楊 招 黃強(qiáng)兵② 肖雙全 茍玉軒 王友林

(①長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程系， 西安 710054， 中國(guó))

(②長(zhǎng)安大學(xué)西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710054， 中國(guó))

(③北京市政路橋集團(tuán)股份有限公司， 北京 100068， 中國(guó))

(④陜西省城市地質(zhì)與地下空間工程技術(shù)研究中心， 西安 710068， 中國(guó))

0 引 言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，城市人口密度急劇增大，城市地面交通面臨巨大壓力，交通擁堵現(xiàn)象十分普遍，這給城市居民生活和出行帶來(lái)了極大不便。為緩解城市交通壓力，我國(guó)正大力進(jìn)行城市軌道交通建設(shè)，地鐵建設(shè)規(guī)模之大，前所未有。西安作為我國(guó)歷史名城，十三朝古都，旅游勝地，致力于成為國(guó)際化大都市，近年來(lái)地鐵建設(shè)正在快速推進(jìn)中。然而，西安市地理位置上屬于內(nèi)陸盆地，特殊的地質(zhì)構(gòu)造條件，加上開(kāi)采地下水，導(dǎo)致地裂縫地質(zhì)災(zāi)害十分發(fā)育。近年來(lái)其活動(dòng)逐步減緩，但仍對(duì)在建的西安地鐵構(gòu)成嚴(yán)重威脅，幾乎所有地鐵線(xiàn)路均不可避免地穿越地裂縫帶(彭建兵等， 2012； 黃強(qiáng)兵等， 2019a)。為了保證地鐵隧道穿越地裂縫場(chǎng)地的安全性，施工方法目前主要采用淺埋暗挖CRD工法，結(jié)構(gòu)上采取分段設(shè)縫、擴(kuò)大斷面等防治措施應(yīng)對(duì)地裂縫活動(dòng)帶來(lái)的影響(黃強(qiáng)兵等， 2009a； 彭建兵等， 2012)。

關(guān)于西安地鐵地裂縫問(wèn)題，國(guó)內(nèi)已開(kāi)展了大量研究，主要集中在地裂縫錯(cuò)動(dòng)對(duì)已建隧道的影響和設(shè)防問(wèn)題(黃強(qiáng)兵等， 2007， 2009b， 2019a； 孫萍等， 2008； 胡志平等， 2011)，很少涉及地裂縫場(chǎng)地施工影響研究(徐明祥等， 2020)。從隧道施工工法研究來(lái)看，以往主要開(kāi)展了不同工法的比較分析，現(xiàn)有CRD工法優(yōu)化研究部分又側(cè)重于公路隧道、鐵路隧道及暗挖通道方面，針對(duì)城市地鐵隧道穿越地裂縫場(chǎng)地CRD工法優(yōu)化研究少之又少。如Masayasu et al. (1982)和Palmer et al. (2011)對(duì)淺埋暗挖隧道引起的地表沉降進(jìn)行了三維邊界元分析及理論推導(dǎo)； Gonzalez et al. (2011)介紹了數(shù)值解和解析解在馬德里地鐵新建隧道中的應(yīng)用，對(duì)約60個(gè)試驗(yàn)段進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集及分析； 崔小鵬等(2010)針對(duì)CRD工法及三臺(tái)階七步開(kāi)挖工法進(jìn)行了對(duì)比分析，并做了綜合評(píng)價(jià)和改進(jìn)； 王旭東等(2011)以青島地鐵某車(chē)站為例，運(yùn)用有限元分析方法研究了覆跨比與地表位移的關(guān)系，并分析了不同覆跨比下的開(kāi)挖穩(wěn)定性； 孔祥興等(2011)采用三維動(dòng)態(tài)模擬和施工力學(xué)分析，研究了CRD工法與盾構(gòu)法隧道先后施工間相互影響作用； 陳夢(mèng)月(2009)設(shè)計(jì)了6種不同的開(kāi)挖與支護(hù)工況和兩種不同的施工工序，對(duì)廈門(mén)翔安隧道陸域淺灘段開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬分析； 許文鋒等(2009)以Ⅴ級(jí)圍巖條件下的某大跨度黃土隧道為研究對(duì)象，采用有限元數(shù)值模擬手段，對(duì)CRD工法中各個(gè)分部的開(kāi)挖形狀、開(kāi)挖順序以及支護(hù)形式進(jìn)行了優(yōu)化研究； 王薇等(2017)和姚紅偉等(2018)以某城市地下公路淺埋暗挖隧道為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬手段，進(jìn)行了CRD工法優(yōu)化與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究； 黨維維(2009)、李夢(mèng)莎(2015)和程飛(2018)基于淺埋暗挖隧道的施工方法、地層變形的影響因素、地表沉降規(guī)律及支護(hù)加固方法，對(duì)CRD工法進(jìn)行了優(yōu)化分析。上述研究集中于CRD工法在黃土地區(qū)、陸域淺灘地區(qū)及地質(zhì)條件差的城市地段等方面的應(yīng)用分析，未涉及到地裂縫場(chǎng)地地鐵隧道CRD工法施工優(yōu)化研究。針對(duì)傳統(tǒng)CRD工法如何更好地適用于地裂縫場(chǎng)地地鐵隧道施工，能否進(jìn)行優(yōu)化，怎樣優(yōu)化，目前尚未有相關(guān)研究。

