厦门翔安海底隧道陆域浅埋段CRD法变形分配控制方法研究

王学斌

(厦门路桥建设集团有限公司，福建 厦门 361009)

厦门翔安海底隧道陆域浅埋段CRD法变形分配控制方法研究

王学斌

(厦门路桥建设集团有限公司，福建 厦门 361009)

基于变形分配理论、数值模拟和现场监测，研究了厦门翔安海底隧道两端陆域和浅滩地段大断面软弱地层浅埋暗挖CRD法施工变形机理，得到合理开挖顺序和变形分配控制标准，提出控制导坑封闭时间、导坑间距以及台阶长度等有效的变形控制措施，成功把施工变形控制在目标范围，避免发生超限变形和坍塌，大大提高施工进度，并确保了施工安全。研究成果和工程应用经验对后续类似工程有一定借鉴意义。

海底隧道；CRD工法；软弱地层；变形分配控制方法；累积沉降

控制开挖变形量是保证隧道施工安全和减少对邻近构造物影响的关键所在。大断面隧道浅埋暗挖常采用CRD法分部开挖，其变形总量在分部开挖过程中累积产生，难以直接控制。变形分配控制方法是通过研究各分部开挖对总变形量的贡献，分阶段实施过程控制，有利于最终变形总量控制和现场实施，在工程实践中成效良好[1-2]。但变形分配机制与水文地质条件、隧道断面尺寸、分部开挖方法、支护参数等密切相关，必须针对实际工程具体研究[3-4]。

厦门翔安海底隧道两端陆域和浅滩均为全强风化花岗岩地层，行车隧道为三车道大断面隧道，毛洞开挖宽度约17.0m、高约12.5m，开挖断面积达170m2以上，处于地下水位或海水之下，为典型的富水、软弱地层大断面浅埋暗挖施工，极易发生超限变形，建设初期曾多次出现异常变形，部分地段喷射混凝土开裂、初期支护严重变形等状况。为更好控制变形，避免发生超限换拱和坍塌，减少损失，确保施工安全，笔者基于变形分配理论和现场监测研究了厦门翔安海底隧道变形分配机理和变形控制方法，并对现场应用实践经验进行总结。

1 分部开挖变形累积过程分析

隧道分部开挖产生的变形是一个由开挖卸载引起的动态累积过程。以圆形断面洞室为例，假设洞室半径为r0，围岩为粘弹性体，依据Kelvin蠕变模型，由蠕变规律得到蠕变量为：

(1)

式中，E1为岩体弹性模型；c1、k1为与地层有关的材料常数。

隧道开挖过程中，应力释放过程可表示为：

σ(t)=σz(1-0.7e-mt)

(2)

式中，m=3.15V/2r0；σz为洞室周边初始地应力；V为掌子面平均推进速度。

(3)

(4)

综上，最终引起的地层的径向位移增量为：

(5)

2 变形控制标准

2.1计算模型

基于上述理论分析，采用FLAC3D数值模拟。实际施工中，服务隧道断面较小采用台阶法超前开挖60～100m，超前2～3个月；行车隧道采用CRD法开挖，有2种开挖顺序，即CRD1-2-3-4和CRD1-3-2-4，如图1所示。左、右线行车隧道由不同单位施工，错开间距为50～80m，错开时间2～3个月，三孔隧道施工相互影响很小，可忽略。选取左线行车隧道典型地段(里程桩号ZKl2+40)，平均覆土厚度12m，建立模型(见图2)。计算采用围岩物理力学指标如表1所示。根据相关文献和工程经验，在数值分析过程中注浆超前小导管采用提高加固区c、φ值的方法进行模拟。根据现场施工经验，相邻导坑掌子面间距取10m，导坑内台阶长度取5m。

图1 CRD法开挖顺序及位移监测点布置 图2 计算模型图

表1 围岩物理力学指标

2.2计算结果分析

表2 2种开挖顺序下CRD1部拱顶下沉量

计算表明，CRD法施工拱顶下沉绝对值较大，而隧道整体水平收敛绝对值较小。拱顶下沉是CRD法安全性判断的最敏感指标，也是设计和现场施工最直观的控制指标。因此，重点分析拱顶下沉。

2种开挖顺序下各导坑开挖引起CRD1部拱顶下沉增量及比例关系计算结果如表2所示。采用CRD1-2-3-4开挖比采用CRD1-3-2-4开挖拱顶下沉总量要大，这一规律得到现场监测验证[5]。可见，采用CRD1-3-2-4开挖更有利于拱顶下沉控制。究其原因，是由于隧道埋深很浅，上覆土层成拱性差，竖向荷载偏大，易产生拱顶下沉，CRD1-2-3-4施工时2部紧接1部在其正下方开挖，虽然开挖跨度较小，但1部下方缺乏支撑(2部采用台阶法开挖，台阶长度一般为5m，即从开挖到初支封闭通常需要3～5d)，直接引起1部下沉增量很大；而CRD1-3-2-4施工时，2部在3部闭合后才开挖，此时隧道上半断面左右都已封闭成环，已闭合成形的隧道上半断面跨度虽较大，但中隔墙起到很好支撑作用，且4部尚未开挖，3部对1部可起到牵制和支撑作用，能有效减少2部开挖导致的1部下沉。表2还表明，2种开挖顺序下，都是CRD1部开挖产生的拱顶下沉最大，应加以重点控制。

