红层软岩隧道CRD法进洞施工合理工序研究

陈国中，徐前卫，程盼盼，董继涛，吴永波（.中铁七局集团第二工程有限公司，陕西 西安　7003；.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海　0804）

红层软岩隧道CRD法进洞施工合理工序研究

陈国中1，徐前卫2，程盼盼2，董继涛1，吴永波1
（1.中铁七局集团第二工程有限公司，陕西 西安710032；2.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海201804）

南华一号隧道进洞施工采用CRD法，但在按照原设计工序施工时，出现了开挖面失稳、局部塌方等事故，影响施工安全和施工进度。本文采用数值模拟方法从隧道施工围岩的变形、塑性区分布规律、初期支护结构的受力特点等方面对CRD法施工的合理工序进行了研究。结果表明：采用左上、右上、左下、右下步序施工，围岩的变形可以得到有效的控制，从而更有利于围岩的稳定。围岩变形实测数据与数值模拟结果相吻合，表明数值计算分析是正确的。

软岩隧道；CRD法；施工顺序；数值模拟；现场监测

软弱围岩为松散、破碎、流变、强风化以及高地应力围岩的总称。红层软岩主要以紫红色、紫灰、褐红色为主，分布较为广泛，多由薄～中厚层泥岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩等组成，主要由钙质或泥质胶结，遇水软化、易崩解［1］。在软岩地层中修建隧道，施工风险极高，尤其是在隧道进口段，常因处理不当导致洞内塌方冒顶、洞外边坡滑塌等事故。因此，选用合理的进洞施工工法和工序至关重要。CRD工法又称交叉中隔壁法，施工中将大断面洞室分割成一个个小的洞室，各个洞室支护结构独立封闭成环，能够有效地控制软弱围岩隧道的变形，故而被较多应用于软弱围岩隧道的施工。梁伟、温江涛等［2-3］结合具体工程实践，在浅埋、偏压隧道进洞施工中采用CRD工法，有效控制了围岩的变形；黄松等［4］通过数值计算分析了CRD法在浅埋大跨隧道小角度下穿既有线中的实用性；石熊、刘惠敏等［5-6］结合具体工程采用数值模拟手段对CRD法施工工序开展了研究；胡斌等［7-10］结合具体工程对CRD法施工围岩的稳定性进行了分析；孙振川、赵鹏社等［11-15］结合具体工程分析了 CRD工法在特殊地层中的适应性及其优化。尽管CRD法已被广泛应用于众多软弱围岩隧道的施工中，但由于其工序复杂，围岩加、卸载较为频繁，其对围岩的稳定性和变形仍有较大的影响，这也是近年来众多学者关注和持续研究的重点。

本文结合云南省广（通）—大（理）铁路扩能改造工程南华一号隧道出现的局部塌方破坏问题，采用数值模拟和现场实测对该工法的合理施工步序开展研究，研究成果可为同类隧道的设计、施工提供借鉴。

1　工程概况

1.1地质情况

南华一号隧道为时速200 km/h客货共线双线铁路隧道，是广（通）—大（理）铁路扩能改造项目的控制性工程之一。隧道全长1.9 km，进口端高程约1 864 m，出口端高程约1 885 m，测区内最高峰1 972 m，相对高差约100 m，最大埋深约96 m。隧址区属山间盆地与低中山宽谷缓坡过渡区。

隧道进口段围岩埋深浅，风化破碎。地勘资料显示，岩体平均单轴抗压强度仅为5.3 MPa。受区域地质构造影响，围岩节理发育，岩体完整性差，浸水后易软化崩解，还具有弱膨胀性，进洞施工风险极高。隧址区上覆第四系全新统坡残积粉质黏土，下伏基岩为白垩系中统马头山组（K2m）砂岩夹泥岩及下统普昌河组（K1p）泥岩夹砂岩、泥灰岩。

1.2设计与施工情况

全隧采用复合式衬砌，进洞施工采用CRD工法，施工前采用φ108大管棚对开挖面前方40 m范围进行超前支护。隧道初期支护采用I20钢拱架、间距0.6 m，喷C25混凝土、钢筋网支护。二次衬砌拱部、边墙、仰拱采用C35耐腐蚀钢筋混凝土，仰拱填充采用C25耐腐蚀喷射混凝土。

南华一号隧道进洞严格按照设计施工，原有设计工序如图1所示。其中，①，③部开挖采用人工配合小型机械开挖，②，④部采用人工配合小型机械开挖，大型机械辅助。当施工开挖②部时，导洞左侧即③部出现局部塌方，使得①部已施作好的临时支撑悬空，施工安全受到严重威胁。鉴于此，采用数值模拟方法对CRD工法的合理工序进行研究。

图1　CRD法施工工序

2　数值模拟

2.1计算模型和参数

计算选取南华一号隧道进口段Ⅴ级围岩区段作为研究对象。据该段工程地质资料，地层从上至下依次为〈6-3〉粉质黏土、〈12-1〉W4全风化泥岩夹砂岩、泥灰岩、〈12-1〉W3强风化泥岩夹砂岩、〈12-1〉W2弱风化泥岩。地层和衬砌结构的物理力学参数见表1。

表1　地层和衬砌结构物理力学参数

计算模型网格划分如图2所示。模型的上边界取至地表、左右边界取5倍洞径即60 m，下边界取4倍洞径即48 m，隧道埋深约为7 m，左右前后和下边界沿法向进行位移约束，上边界设为自由面，不考虑地下水的渗流作用。