本文以西安地鐵6號(hào)線(xiàn)隧道暗挖施工穿越地裂縫場(chǎng)地為研究工程背景，采用有限元數(shù)值方法，對(duì)地裂縫場(chǎng)地傳統(tǒng)CRD工法和筆者提出的優(yōu)化CRD工法隧道開(kāi)挖進(jìn)行了三維動(dòng)態(tài)模擬，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比分析兩種工法下地表沉降、隧道拱頂沉降及隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)壓力的變化規(guī)律，以期提出一種適用于地裂縫場(chǎng)地地鐵隧道施工的優(yōu)化CRD工法，為西安乃至其他地裂縫發(fā)育城市地鐵隧道穿越地裂縫場(chǎng)地施工提供科學(xué)借鑒和技術(shù)參考。

表1 計(jì)算參數(shù)

1 工程概況

西安地鐵6號(hào)線(xiàn)全長(zhǎng)約為39.94 km，是西安市區(qū)向西南方向的一條骨干放射線(xiàn)路。西安地鐵6號(hào)線(xiàn)一期工程線(xiàn)路起于西安市高新區(qū)南端，規(guī)劃國(guó)鐵南客站； 在高新區(qū)向北沿西太路、亞迪路、錦業(yè)路、唐延路、高新路行進(jìn)，在勞動(dòng)南路設(shè)置一期工程終點(diǎn)站勞動(dòng)南路站。一期工程線(xiàn)路長(zhǎng)約20.52 km，均為地下線(xiàn)。其中丈八四路—丈八一路區(qū)間工程自丈八四路車(chē)站始，止于丈八一路車(chē)站，位于錦業(yè)路，與丈八三路和丈八二路相交，呈東西走向，區(qū)間設(shè)計(jì)里程為K21+758.800～K22+840.200，全長(zhǎng)1081.400 m，分為盾構(gòu)段和暗挖段，暗挖段隧道設(shè)計(jì)為雙線(xiàn)隧道，其右線(xiàn)里程為K21+851.412～K21+996.412，斷面開(kāi)挖跨度為9 m，高為9.2 m，隧道支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)圖1。

圖1 隧道支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)(單位：mm)

本文以西安地鐵6號(hào)線(xiàn)丈八四路—丈八一路區(qū)間淺埋暗挖段右線(xiàn)K21+851.412～K21+996.412為研究對(duì)象，該區(qū)間隧道穿越f8地裂縫、1-1雜填土、2-1黃土狀土、2-2粉質(zhì)黏土、3-3粉質(zhì)黏土、3-4粉土、3-6中砂、4-3粉質(zhì)黏土等地層，隧道圍巖綜合分級(jí)為Ⅵ級(jí)。隧道埋深約為9.5 m，右線(xiàn)斷面的地質(zhì)剖面圖見(jiàn)圖2。其中f8地裂縫走向約NE43°，傾向SE，傾角約80°，與線(xiàn)路夾角約47°。

圖2 地質(zhì)剖面(單位：m)

