浅埋暗挖隧道上软下硬地层工法转换关键技术研究

赵春华

(中铁隧道集团杭州公司，浙江 杭州 310000)



浅埋暗挖隧道上软下硬地层工法转换关键技术研究

赵春华

(中铁隧道集团杭州公司，浙江 杭州 310000)

摘要:以杭州紫之隧道为工程背景，通过对初期支护钢拱架应力分布规律及现阶段围岩成拱能力进行分析，探讨在本工程特有地质情况下进行工法转换的可行性；利用大型有限元软件ABAQUS分别对掌子面不同入岩深度的11种工况进行二维开挖支护数值模拟，得到不同入岩深度对围岩及支护结构变形影响规律，确定合理的工法转换时机；并针对杭州紫之隧道埋深浅、周边环境复杂、不宜进行爆破施工的实际情况，进行三台阶法非爆破快速施工机械选型研究，经过论证采用260型挖掘机搭载RW120型液压卧式岩土铣挖机进行铣挖施工。由于工法转换的成功实施，在保证施工安全的前提下，有效提高了施工效率，对今后上软下硬地层中的隧道施工具有借鉴意义。

关键词：隧道工程；上软下硬地层；工法转换； 机械选型

随着城市基础设施建设的不断深化，浅埋暗挖法在我国的地铁及市政工程中应用日趋广泛。关于浅埋暗挖法的研究工作虽已取得很多成果，但多数浅埋暗挖施工均是在土层相对单一的地层中进行，对于在上软下硬特殊地层中进行浅埋暗挖施工国内外经验较少[1-2]。上软下硬地层具有一个显著特点，岩石空间分布差异大；当在上软下硬特殊地层中进行浅埋暗挖施工时，出于安全、成本及进度等综合考虑，单一的开挖方法往往不能满足施工要求，因地制宜的提出施工方案，结合不同地质情况采取适宜的开挖方法往往能取得良好的工程效果[3-6]。综上所述，针对上软下硬地层中浅埋暗挖隧道施工方法转换问题进行详细研究显得尤为重要。杭州紫之隧道地层总体呈“上软下硬”，岩石空间分布差异大，单一的开挖方法已不能满足施工要求。随着号地层凝灰质粉砂岩侵入掌子面，掌子面入岩深度不断增加，原设计采用CRD法施工已严重阻碍施工进度。本文以此为工程背景，探讨在本工程特有地质情况下进行工法转换的可行性，分析确定合理的工法转换时机，并对三台阶法非爆破快速施工机械选型进行了研究。由于工法转换的成功实施，及时进行工法调整，在保证施工安全的前提下，有效提高了施工效率，对今后上软下硬地层中的隧道施工具有一定的指导作用。

1工程概况

杭州市紫之隧道(紫金港路-之江路)土建工程第VI标段，南起紫金港路与西溪路交叉口，北至紫金港路包建港桥附近，全长1 440 m。暗挖隧道设计为双线双向四车道，其中东线长869.1 m、西线长877.1 m，断面开挖跨度12.8 m，高9.7 m，开挖面积102.8 m2。浅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，车流量大，地下管线众多；同时，隧道依次下穿沿山河桥、杭州汽车西站、中纪委培训中心等建筑物，周边环境复杂；且濒临世界级景区施工，对地表变形控制及环保要求较高。浅埋暗挖段隧道以V和VI级围岩为主，地层总体呈“上软下硬”，地质纵断面图如图1所示。随着隧道的不断掘进，号地层凝灰质粉砂岩开始侵入掌子面，掌子面入岩深度不断增加。原设计采用CRD法施工，工作面被分割成多处小空间，只能人工或小型机械开挖，严重阻碍施工进度。由于隧道埋深较浅(埋深约20 m)，且周边环境复杂，邻近建(构)筑物众多，爆破对周边扰动大，不适宜采用爆破施工。为保证施工进度不受影响，拟考虑进行工法转换，采用三台阶法施工，增强外支护措施，不架设临时支撑，为大型施工机械提供足够作业空间，提高施工效率。