由此，建议采用CRD1-3-2-4开挖，被施工现场采纳，下面仅分析该开挖顺序。

2.3目标控制值的确定

翔安隧道两端陆域及浅滩V级围岩浅埋段最初设计预留变形量为120mm，实际施工中超标较多，现场监测表明，拱顶下沉一般超过200mm时初支开始出现开裂。根据上述计算结果，结合现场监测，且考虑到该地段隧顶上方无建筑物，以初支不破坏为准则，取200mm作为拱顶下沉总量控制值。根据既往工程经验和变形分配原理，数值计算所得变形量与实际变形量会有所偏差，但各导坑变形分配比例关系和变形规律是比较准确的。因此，采用表2分配比例制定分阶段变形控制目标，目标控制值如表3所示。

3 现场监控量测与变形控制措施

3.1现场监控量测

翔安隧道V级围岩浅埋段CRD法施工一般每10m设置一个位移监测断面，测点横断面布置如图3所示。调取计算断面附近的11个典型断面实测资料(按CRD1-3-2-4开挖顺序)，CRD1部最终拱顶下沉量为153～237mm，平均192mm。各导坑引起CRD1部拱顶下沉量实测统计如表4所示。由表4可见，各导坑变形分配比例实测值与上述理论计算基本一致。

表3 CRD1部拱顶下沉目标控制值(CRD1-3-2-4)

表4 实测CRD1部拱顶下沉统计(CRD1-3-2-4)

3.2变形控制措施

图3 实测CRD1部拱顶下沉曲线

在极软弱地段或施工组织不当时，变形可能超过控制目标，即发生异常变形，需分析原因并采取工程措施，尽可能按阶段目标控制。主要措施如下：①施工总体原则“管超前、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”，信息化施工，动态管理。②调整导坑封闭时间、设置合理的导坑间距及台阶长度是控制变形的主要措施。考察典型断面CRD1部拱顶下沉实测曲线，如图3所示，呈台阶状上升。进一步分析表明，变形发展曲线上的反弯点和各导坑开挖、支护闭合有密切对应关系。可见，早封闭和合理间距有利于控制变形。CRD法各导坑初期支护小环闭合与整个断面初期支护大环闭合所需的时间与现场施工工艺和工效直接相关，缩短台阶长度和相邻导坑掌子面间距，可缩短小环和大环闭合时间，对控制最终拱顶下沉有利，但间距太小无法满足施工场地要求且导坑相互影响对安全不利。翔安隧道现场施工经验表明，相邻导坑掌子面间距控制在10～15m，导坑内台阶长度控制在6 m以内，每循环开挖1.0～1.5m (极软弱地段只允许开挖0.5m)后立即支护，重点加快上半断面支护的闭合时间，是作业空间、掌子面开挖稳定性和“早封闭”之间较适合的平衡点，对控制最终拱顶下沉十分有效。③加强初期支护参数，施作锁脚锚管，仰拱注浆、初支背后回填注浆等组合措施也是控制变形的有效措施，在翔安隧道都有成功的实践经验。

3.3现场应用成效

上述变形分配控制标准、现场监测与变形控制措施应用于翔安海底隧道软弱地层大断面浅埋段CRD法。与工程建设初期相比，施工速度显著提高，月均进尺从不足30m提高到60m，创同类地质条件下CRD法施工进度记录，同时异常变形大幅减少，有效保证了施工安全。

4 结 语

推导了隧道分部开挖变形累积过程，结合数值模拟和现场监测，研究了厦门翔安海底隧道两端陆域和浅滩地段大断面软弱地层浅埋暗挖CRD法施工变形机理，得到合理开挖顺序为CRD1-3-2-4，制定了变形分配控制标准，提出控制导坑封闭时间、导坑间距以及台阶长度等变形控制有效措施，成功破解了该工程软弱地层大断面隧道浅埋暗挖技术难点，具有较好的借鉴意义。

[1]吕勤，张顶立，黄俊.城市地铁暗挖施工地层变形机制及控制实践[J].中国安全科学学报，2003，13(7)：29-34.

[2]钟有信，罗草原.浅埋暗挖地铁施工地层沉降监测与控制[J].西部探矿工程，2003(4)：91-93.

[3]夏才初，李永盛.地下工程测试理论与监测技术[M].上海：同济大学出版社，1999.

[4]中华人民共和国行业标准编写组.JTJ042-94公路隧道施工技术规范[M].北京：人民交通出版社，1994.

[5]张建斌.厦门翔安海底隧道陆域段CRD法位移监测分析[J].岩石力学与工程学报，2007，26(S2):3653-3657.

[编辑] 洪云飞

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.12.041

U456.3

A

1673-1409(2012)12-N125-04