2 優(yōu)化CRD施工方法

地鐵隧道過(guò)地裂縫場(chǎng)地原設(shè)計(jì)采取傳統(tǒng)CRD工法(圖3a)，在施工過(guò)程中嚴(yán)格遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、緊封閉、勤量測(cè)”的施工原則(王夢(mèng)恕， 2010)。傳統(tǒng)CRD工法在施工過(guò)程中開(kāi)挖面較小，施工工序多，臨時(shí)中隔壁布設(shè)拆除困難，而且由于下臺(tái)階處預(yù)留作業(yè)空間較小且有臨時(shí)中隔壁的存在，導(dǎo)致機(jī)械施工不便，對(duì)施工進(jìn)度有一定影響。

圖3 開(kāi)挖工序

基于傳統(tǒng)CRD工法存在上述問(wèn)題，針對(duì)地裂縫場(chǎng)地本文對(duì)傳統(tǒng)的CRD工法進(jìn)行如下優(yōu)化：(1)取消彎曲型臨時(shí)仰拱，布設(shè)直線(xiàn)型臨時(shí)仰拱； (2)改變導(dǎo)洞開(kāi)挖順序；(3)取消下臺(tái)階臨時(shí)中隔壁，開(kāi)挖縱向每2 m布設(shè)臨時(shí)鋼管支撐，便于拆除，減輕二次擾動(dòng)； (4)提高臨時(shí)仰拱布設(shè)位置約1～1.5 m，縮小上臺(tái)階施工面，擴(kuò)大下臺(tái)階施工面，減少人工開(kāi)挖量，增大機(jī)械使用率，加快施工進(jìn)度； (5)上臺(tái)階進(jìn)行預(yù)留核心土環(huán)向開(kāi)挖，進(jìn)一步減輕對(duì)周?chē)馏w擾動(dòng)，其中核心土正面投影面積不少于開(kāi)挖斷面的一半。圖3b為優(yōu)化CRD工法施工開(kāi)挖工序。

3 三維動(dòng)態(tài)開(kāi)挖有限元模型的建立

3.1 有限元模型

為了對(duì)比分析傳統(tǒng)CRD工法和優(yōu)化CRD工法兩種工法的優(yōu)劣，采用Midas GTS有限元軟件，以西安地鐵6號(hào)線(xiàn)丈八四路—丈八一路區(qū)間淺埋暗挖段右線(xiàn)K21+851.412～K21+996.412為原型建立了有限元計(jì)算模型如圖4所示，模型尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=145 m×70 m×50 m，即豎向z為50 m，水平向x為70 m，縱向y為145 m。隧道埋深9.5 m，斷面為馬蹄型，地裂縫傾角為80°，與地鐵隧道走向夾角為47°。模型采用混合網(wǎng)格生成器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)臨近隧道區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密控制處理。模型左右兩端和前后兩側(cè)分別施加X(jué)方向和Y方向約束，底部施加Z方向約束。其中巖土體采用莫爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，初支噴混、中隔壁、臨時(shí)鋼支撐等隧道結(jié)構(gòu)均采用彈性本構(gòu)模型，地裂縫采用interface接觸單元來(lái)模擬，interface接觸單元參數(shù)與地裂縫參數(shù)一致，隧道結(jié)構(gòu)采用板單元來(lái)模擬(圖5)。數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程中，初始地應(yīng)力場(chǎng)只考慮自重應(yīng)力場(chǎng)，并做位移清零處理，方便后期數(shù)據(jù)處理。各層土體均視為連續(xù)均勻介質(zhì)，隧道初次襯砌不考慮體積膨脹，二次襯砌不做考慮，超前小導(dǎo)管注漿加固區(qū)域通過(guò)改變相應(yīng)區(qū)域土層屬性來(lái)實(shí)現(xiàn)。開(kāi)挖過(guò)程中合理運(yùn)用Midas GTS自帶的荷載釋放系數(shù)功能，更好地實(shí)現(xiàn)土體開(kāi)挖應(yīng)力釋放，與實(shí)際應(yīng)力重分布過(guò)程達(dá)到一致。

圖4 數(shù)值計(jì)算模型(單位：m)

