局部失穩(wěn)，故為了對比分析，計算時考慮了2種工況，各工況的計算步序見表2。

表2　數(shù)值分析計算工況

在模擬隧道施工工序時，先對初始模型賦予合適的參量后，進行初始地應力平衡，然后按照表2中各工況設定的工序進行分部開挖，隨后施作噴射混凝土襯砌，待應力釋放后，拆除中隔墻和臨時仰拱，最后再模擬二次襯砌支護。

2.3計算結(jié)果分析

2.3.1圍巖變形

圖3為2種工況下圍巖變形隨各施工步序的變化曲線。由圖3可見：①隨著開挖的進行，2種工況隧道拱頂沉降和隧底隆起均逐漸增大，而拱腰收斂較為穩(wěn)定，且圍巖的豎向變形量遠大于圍巖水平方向的收斂值，這表明圍巖的變形主要以豎向變形為主，側(cè)向變形較小。②工況2的變形值與工況1相當，但右上臺階先于左下臺階開挖，可有效減小圍巖變形和減緩變形速率。

圖3　圍巖變形隨工序的變化曲線

表3為2種工況下初期支護封閉后洞周圍巖的累積變形量。可以看出，工況2圍巖的拱頂和隧底處的變形量均小于工況1，而拱腰水平收斂較為接近。可見，采用優(yōu)化后的工序施工可以在一定程度上抑制圍巖的變形。

表3　初期支護封閉后洞周圍巖累積變形量　mm

2.3.2圍巖塑性區(qū)

隧道開挖卸荷過程中圍巖應力重新分布。若此時圍巖應力達到屈服極限時，圍巖進入塑性狀態(tài)。塑性變形是軟巖隧道進入破壞狀態(tài)的前一階段，即預示著圍巖變形破壞趨勢。工況1、工況2的差異在工序2、工序3的不同，故以下只對這2種工況的工序2，3進行比較分析。

圖4為開挖步2的塑性區(qū)云圖。可以看出，就圍巖出現(xiàn)的拉伸剪切破壞區(qū)域范圍而言，工況1明顯大于工況2，且工況1塑性區(qū)主要集中在開挖區(qū)域的兩側(cè)和底部，而工況2塑性區(qū)主要出現(xiàn)在開挖區(qū)域的頂部。

圖4　開挖步2的塑性區(qū)云圖

圖5為開挖步3的塑性區(qū)云圖?？梢钥闯?，工況1實施開挖步3時，①部臨時支撐的右拱腳位置出現(xiàn)了較大范圍的剪切塑性區(qū)域，表明開挖面在該部位易發(fā)生剪切破壞，這與施工時在該部位出現(xiàn)的局部塌方現(xiàn)象吻合。相比之下，按照工況2的工序施工時，在同樣位置處出現(xiàn)的塑性剪切區(qū)范圍相對較小。

圖5　開挖步3的塑性區(qū)云圖

2.3.3支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力

開挖步序不同支護結(jié)構(gòu)的受力模式亦不同。圖6為開挖步2的初襯彎矩云圖。由圖可知：2種工況相比，工況1中襯砌結(jié)構(gòu)的最大彎矩值較大，這樣容易使得襯砌產(chǎn)生應力集中，不利于支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。故從支護結(jié)構(gòu)的受力來看，采用工況2中的工序施工，支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性更好。

圖6　開挖步2的初襯彎矩云圖（單位：N·m）

3　現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析

按照原有CRD設計工序施工時，開挖面局部塌方，施工無法進行正常。通過數(shù)值計算和經(jīng)多方專家商討，最終決定采取工況2中的工序施工。施工時先對已開挖的左下臺階進行回填，穩(wěn)定開挖面，然后依次開挖②，③，④部和施作仰拱，并在每部開挖后及時施作初期支護。

現(xiàn)場監(jiān)控量測不僅能直觀反映圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)，而且能有效彌補數(shù)值分析的不足。為此，對南華一號隧道進口段拱頂沉降和拱腰收斂進行監(jiān)控量測。圖7分別為進口段DK59+587斷面拱頂沉降、拱腰收斂時程曲線。

圖7　DK59+587斷面拱頂沉降、拱腰收斂時程曲線

由圖7（a）可知，拱頂沉降最終穩(wěn)定在60 mm，當①部開挖后，圍巖變形急劇增大，拱頂沉降為25 mm，約占總變形量的42%；當②部開挖后拱頂沉降速率減慢，拱頂累計沉降增大了 10 mm，約占總變形量的17%。由此可見，優(yōu)先施工右上臺階，及時施作初期支護可以減緩圍巖的變形和控制地應力的釋放。開挖③部時尚未形成封閉的初支結(jié)構(gòu)，圍巖的變形繼續(xù)發(fā)展，直到④部施工完畢，圍巖的變形逐漸趨于穩(wěn)定。

由圖7（b）可知：拱腰收斂隨施工步的變化波動較大，反映了施工過程對圍巖的擾動，但整體上拱腰收斂呈現(xiàn)出階段性變化，第1階段主要是由于上臺階施工引起的，隨著臨時支撐的施作，圍巖的水平收斂暫時穩(wěn)定；施工下臺階后拱腰收斂的發(fā)展進入第2階段，圍巖的水平收斂呈逐漸增大趨勢。拱腰收斂累積值約12 mm。圍巖變形實測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合，驗證了數(shù)值計算結(jié)果的準確性。

4　結(jié)語

1）隧道施工時，采用同種工法的不同工序施工，圍巖的力學響應和應力歷史不同，在施工之前應對施工工法及其工序進行優(yōu)化分析，以更好控制圍巖的變形，確保開挖面的穩(wěn)定。

2）南華一號隧道采用優(yōu)化后的工序進行施工，整個施工過程較為安全，圍巖的變形得到有效控制，也大大改善了開挖面的穩(wěn)定性，施工工期得到了保障。

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（責任審編葛全紅）

Study on Reasonable Construction Process in Entrance Section of Red Layer Soft Rock Tunnel with CRD（Cross Diaphragm）Method

CHEN Guozhong1，XU Qianwei2，CHENG Panpan2，DONG Jitao1，WU Yongbo1
（1.The Second Engineering Co.，Ltd.of China Railway Seventh Group，Shaanxi Province，Xi'an Shaanxi 710032，China；2.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 201804，China）

Nanhua No.1 tunnel entrance section was constructed by using CRD method.Excavation instability and partial collaps occurred during the construction followed the designed construction process，resulting in a safety threat and a delay.In this paper，a reasonable construction was suggested by using CRD method based on a numerical simulation.T he deformation of surrounding rock，plastic zone distribution and performance of initial support were analyzed.T he results show that deformation of surrounding rock can be effectively controlled through an improved process，a construction starting at the upper left part，then at upper right part，the lower left part and finally at the lower right.T he advantage of this construction method is an effective control of stability of surrounding rock.T he numerical simulation was validated by the field measurement.

Soft rock tunnel；CRD method；Construction process；Numerical simulation；Field measurement

U455.4

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.17

2015-12-10；

2016-05-20

陳國中（1982— ），男，工程師。