图2　计算模型网格划分

岩体材料采用块体单元来模拟，初期支护采用Shell单元，超前支护采用 Cable单元。围岩本构服从摩尔-库仑准则，衬砌材料按弹性材料考虑，钢拱架和钢筋网的作用通过提高混凝土的弹性模量来模拟。根据现场实际工况，初衬厚度为0.27 m，二次衬砌厚度为0.55 m。

2.2计算工况

实际工程按原有设计工序施工时，开挖面附近出现了局部失稳，故为了对比分析，计算时考虑了2种工况，各工况的计算步序见表2。

表2　数值分析计算工况

在模拟隧道施工工序时，先对初始模型赋予合适的参量后，进行初始地应力平衡，然后按照表2中各工况设定的工序进行分部开挖，随后施作喷射混凝土衬砌，待应力释放后，拆除中隔墙和临时仰拱，最后再模拟二次衬砌支护。

2.3计算结果分析

2.3.1围岩变形

图3为2种工况下围岩变形随各施工步序的变化曲线。由图3可见：①随着开挖的进行，2种工况隧道拱顶沉降和隧底隆起均逐渐增大，而拱腰收敛较为稳定，且围岩的竖向变形量远大于围岩水平方向的收敛值，这表明围岩的变形主要以竖向变形为主，侧向变形较小。②工况2的变形值与工况1相当，但右上台阶先于左下台阶开挖，可有效减小围岩变形和减缓变形速率。

图3　围岩变形随工序的变化曲线

表3为2种工况下初期支护封闭后洞周围岩的累积变形量。可以看出，工况2围岩的拱顶和隧底处的变形量均小于工况1，而拱腰水平收敛较为接近。可见，采用优化后的工序施工可以在一定程度上抑制围岩的变形。

表3　初期支护封闭后洞周围岩累积变形量　mm

2.3.2围岩塑性区

隧道开挖卸荷过程中围岩应力重新分布。若此时围岩应力达到屈服极限时，围岩进入塑性状态。塑性变形是软岩隧道进入破坏状态的前一阶段，即预示着围岩变形破坏趋势。工况1、工况2的差异在工序2、工序3的不同，故以下只对这2种工况的工序2，3进行比较分析。

图4为开挖步2的塑性区云图。可以看出，就围岩出现的拉伸剪切破坏区域范围而言，工况1明显大于工况2，且工况1塑性区主要集中在开挖区域的两侧和底部，而工况2塑性区主要出现在开挖区域的顶部。

图4　开挖步2的塑性区云图

图5为开挖步3的塑性区云图。可以看出，工况1实施开挖步3时，①部临时支撑的右拱脚位置出现了较大范围的剪切塑性区域，表明开挖面在该部位易发生剪切破坏，这与施工时在该部位出现的局部塌方现象吻合。相比之下，按照工况2的工序施工时，在同样位置处出现的塑性剪切区范围相对较小。

图5　开挖步3的塑性区云图

2.3.3支护结构内力

开挖步序不同支护结构的受力模式亦不同。图6为开挖步2的初衬弯矩云图。由图可知：2种工况相比，工况1中衬砌结构的最大弯矩值较大，这样容易使得衬砌产生应力集中，不利于支护结构的稳定。故从支护结构的受力来看，采用工况2中的工序施工，支护结构的稳定性更好。

图6　开挖步2的初衬弯矩云图（单位：N·m）

3　现场实测数据分析

按照原有CRD设计工序施工时，开挖面局部塌方，施工无法进行正常。通过数值计算和经多方专家商讨，最终决定采取工况2中的工序施工。施工时先对已开挖的左下台阶进行回填，稳定开挖面，然后依次开挖②，③，④部和施作仰拱，并在每部开挖后及时施作初期支护。

现场监控量测不仅能直观反映围岩的稳定状态，而且能有效弥补数值分析的不足。为此，对南华一号隧道进口段拱顶沉降和拱腰收敛进行监控量测。图7分别为进口段DK59+587断面拱顶沉降、拱腰收敛时程曲线。

图7　DK59+587断面拱顶沉降、拱腰收敛时程曲线

由图7（a）可知，拱顶沉降最终稳定在60 mm，当①部开挖后，围岩变形急剧增大，拱顶沉降为25 mm，约占总变形量的42%；当②部开挖后拱顶沉降速率减慢，拱顶累计沉降增大了 10 mm，约占总变形量的17%。由此可见，优先施工右上台阶，及时施作初期支护可以减缓围岩的变形和控制地应力的释放。开挖③部时尚未形成封闭的初支结构，围岩的变形继续发展，直到④部施工完毕，围岩的变形逐渐趋于稳定。

由图7（b）可知：拱腰收敛随施工步的变化波动较大，反映了施工过程对围岩的扰动，但整体上拱腰收敛呈现出阶段性变化，第1阶段主要是由于上台阶施工引起的，随着临时支撑的施作，围岩的水平收敛暂时稳定；施工下台阶后拱腰收敛的发展进入第2阶段，围岩的水平收敛呈逐渐增大趋势。拱腰收敛累积值约12 mm。围岩变形实测结果与数值模拟结果相吻合，验证了数值计算结果的准确性。

4　结语

1）隧道施工时，采用同种工法的不同工序施工，围岩的力学响应和应力历史不同，在施工之前应对施工工法及其工序进行优化分析，以更好控制围岩的变形，确保开挖面的稳定。

2）南华一号隧道采用优化后的工序进行施工，整个施工过程较为安全，围岩的变形得到有效控制，也大大改善了开挖面的稳定性，施工工期得到了保障。

［1］谢顺意.“滇中”红层软弱围岩隧道变形开裂控制技术研究［D］.长沙：中南大学，2013.

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（责任审编葛全红）

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

陈国中（1982— ），男，工程师。