圖5 地鐵隧道與地裂縫相交示意圖

傳統(tǒng)CRD工法循環(huán)開(kāi)挖模擬過(guò)程為： ①超前支護(hù)； ②右上導(dǎo)洞一開(kāi)挖支護(hù)； ③導(dǎo)洞一封閉成環(huán)5 m后，右下導(dǎo)洞二開(kāi)挖支護(hù)； ④導(dǎo)洞二封閉成環(huán)10 m后，左上導(dǎo)洞三開(kāi)挖支護(hù)； ⑤導(dǎo)洞三封閉成環(huán)5 m后，左下導(dǎo)洞四開(kāi)挖支護(hù)。優(yōu)化CRD工法循環(huán)開(kāi)挖模擬過(guò)程為： ①超前支護(hù)； ②右上導(dǎo)洞一環(huán)向部分開(kāi)挖支護(hù)； ③右上導(dǎo)洞一核心部分開(kāi)挖支護(hù)； ④導(dǎo)洞一封閉成環(huán)5 m后，左上導(dǎo)洞二環(huán)向部分開(kāi)挖支護(hù)； ⑤左上導(dǎo)洞二核心部分開(kāi)挖支護(hù)； ⑥左上導(dǎo)洞二封閉成環(huán)5 m后，右下導(dǎo)洞三開(kāi)挖支護(hù)； ⑦右下導(dǎo)洞三封閉成環(huán)5 m后，左下導(dǎo)洞四開(kāi)挖支護(hù)。開(kāi)挖斷面及開(kāi)挖模擬如圖6，圖7所示。

圖6 開(kāi)挖斷面

圖7 開(kāi)挖模擬示意圖

3.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)勘察資料區(qū)間淺埋暗挖段主要地層為雜填土、黃土狀土、粉質(zhì)黏土①、粉質(zhì)黏土②及粉質(zhì)黏土③； 襯砌采用C25混凝土，厚度為250 mm； 地裂縫為軟弱結(jié)構(gòu)面，由粉土、細(xì)沙等松散物質(zhì)填充，地層、襯砌及地裂縫計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。為模擬實(shí)際開(kāi)挖情況，設(shè)計(jì)了初始地應(yīng)力場(chǎng)平衡、地裂縫激活、超前支護(hù)、隧道開(kāi)挖、鋼拱架安裝、鎖腳錨桿打設(shè)及噴射混凝土、拆除臨時(shí)支護(hù)等多個(gè)施工步驟進(jìn)行初支循環(huán)施工模擬計(jì)算。

4 數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)比分析

地鐵隧道開(kāi)挖必然會(huì)引起地表沉降變形，而地表沉降量的大小直接關(guān)系著開(kāi)挖場(chǎng)地及鄰近地表建(構(gòu))筑物和路面是否會(huì)發(fā)生變形破壞，因此施工過(guò)程中需要對(duì)地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)地表特征點(diǎn)沉降和地表最終沉降變形進(jìn)行分析。

4.1 地表特征點(diǎn)沉降分析

首先進(jìn)行地表特征點(diǎn)沉降隨開(kāi)挖進(jìn)尺的變化規(guī)律研究，在開(kāi)挖區(qū)間K21+851.412～K21+996.412內(nèi)于隧道中軸線(xiàn)上方地表選取特征點(diǎn)5個(gè)(圖8)，分別是點(diǎn)K21+865(位于上盤(pán)，距地裂縫60 m)、K21+895(位于上盤(pán)，距地裂縫30 m)、點(diǎn)K21+925(位于地裂縫帶)、K21+955(位于下盤(pán)，距地裂縫30 m)、K21+985(位于下盤(pán)，距地裂縫60 m)。提取這5個(gè)特征點(diǎn)的豎向位移變化數(shù)據(jù)，分別作傳統(tǒng)CRD工法地表特征點(diǎn)沉降曲線(xiàn)圖(圖9a)及優(yōu)化CRD工法地表特征點(diǎn)沉降曲線(xiàn)圖(圖9b)。

圖8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖(單位：m)

圖9 不同工法地表特征點(diǎn)沉降隨開(kāi)挖進(jìn)尺的變化曲線(xiàn)