图1　地质纵断面图Fig.1 Longitudinal profile of geology

2工法转换可行性分析

2.1　特有地质条件下初期支护钢拱架应力分布规律

为探究在本工程特有地质情况下浅埋暗挖隧道初期支护钢拱架应力分布规律，以期能为工法转换的可行性研究提供现场数据支撑，选取K13+439里程处作为科研断面，对钢拱架应力进行实时监测。K13+439断面上台阶1和2部开挖支护时间为08-15，下台阶3和4部开挖支护时间为08-21，隧底5和6部开挖时间为09-01左右，且此时初支封闭成环。

图2为K13+439断面不同测点钢拱架应力时程曲线图，由图2对比分析可知，在整个隧道施工过程中临时支护(中隔壁、临时仰拱)钢拱架的应力水平远远低于永久支护钢拱架。以上分析表明，在本工程特有的地质情况下，临时支护(中隔壁、临时仰拱)荷载分配比重远小于初期支护。表1详细列出了稳定阶段钢拱架各测点应力分布情况，分析表中数据可知，临时支护钢拱架应力水平较永久支护钢拱架低，受力较小。

综上所述，在本工程特有的地质情况下临时支撑(中隔壁、临时仰拱)受力较小，应力水平远远低于永久支护钢拱架，临时支护荷载分配比重远小于初期支护。随着目前掌子面入岩深度的增加，围岩稳定性越来越好，围岩自承能力强，临时支撑受力亦不可避免地会随之进一步减小，可以考虑进行工法转换，采用台阶法，不架设临时支撑，扩大作业空间，提高施工效率。

图2　钢拱架应力监测分析Fig.2 Monitoring and analysis of steel arch stress

表1　稳定阶段钢拱架应力分布

另一方面，原设计采用CRD法施工，CRD法基于分块开挖思想，在施工过程中开挖和临时支护拆除多次扰动围岩，致使围岩多次进行应力重分布，造成围岩二次变形；且其工序转化复杂，操作空间小，不利于大型机械设备的使用，施工进度慢。目前，本工程地质条件越来越好，围岩自承能力强，选取台阶法进行施工，既可避免分部开挖多次扰动围岩，同时也为机械化施工提供足够的作业空间，提高施工效率，保证施工进度，并能减少由于增加临时支护带来的额外预算。

2.2　现阶段地质情况成拱能力分析

围岩拱效应是指围岩为抵抗洞室开挖引起的围岩不均匀变形而进行自我调节的一种现象[7]，如果把围岩和支护结构看成一个整体，压力拱是保证洞周稳定和减小支护结构受力的内在原因。其主要特点是洞室开挖，初始应力场被打破，荷载传递路线发生偏离，主应力方向发生偏转，并形成重分配应力场，最大主应力流线形呈拱形状[8-9]。洞室开挖后，围岩最大主应力将随之增大，在洞室周围形成一个应力集中区，此应力集中区即为围岩压力拱。根据围岩应力分布特征，洞室开挖后围岩可分为应力释放区、应力集中区和原始应力区3个区域，如图3所示，其中应力集中区是围岩主要承载单元，可以根据应力集中区的范围来确定围岩压力拱的内外边界。

图3　围岩应力分区Fig.3 Surrounding rock stress partition

压力拱的内边界为围岩松动区与压力拱(应力集中区)的分界线，由于拱体自身和其上的荷载向洞室两侧转移，在拱体内部最大主应力增大，最小主应力减小，最大主应力达到最大处即为内边界。

压力拱的外边界为压力拱(应力集中区)与原始应力区的分界线，在原始应力区，围岩的应力状态基本不受隧道开挖的影响，围岩应力趋近于地层初始地应力。据此，可用围岩中主应力的变化率来判断围岩是否属于拱体，如变化率过大，则被认为该部分围岩进入了拱体，反之未进入拱体。一般认为，开挖前后的围岩主应力差与原主应力比不超过3%，围岩受隧道开挖影响可忽略不计，围岩属于原始应力区。

为研究在本工程特有地质情况下隧道开挖围岩成拱能力，利用大型有限元软件ABAQUS根据实际地质情况建立隧道开挖模型。为分析隧道开挖后围岩应力分布规律，在模型中定义了一条具有代表性的应力监测路径，如图4所示，路径起点为隧道边缘(拱顶)，终点为模型边界。

