隧道CRD工法中台阶长度对掌子面稳定性影响研究

文 辉 孙 寿

(中交隧道局第二工程有限公司,陕西 西安 710007)



隧道CRD工法中台阶长度对掌子面稳定性影响研究

文 辉 孙 寿

(中交隧道局第二工程有限公司,陕西 西安 710007)

以某左右线分离式四车道隧道洞口段为例，建立了三维数值仿真模型，对采用4步CRD法施工时台阶长度对掌子面稳定性的影响进行了研究，研究表明，CRD法分部开挖时，掌子面纵向位移随分部开挖台阶长度增大而减小，台阶长度增大有利于掌子面稳定。

隧道工程，CRD工法，台阶长度，掌子面稳定性

0 引言

某左右线分离式四车道隧道洞口段埋深20 m～30 m，地面坡度较缓。洞口段围岩为残坡积、冲洪积碎石层，土体松散，粘结性差，遇水极易坍塌，同时隧道位于河床线以下，隧道围岩地下水富集。参考国内外相关工程案例，并经分析后确定采用4步CRD法施工。主要支护参数为：初期支护25 cm厚C20喷射混凝土，Ⅰ20工字钢间距50 cm。系统锚杆:φ42小导管，L=3.5 m，环向间距1 m。二次衬砌：55 cm厚C45S8防水混凝土。

从国内外一些类似工程，尤其是厦门翔安隧道建设过程看，在富水、地层软弱等困难条件下修建大跨度隧道，即使采用工序较为复杂、安全性相对较好的CRD法，施工中也面临诸多挑战，其中重点和难点为预防和控制坍塌、支护结构的大变形、开裂以及沉降过大等。以下重点就掌子面稳定性及相关影响因素等方面的研究进行介绍。

1 隧道掌子面稳定性分类

根据岩体强度、拱部效应、围岩变形、掌子面应力状态等，隧道掌子面稳定性可分为：

1)整个掌子面稳定；2)隧道掌子面短期稳定；3)掌子面岩体过度松弛，不稳定。隧道掌子面稳定分类如表1,图1所示。

由图1可看出，隧道掌子面稳定状态与掌子面的挤出位移和拱顶沉降等变形指标有密切关系。掌子面的纵向挤出位移过大，通常预示着隧道掌子面稳定状态的改变，即，掌子面由短期稳定状态向不稳定状态转变，如图2所示。

2 台阶长度对掌子面稳定性的影响

在软弱地层中进行CRD法施工，需要合理确定各开挖面之间的间隔距离，即台阶长度。既有施工实践表明，支护参数不变的情况下，隧道全断面支护封闭成环时间的长短直接决定了支护结构与围岩的最终变位值，缩短台阶长度，及时对各开挖面支护封闭成环，可降低支护结构的总沉降量，有利于支护体系的安全稳定；同时，台阶长度应满足掌子面稳定以及施工作业的需要，不宜过短。

为此，就台阶长度对掌子面稳定的影响情况进行对比分析。台阶长度选取1 m～15 m等10个工况，采用三维有限元模型进行分析，分析模型如图3所示(图中台阶长度6 m)。

表1 隧道掌子面稳定性分类

分析表明，因地层软弱，在分部台阶开挖时，存在掌子面稳定性较差的问题，以下采用挤出位移作为指标，如台阶长度2 m工况，下台阶开挖完成后，掌子面挤出位移情况如图4所示。

从图4可看出，超短台阶时，掌子面附近的上、下台阶实际是一起联动的。为更清楚显示上、下台阶掌子面的位移，将隧道掌子面前方围岩单独取出，并做适当剖面，如图5所示。由图可以看出，在不采取措施的情况下，掌子面整体向外挤出，下台阶位移明显大于上台阶；上、下台阶挤出位移呈现为“鼓肚”形状。

由上可见，上、下台阶掌子面中部是隧道CRD开挖时分部掌子面纵向挤出位移较大的部位，选取该位置典型节点的纵向挤出位移作为掌子面稳定性的指标，则CRD法施工时，台阶长度不同时，该位置挤出位移变化情况如图6所示。

从图6可看出：

1)CRD法分部开挖时的台阶长度对掌子面的稳定状态有直接影响。

2)掌子面纵向位移随分部开挖台阶长度增大而减小，台阶长度增大有利于掌子面稳定。但台阶长度增至某范围时，台阶效应开始减弱。

本工程台阶长度比较适合的距离是1倍开挖跨度，因此，此时上、下台阶开挖的相互影响较小，有利于上台阶施工时的掌子面稳定。同时，1倍开挖跨度的台阶长度(6 m左右)，能满足开挖和支护等小型机械作业要求。

3 结语

本文利用三维隧道专用FEM分析软件MIDAS/GTS就CRD施工时台阶长度对掌子面稳定性影响进行了分析和研究，主要结论如下：

1)隧道施工过程中，根据岩体强度、拱部效应、掌子面变形和应力情况等，隧道掌子面状态可分为稳定、短期稳定、不稳定等三类状态，掌子面的稳定状态与掌子面纵向挤出位移、拱顶沉降等变形指标直接关联，可根据掌子面挤出位移大小对其稳定状态作定性评价。

2)CRD法分部开挖时的台阶长度对掌子面的稳定状态有直接影响。掌子面纵向位移随分部开挖台阶长度增大而减小，台阶长度增大有利于掌子面稳定。从掌子面稳定性、小型机械作业要求等因素考虑，本工程CRD法施工时，台阶长度比较适合的距离是1倍开挖跨度。

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The influence research on step length to tunnel face stability in tunnel CRD method

Wen Hui Sun Shou

(CCCCTunnelBureauSecondEngineeringLimitedCompany,Xi’an710007,China)

Taking a left-right lines separate four lane tunnel portal section as an example, this paper established 3D numerical simulation, researched the influence of step length to tunnel face stability using four step CRD method construction, the research showed that the CRD method subsection excavation, the longitudinal displacement of tunnel face subsection excavation increased with step length, the step length increased conducive to the stability of tunnel face.

tunnel engineering, CRD method, step length, tunnel face stability

1009-6825(2017)17-0153-03

2017-03-13

文 辉(1982- )，男，工程师

U455

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