由圖9可知，隨開(kāi)挖進(jìn)尺增加地表特征點(diǎn)沉降曲線(xiàn)整體呈“反S型”，特征點(diǎn)沉降與離掌子面距離有關(guān)，距掌子面越遠(yuǎn)，沉降越小。從上盤(pán)到下盤(pán)沉降出現(xiàn)明顯錯(cuò)臺(tái)，且上盤(pán)特征點(diǎn)豎向位移值明顯大于下盤(pán)特征點(diǎn)，這說(shuō)明了地鐵暗挖施工對(duì)上盤(pán)擾動(dòng)大于下盤(pán)，地裂縫處最易發(fā)生擾動(dòng)變形破壞。同時(shí)，優(yōu)化CRD工法各特征點(diǎn)沉降量明顯小于傳統(tǒng)CRD工法，整體減少約為14 mm，這說(shuō)明地裂縫場(chǎng)地優(yōu)化CRD工法能更好地控制地面的沉降變形。

以特征點(diǎn)K21+895(位于上盤(pán)，距地裂縫30 m)為例，對(duì)比分析傳統(tǒng)CRD工法和優(yōu)化CRD工法兩者施工開(kāi)挖時(shí)對(duì)地表特征點(diǎn)的擾動(dòng)情況(圖10)。由圖可知，當(dāng)從地裂縫上盤(pán)向下盤(pán)方向掘進(jìn)時(shí)，地表特征點(diǎn)沉降變形特征大致可分為3個(gè)階段： ①開(kāi)挖前微小變形階段， ②開(kāi)挖時(shí)急劇下沉變形階段和③開(kāi)挖后平穩(wěn)變形階段。傳統(tǒng)CRD工法整體沉降變形明顯大于優(yōu)化CRD工法，采用傳統(tǒng)CRD工法施工時(shí)，當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺為22.3 m即掌子面距特征點(diǎn)斷面21.7 m時(shí)特征點(diǎn)K21+895受到擾動(dòng)產(chǎn)生微小變形，沉降量較小僅為1.53mm； 隨后特征點(diǎn)K21+895進(jìn)入急劇下沉變形階段，且當(dāng)掌子面位于特征點(diǎn)K21+895斷面處，沉降速率到達(dá)峰值； 直到當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺為94.8 m即掌子面距特征點(diǎn)斷面50.8 m時(shí)特征點(diǎn)K21+895進(jìn)入平穩(wěn)變形階段，此時(shí)沉降量為23.1mm，后隨著開(kāi)挖變形趨于穩(wěn)定，最大沉降量為24.4mm，超過(guò)區(qū)間地表沉降報(bào)警值24 mm。采用優(yōu)化CRD工法施工時(shí)，當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺為35.1 m即掌子面距特征點(diǎn)斷面8.9 m時(shí)特征點(diǎn)K21+895受到擾動(dòng)產(chǎn)生微小變形，沉降量較小僅為1.24mm； 隨后特征點(diǎn)K21+895進(jìn)入急劇下沉變形階段，且當(dāng)掌子面位于特征點(diǎn)K21+895斷面處，下沉速率到達(dá)峰值； 直到當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺為83.6 m即掌子面距特征點(diǎn)斷面39.6 m時(shí)特征點(diǎn)K21+895進(jìn)入平穩(wěn)變形階段，沉降量為7.25mm，后隨著開(kāi)挖變形趨于穩(wěn)定，最大沉降量為8.39mm，遠(yuǎn)小于區(qū)間地表沉降報(bào)警值24 mm。

圖10 不同工法地表特征點(diǎn)沉降變形過(guò)程對(duì)比

傳統(tǒng)CRD工法特征點(diǎn)K21+895微小變形階段為開(kāi)挖進(jìn)尺0～22.3 m段，即22.3 m； 急劇下沉變形階段為開(kāi)挖進(jìn)尺22.3～94.8 m段，即72.5 m； 平穩(wěn)變形階段為開(kāi)挖進(jìn)尺94.8～145 m段，即50.2 m。傳統(tǒng)CRD工法開(kāi)挖特征點(diǎn)K21+895最大沉降速率為0.46，即每開(kāi)挖進(jìn)尺1 m，特征點(diǎn)K21+895豎向位移為0.46mm。優(yōu)化CRD工法特征點(diǎn)K21+895微小變形階段為開(kāi)挖進(jìn)尺0～35.1 m段，即35.1 m； 急劇下沉變形階段為開(kāi)挖進(jìn)尺35.1～83.6 m段，即48.5 m； 平穩(wěn)變形階段為開(kāi)挖進(jìn)尺83.6～145 m段，即61.4 m。優(yōu)化CRD工法開(kāi)挖特征點(diǎn)K21+895最大沉降速率為0.21，即每開(kāi)挖進(jìn)尺1 m，特征點(diǎn)K21+895豎向位移為0.21mm。由此看出，優(yōu)化CRD工法微小變形階段和平穩(wěn)變形段的范圍較傳統(tǒng)CRD工法分別增大12.8 m、11.2 m，急劇下沉變形階段減小24 m，且其沉降速率、沉降量都有顯著減小，說(shuō)明優(yōu)化CRD工法對(duì)地裂縫場(chǎng)地地層擾動(dòng)較小，能保證施工掌子面穩(wěn)定性，確保地鐵隧道施工安全。