由图5可知，隧道开挖后围岩发生应力重分布，最大主应力在距离拱顶3 m处达到最大；因此，压力拱内边界为距拱顶3 m处。由图6及表2可知，隧道开挖后，围岩在距拱顶12 m处最大主应力变化率开始小于3%，所以压力拱外边界为距拱顶12 m处。

图4　应力监测路径示意图Fig.4 Stress monitoring path

由以上分析可知，现阶段工程地质条件良好，围岩能形成压力拱(压力拱内边界为距拱顶3 m处，外边界为距拱顶12 m处)，具有良好的自稳能力，能保证洞周稳定及减小作用在支护结构上的土压力；综上所述，现阶段地质情况已适宜进行工法转换，采用三台阶法施工，为机械化施工提供足够的作业空间，提高施工效率。

图5　监测路径开挖后最大主应力Fig.5 Maximum main stress of monitoring path after excavation

图6　监测路径开挖前后最大主应力对比Fig.6 Contrast about the maximum main stress of monitoring path before and after excavation

表2　监测路径开挖后最大主应力变化率

表2　监测路径开挖后最大主应力变化率

表2　监测路径开挖后最大主应力变化率

表2　监测路径开挖后最大主应力变化率

3工法转换时机研究

为确定合理的工法转换时机，将工法转换带来的施工风险降到最低，利用大型有限元软件ABAQUS分别对掌子面不同入岩深度的11种工况进行二维开挖支护数值模拟，以得到不同入岩深度对围岩及支护结构变形影响规律，确定出合理的工法转换时机。

3.1　数值计算模型

3.1.1模型几何尺寸

基于圣维南原理，为了使模型不产生明显的边界效应，模型尺寸一般要取3~5倍洞径，本隧道模型尺寸横向取为90 m，竖向上部取至地表，下部取至地勘钻孔底部，竖向总高度为50 m。根据设计图纸及地勘资料将模型竖向简化划分为上下两种地层，上层为粉质粘土混碎石，下层为中风化凝灰质粉砂岩。

3.1.2计算模拟工况

为分析掌子面不同入岩深度下围岩、支护结构变形的变化规律，沿竖向分别选取11种不同入岩深度工况进行数值分析，具体工况划分见图7所示。注：图中“0”代表土石分界线位于隧道底部，“2.5”代表土石分界线位于隧道底部以上2.5 m处，依次类推。

图7　不同入岩深度划分图Fig.7 Different rock depth distribution

3.2　计算结果分析

随着掌子面入岩深度的增加，拱顶沉降、隧底隆起及地表沉降变化规律如图8所示，不同入岩深度下拱顶沉降、隧底隆起及地表沉降数值见表3。

表3　不同入岩深度围岩及支护结构变形值

图8　不同入岩深度围岩及支护结构变形曲线Fig.8 Surrounding rock and supporting structure deformation curve at different rock depth

由以上分析可知：1)不同掌子面入岩深度下拱顶沉降变化曲线大致可以分为2个阶段：第1阶段是入岩深度从0~11 m，随着入岩深度的增加，拱顶沉降急剧减小；第2阶段，入岩深度大于11 m，岩层已经完全覆盖隧道拱顶后，拱顶沉降随入岩深度的增加变化很小，基本稳定。2)隧底隆起受掌子面入岩深度影响较小，不同入岩深度下，隧底隆起基本无变化。3)不同掌子面入岩深度下地表沉降的变化曲线大致可以分为3个阶段：第1阶段是入岩深度从0~5 m，随着入岩深度的增加，地表沉降急剧减小；第2阶段，入岩深度从5~11 m，随着入岩深度的增加，地表沉降减小速率趋于缓和；第三阶段，入岩深度大于11m，岩层已完全覆盖隧道拱顶后，地表沉降随入岩深度的增加基本无变化。

通过以上分析可知，随着掌子面入岩深度的增加，围岩变形呈减小的趋势，并最终都趋于稳定，其大小不再随入岩深度的增加而变化，表4为围岩变形不随掌子面入岩深度增加而变化时的入岩深度值。综合考虑安全、经济等因素，最终确定在掌子面入岩深度为11 m时进行工法转换，由原设计的CRD工法改为三台阶法进行施工。