4.2 地表最終沉降分析

地鐵隧道開(kāi)挖時(shí)對(duì)地表產(chǎn)生的擾動(dòng)變形最大值一般位于隧道中軸線(xiàn)位置處，圖11給出了隧道中軸線(xiàn)地表最終沉降曲線(xiàn)。從圖中可以看出，兩種工法對(duì)隧道中軸線(xiàn)地表產(chǎn)生的擾動(dòng)變形沉降曲線(xiàn)基本一致，均呈凹槽型，在地裂縫處有明顯錯(cuò)臺(tái)，地裂縫上盤(pán)地表最終沉降量明顯大于下盤(pán)，地表最終沉降量峰值位于地裂縫帶位置的上盤(pán)一側(cè)。傳統(tǒng)CRD工法開(kāi)挖對(duì)地裂縫上盤(pán)影響范圍為54.6 m，下盤(pán)影響范圍為43.3 m，影響區(qū)L1范圍為97.9 m； 地表最終沉降量最大值為32.14mm，位于開(kāi)挖進(jìn)尺68.87 m處即上盤(pán)距地裂縫11.13 m處。優(yōu)化CRD工法開(kāi)挖對(duì)地裂縫上盤(pán)影響范圍為40.2 m，下盤(pán)影響范圍為36 m，影響區(qū)L2范圍為76.2 m； 地表最終沉降量最大值為15.12mm，位于開(kāi)挖進(jìn)尺72.5 m處即上盤(pán)距地裂縫7.5 m處。由此可見(jiàn)，優(yōu)化CRD工法施工開(kāi)挖在地裂縫場(chǎng)地影響范圍較傳統(tǒng)CRD工法有明顯減小，上盤(pán)影響范圍減小約14.4 m，下盤(pán)影響范圍減小約7.3 m，總影響范圍減小21.7 m，約22.17%。優(yōu)化CRD工法地表最大沉降量減小17.02mm，約52.96%。

圖11 隧道中軸線(xiàn)地表最終沉降曲線(xiàn)

圖12為是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)(傳統(tǒng)CRD工法)和數(shù)值模擬(優(yōu)化CRD工法)地表最終沉降量對(duì)比曲線(xiàn)圖，從圖中可以看出，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬沉降曲線(xiàn)大致走勢(shì)基本吻合，均呈凹槽型，地裂縫上下盤(pán)有明顯的豎向位移錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象，上盤(pán)地表豎向位移略大于下盤(pán)，最大沉降量都位于地裂縫帶位置的上盤(pán)一側(cè)。從具體數(shù)值上來(lái)看，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)地表沉降量明顯大于數(shù)值模擬結(jié)果。這是因?yàn)閿?shù)值模擬過(guò)程中未考慮地下水，而實(shí)際施工開(kāi)挖過(guò)程中先進(jìn)行了地下水的抽取，使得地下水水位下降15 m至距隧道拱底5 m處，從而造成弱透水層和含水層孔隙水位壓力降低，黏性土層孔隙水被擠出，導(dǎo)致黏性土產(chǎn)生壓密變形，從而引起地表急劇沉降。而本文僅對(duì)CRD工法施工開(kāi)挖過(guò)程及優(yōu)化進(jìn)行了分析，對(duì)地下水抽取未做考慮，后續(xù)將對(duì)地下水作用問(wèn)題進(jìn)一步研究。

圖12 數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比曲線(xiàn)