表4　围岩变形稳定入岩深度值

4三台阶法非爆破快速施工机械选型研究

根据以往类似施工经验，浅埋暗挖硬岩隧道多采用爆破或液压破碎锤开挖。采用爆破施工对围岩扰动大，易造成围岩掉块或坍塌，存在较大安全隐患，杭州紫之隧道埋深较浅(埋深约20 m)，周边环境复杂，邻近建(构)筑物众多，不宜进行爆破施工。采用液压破碎锤施工超挖现象较严重，并且开挖效率低，无法满足目前的施工进度要求。以上分析表明，本工程不适宜采用传统的爆破或液压破碎锤进行施工。

雷向峰[10]通过对5座不同地质情况隧道进行统计，分析不同地质条件下隧道铣挖工艺的施工效率，详细数据如表5所示。对数据进行拟合分析，铣挖机施工效率随围岩强度变化规律如图9所示，由图9可知，施工效率随围岩强度的增大而急剧减小，且当围岩强度大于20 MPa时铣挖施工效率低，不宜采用铣挖机施工。随着掌子面入岩深度的增加，杭州紫之隧道侵入掌子面岩石主要为12-3号地层中风化凝灰质粉砂岩，天然单轴抗压强度约为14.18 MPa，由图9可知，在此围岩强度下铣挖施工效率较高，表明在本工程特有地质情况下采用铣挖机施工是合理可行的，能满足工期要求。并且，采用铣挖施工对围岩、已支护拱架扰动小，同时能很好的控制超欠挖现象。

图9　不同围岩地质情况下的铣挖工效统计示意图Fig.9 Curve of efficiency of milling excavation method in different geological conditions

表5　不同地质情况下铣挖工效统计分析

根据隧道围岩强度特征、断面大小，综合考虑经济、铣挖工效等因素，最终选用泰安恒大机械有限公司夯神RW系列中的RW120型液压卧式岩土铣挖机进行铣挖施工。夯神RW系列液压铣挖机是采用专利技术研发的新型岩土铣挖机械，成套采用了世界名牌液压驱动装置及零部件。铣挖机安装在260型挖掘机斗杆前端，直接利用挖掘机的液压动力驱动和操控。RW120型液压卧式岩土铣挖机主要性能及技术参数如表6所示。图10为铣挖机正在进行上台阶铣挖施工，根据现场统计，每小时开挖量可达到25m3，施工效率高。

图10　上台阶铣挖Fig.9 Excavation of upper step

表6　RW120型液压卧式岩土铣挖机主要性能及技术参数

5工法转换合理性验证

5.1　现场监控数据分析

进行工法转换后，由原设计CRD法改为三台阶法施工，不架设临时支撑，扩大作业空间，方便大型机械铣挖机施工。为探究在本工程特有地质情况下三台阶法施工围岩稳定性状况，进行工法转换后，对隧道围岩变形进行了实时监测。此处选取隧道东西线拱顶沉降进行分析，东西线拱顶沉降测点分为GD37-E(东线)、GD33-W(西线)，拱顶沉降累积变形时程曲线、拱顶沉降速率曲线、拱顶沉降加速度曲线分别见图11~13。

图11　拱顶沉降累积变形时程曲线Fig.11 Deformation curve of crown displacement

图12　拱顶沉降变形速率时程曲线Fig.12 Deformation rate curve of crown displacement

图13　拱顶沉降变形加速度时程曲线Fig.13 Deformation acceleration curve of crown displacement

由图11拱顶沉降累积变形时程曲线图分析可知，三台阶法施工过程中隧道围岩在初期阶段变形速率较大，围岩累积变形一直处于急剧爬升状态；约经过15 d，变形速率变缓，围岩变形处于平缓发展阶段，并最终趋于稳定。由图12拱顶沉降速率曲线同样可看出，历经15 d后，拱顶沉降速率在0 mm/d附近很小的范围内波动，几乎没有变化，围岩趋于稳定；图13拱顶沉降加速度曲线图也显示此时围岩变形加速度基本为0 mm/d2，围岩变形趋于稳定。以上分析表明，工法转换合理，工法转换后三台阶法施工过程中，围岩变形稳定，无异常变形情况。