4.3 隧道拱頂沉降分析

淺埋暗挖施工過(guò)程中地鐵隧道拱頂沉降量的大小直接影響著其建成后能否正常投入使用和安全運(yùn)營(yíng)，故施工過(guò)程中需對(duì)地鐵隧道拱頂沉降進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以此來(lái)確保施工質(zhì)量。

為分析地鐵隧道拱頂沉降情況，現(xiàn)選取K21+900斷面拱頂作實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)(圖13)。傳統(tǒng)CRD工法和優(yōu)化CRD工法K21+900斷面拱頂沉降曲線(xiàn)走勢(shì)大體一致，均有初支閉合前急劇下沉階段、初支閉合后拆除中隔壁前緩慢下沉階段以及拆除中隔壁后穩(wěn)定變形階段等3個(gè)階段。傳統(tǒng)CRD工法開(kāi)挖進(jìn)尺為66.67 m即距K21+900斷面17.67 m時(shí)，隧道初期支護(hù)閉合； 開(kāi)挖進(jìn)尺為78.06 m即距K21+900斷面29.06 m時(shí)，臨時(shí)中隔壁拆除； K21+900斷面拱頂最終沉降量為35.89mm。優(yōu)化CRD工法開(kāi)挖進(jìn)尺為61.51 m即距K21+900斷面12.51 m時(shí)，隧道初期支護(hù)閉合； 開(kāi)挖進(jìn)尺為70.15 m即距K21+900斷面21.15 m時(shí)，臨時(shí)中隔壁拆除； K21+900斷面拱頂最終沉降量為16.32mm?？梢?jiàn)優(yōu)化CRD工法初支閉合、中隔壁拆除時(shí)間明顯早于傳統(tǒng)CRD工法，且其沉降變形量降低了19.57mm，約54.53%。

圖13 K21+900斷面拱頂沉降曲線(xiàn)

這說(shuō)明了優(yōu)化CRD工法對(duì)土層擾動(dòng)次數(shù)少，產(chǎn)生的擾動(dòng)變形小，初支閉合速度快，為傳統(tǒng)CRD工法的1.37倍(29.06/21.15)，更適應(yīng)于地裂縫場(chǎng)地城市地鐵隧道淺埋暗挖施工。

圖14為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)(傳統(tǒng)CRD工法)和數(shù)值模擬(優(yōu)化CRD工法)拱頂最終沉降對(duì)比曲線(xiàn)圖，從圖中可以看出數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的隧道拱頂最終沉降量曲線(xiàn)基本相近，最大沉降量都位于地裂縫帶位置的上盤(pán)一側(cè)，且量值基本一樣，驗(yàn)證了優(yōu)化CRD工法的合理性。兩條曲線(xiàn)區(qū)別在于數(shù)值模擬曲線(xiàn)地裂縫上下盤(pán)末端都較為平滑，而現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)地裂縫上下盤(pán)末端都有著或大或小的起伏。這是由于地鐵隧道淺埋暗挖施工經(jīng)過(guò)地裂縫地段時(shí)，地裂縫作為一個(gè)軟弱結(jié)構(gòu)面，周?chē)翆右资艿绞┕ら_(kāi)挖擾動(dòng)產(chǎn)生變形，從而對(duì)隧道頂部地層產(chǎn)生擠壓或拉張作用，造成隧道拱頂變形起伏； 再有就是現(xiàn)場(chǎng)施工的復(fù)雜性和不確定性可能導(dǎo)致拱頂變形不穩(wěn)定。

圖14 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬拱頂最終沉降對(duì)比曲線(xiàn)

4.4 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

采用傳統(tǒng)和優(yōu)化CRD工法進(jìn)行地鐵隧道施工開(kāi)挖都有臨時(shí)中隔壁布設(shè)、初期支護(hù)等工序，其受力情況決定著開(kāi)挖需使用中隔壁材料強(qiáng)度和初期支護(hù)采用的鋼筋混凝土強(qiáng)度，以及隧道開(kāi)挖的穩(wěn)定性和安全性。因此在K21+885斷面拱頂、拱底、左右拱腳、左右拱腰及臨時(shí)中隔壁等處布設(shè)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行傳統(tǒng)和優(yōu)化CRD工法的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)壓力數(shù)據(jù)采集，具體數(shù)值如表2所示。

表2 K21+885斷面施工隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)壓力(單位：MPa)

從表中可知優(yōu)化CRD工法左右拱腰、拱腳和拱底處的結(jié)構(gòu)壓力略大于傳統(tǒng)CRD工法，而拱頂和臨時(shí)中隔壁受力明顯小于傳統(tǒng)CRD工法，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是優(yōu)化CRD工法上側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖斷面減小且下部臨時(shí)中隔壁變?yōu)椴捎每v向每2 m布設(shè)臨時(shí)鋼管作支撐，其臨時(shí)中隔壁的承載能力降低，承擔(dān)荷載比例減??； 而初期支護(hù)承擔(dān)荷載比例增大。其中傳統(tǒng)CRD法初期支護(hù)承載比例為76.43%，臨時(shí)鋼支撐承載比例為23.57%； 優(yōu)化CRD工法初期支護(hù)承載比例為87.01%，臨時(shí)鋼支撐承載比例為12.99%； 初期支護(hù)承載比例上升10.58%，臨時(shí)鋼支撐承載比例下降10.58%。這也恰好說(shuō)明了優(yōu)化CRD工法施工隧道主要受力位置是初期支護(hù)，和實(shí)際地鐵隧道周?chē)貙訅毫ψ罱K主要由初期支護(hù)和二次支護(hù)承擔(dān)一致，并且優(yōu)化CRD工法簡(jiǎn)化降低了拆除臨時(shí)中隔壁對(duì)地鐵隧道的二次擾動(dòng)。因此，采用優(yōu)化CRD工法施工時(shí)，雖然左右拱腰、左右拱腳及拱底處結(jié)構(gòu)壓力增大，需要提高預(yù)注漿混凝土、鎖腰、鎖腳錨桿、縱向連接筋以及初支噴混的強(qiáng)度和數(shù)量來(lái)保障初期支護(hù)的穩(wěn)定性， 但是由于臨時(shí)中隔壁，臨時(shí)仰拱等臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)壓力較小，使得其后期拆除時(shí)隧道結(jié)構(gòu)的整個(gè)受力體系轉(zhuǎn)變更為平穩(wěn)，更能保障隧道結(jié)構(gòu)的安全性，更能有效控制地鐵隧道最終變形量。

5 結(jié) 論

本文以西安地鐵6號(hào)線(xiàn)區(qū)間隧道淺埋暗挖段施工穿越地裂縫場(chǎng)地為研究工程背景，對(duì)傳統(tǒng)CRD工法和優(yōu)化CRD工法進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算對(duì)比分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

(1)傳統(tǒng)CRD工法和優(yōu)化CRD工法施工引起的地表沉降過(guò)程基本一致，均呈反S型變化，可分為3個(gè)變形階段：開(kāi)挖前微小變形階段、開(kāi)挖時(shí)急劇下沉變形階段以及開(kāi)挖后平穩(wěn)變形階段。

(2)與傳統(tǒng)CRD工法相比，優(yōu)化CRD工法提高了臨時(shí)仰拱的位置，減小了上臺(tái)階的開(kāi)挖面積，并用簡(jiǎn)易臨時(shí)鋼管支撐替代下臺(tái)階臨時(shí)中隔壁，減輕了其拆除對(duì)周?chē)馏w的擾動(dòng)，從而保障了掌子面穩(wěn)定性，使得地表最大沉降量降低了52.96%，影響范圍減少了22.17%。

(3)與傳統(tǒng)CRD工法相比，優(yōu)化CRD工法隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力主要由初期支護(hù)承擔(dān)，減少了臨時(shí)中隔壁、臨時(shí)仰拱等拆除產(chǎn)生的二次擾動(dòng)，使得隧道結(jié)構(gòu)的整個(gè)受力體系轉(zhuǎn)變更為平穩(wěn)，隧道拱頂最終沉降量降低了54.53%。

(4)優(yōu)化CRD工法雖然需要提高預(yù)注漿混凝土、鎖腰、鎖腳錨桿、縱向連接筋以及初支噴混的強(qiáng)度和數(shù)量，但其擴(kuò)大了下臺(tái)階施工面積，簡(jiǎn)化了臨時(shí)支護(hù)拆除，方便了機(jī)械開(kāi)挖出渣，整體施工進(jìn)度加快為傳統(tǒng)CRD工法的1.37倍，整體工程效益提升。