5.2　施工进度分析

杭州紫之隧道原设计采用CRD法施工，工作面被分割成多处小空间，只能人工或小型机械开挖，因动力不足，开挖极其困难，施工进度已无法满足工期要求，如表7所示。通过工法转换，采用三台阶法施工，将原设计CRD工法的临时支撑体系转化为外支护体系，为铣挖施工提供了足够的作业空间，有效的提高了施工效率。工法转换后，根据现场反馈施工进度可达3 m/d，而由表7可知完成剩余工程量所需计划进度约为2.5 m/d，表明工法转换的实施有效解决了施工进度无法满足工期要求这一难题。

表7　施工进度分析

6结论

1)杭州紫之隧道地层总体呈“上软下硬”，岩石空间分布差异大，单一的开挖方法已不能满足施工要求。随着号地层凝灰质粉砂岩侵入掌子面，掌子面入岩深度不断增加，原设计采用CRD法施工已严重阻碍施工进度。通过工法转换，及时调整施工方法，采用三台阶法施工，成功保证了施工进度不受影响。本工程工法转换的成功实施，可为类似工程项目提供借鉴。

2)选取K13+439里程作为科研断面，对钢拱架应力进行实时监测，探究在本工程特有地质情况下初期支护钢拱架应力分布规律。监测数据显示，在施工过程中临时支护(中隔壁、临时仰拱)钢拱架的应力水平远远低于永久支护钢拱架，临时支护荷载分配比重远小于初期支护。并且，随着掌子面入岩深度的增加，围岩稳定性越来越好，临时支撑受力亦不可避免地会随之进一步减小。以上分析表明，可以考虑进行工法转换，不架设临时支撑，采用三台阶法施工，为大型施工机械提供足够的作业空间。

3)利用大型有限元软件ABAQUS对现阶段地质情况下围岩成拱能力进行分析，分析表明，现阶段工程地质条件良好，围岩能形成压力拱(压力拱内边界为距拱顶3 m处，外边界为距拱顶12 m处)，具有良好的自稳能力，能保证洞周稳定及减小支护结构受力。综上所述，现阶段地质情况已适宜进行工法转换，采用三台阶法施工，为机械化施工提供足够的作业空间，提高施工效率。

4)利用大型有限元软件ABAQUS分别对掌子面不同入岩深度的11种工况进行二维开挖支护模拟，分析不同入岩深度对围岩及支护结构变形影响规律，以确定合理的工法转换时机。分析表明，随着掌子面入岩深度的增加，围岩变形呈减小趋势，当掌子面入岩深度大于11 m时其大小不再随入岩深度的增加而变化，综合考虑安全、经济等因素，选在掌子面入岩深度为11 m时进行工法转换，由原设计的CRD工法改为三台阶法进行施工。

5)杭州紫之隧道埋深浅，周边环境复杂，工期紧，不宜采用传统的爆破或液压破碎锤进行施工。通过研究铣挖施工效率随围岩强度变化规律，发现本工程掌子面围岩强度下(天然单轴抗压强度约为14.18 MPa)铣挖施工效率较高，采用铣挖施工合理可行。综合考虑经济、铣挖工效等因素，选用260型挖掘机搭载RW120型液压卧式岩土铣挖机进行铣挖施工。根据现场反馈，每小时开挖量约为25 m3，铣挖施工进度可达3 m/d，表明工法转换的实施有效解决了施工进度无法满足工期要求这一难题。

6)为探究工法转换后三台阶法施工围岩稳定性状况，对隧道围岩变形进行了实时监测，监测数据显示围岩变形稳定，无异常变形情况，表明工法转换时机正确，工法转换合理。

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(编辑阳丽霞)

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

通讯作者：赵春华(1971-)，男，云南弥勒人，高级工程师，从事隧道与地下工程领域研究工作；E-mail: 1336476694@qq.com

基金项目：国家自然科学基金资助项目(U1134208)；中铁隧道集团科技创新计划资助项目(隧研合2013-30)

收稿日期：2015-08-27

中图分类号：U455

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2015)06-1444-08