CRD法和台阶法施工对地铁隧道围岩变形的影响分析

刘小川

摘 要：本文将以青岛地铁1号线水开区间隧道工程为基础，应用CRD法（交叉中隔墙法）以及台阶法动态监测隧道施工过程中围岩变形状况，回归处理数据信息，借助相应软件模拟分析这两种方法。在相关研究中可知，借助CRD法一般可以更有效地对水平收敛量以及拱顶沉降加以控制，使围岩受到施工扰动的程度降低，在维持围岩稳定性、自持能力上作用明显。与此同时，施工过程中借助台阶法可以使快速开挖隧道得以实现，但是在有较高施工要求或者有复杂地层条件区域中还应采用CRD法展开施工，从而进一步对围岩变形加以控制，使围岩保持稳定。

关键词：CRD法；台阶法；地铁隧道施工；围岩变形；施工质量

中图分类号：U451.2 文献标识码：A 文章编号：2095-9052（2020）04-0182-02

如今地铁隧道施工过程中常用的开挖法主要有台阶法、中壁法以及双侧导坑开挖法等。在不同环境、条件下，一般会采用不同的方法。因此，在实际筛选施工方案的时候，需要按照工程要求、地质状况、周边环境以及隧道埋深与断面等进行综合筛选。在此过程中，不同开挖方法会在不同程度上影响围岩，而在对比不同方法围岩的变形特征时，能帮助施工部门明确特定环境中各类方法的优劣性，进而筛选出最合适的施工方法。

1 工程概况

1.1 工程实例

青岛市地铁1号线水开区间两站点之间全长约为1354.5m。在此区间，拱顶埋深16～26m，主要穿越地层为微风化花岗岩，Ⅱ～Ⅳ级围岩。沿线下穿、侧穿建筑物较多，距离爆破点最近建筑物距离为12.2m，此处地层地址主要为素填土、粉质黏土、强风化花岗岩、中等风化花岗岩、微风化花岗岩、花岗岩（块状碎裂岩）。除此之外，区间地下水类型为潜水，其稳定的水位埋深达14～21m，具有超过约7m的高差，此处地下水主要的流向为由北向南，该隧道的洞身将会受到地下水的影响。

本段区间隧道的断面结构类型包括：人防段断面、标准断面、渡线段（扩大段）。其中，渡线段采用的施工方法为CRD法；而标准断、人防段采用的施工方法为台阶法。本文将对此工程中典型的监测断面作为分析案例，分别研究台阶法与CRD法所引发围岩变形的主要规律。

1.2 围岩变形监测

借助相应数显收敛仪来监测围岩变形状况，主要的监测内容包含了净空水平收敛量测以及拱顶沉降量测[1]。充分考虑CRD法和台阶法的各自施工特征布置测点，其中因为架设了临时性的横支撑，因此需要布设的净空水平收敛测线为2条。在监测拱顶沉降的时候，需要按照“三角形测量”的原理展开动态监测。应当注意的是，净空水平收敛量测以及拱顶沉降量测相应监测作业需要在相同断面中展开，同时采用的量测频率也应该相同[2]。

2 数值模拟

第一，对拱部的小导管展开超前预注浆，对左侧导坑的第一部分土体进行分部开挖，并且将临时性仰拱架设于此，以便形成初期的支护。

第二，对第二部分的土体进行开挖作业，同样形成初期的支护。

第三，对拱部的小导管展开超前预注浆，对左侧导坑的第三部分土体进行分部开挖，并且将临时性仰拱架设于此，以便形成初期的支护。

第四，对第四部分的土体进行开挖作业，同样形成初期的支护。

以短台阶法对断面进行开挖，在对上半部断面展开相应作业的时候，需要对核心土进行保留，从而将掌子面当中三维支撑的作用充分发挥出来，以便确保掌子面稳定性。在开挖作业中，主要采用的开挖方式为人工开挖，需要确保台阶达到3.5m的长度，保持钢拱架有0.5m的间距。在正式开始开挖作业后，应该在第一时间施做临时性支护以及初期支护，使断面被及时封闭。此过程的主要作业步骤是：超前注浆小导管→开挖上台阶，对核心土进行保留→在上台阶进行初期支护→开挖下部→对下部进行初期支护→对防水层展开施工→先行仰拱。另外，还要采用“先墙后拱”的方法展开二次钢混衬砌施工。

技术人员在施工过程中借助相应软件模拟CRD法以及台阶法开挖隧道的过程。同时，为了确保以上述方法更有效地研究围岩变形所受的相应影响，应保证两个模型保持相似。开挖作业的模拟情况应该根据实际工序展开，并根据实际支护方式展开模拟。在两种方法的对应模拟阶段，需要各自设置监测点（3个），分别是右拱腰水平收敛监测点、拱顶沉降监测点以及左拱腰水平收敛监测点。

3 实测与模拟分析围岩变形

能夠直接反映隧道围岩变形状况的因素，便是隧道水平收敛以及拱顶沉降，其能够将可靠信息数据提供给对隧道空间稳定性展开判断的工作当中。在隧道施工阶段，需要在第一时间将监测点布置到设计断面当中，同时展开动态监测，进而获得拱顶沉降伴随时间改变而发生变化的主要规律。在分析拱顶沉降的规律时，还应借助相应软件模拟施工的整体流程，进而经由对比验证以上分析途径，深入研究两种方法在应用过程中围岩的变形状况及其规律。

3.1 回归分析实测数据

在每一次观测隧道的收敛量或者沉降量之后，便需要回归分析各个量测断面当中的每一条测线，将各自的回归方程求出来，进而对围岩变形的特征展开深入分析，对其变形规律加以掌握。借助回归分析采用台阶法拱顶沉降的实测数据的时候，需要优先按照标准函数曲线和实测数据信息相应曲线的关联程度对最优回归曲线的函数形式加以确定，而最常用到的回归曲线主要是指数函数。在实际分析过程中得知，得出的实测信息数据和回归曲线有着较好的准确性以及相关性，可以较为精准地将拱顶沉降变化趋势反映出来[3]。

3.2 分析拱顶沉降

当开挖隧道施工进行到预设监测断面的时候，便应该在第一时间布置监测点，同时伴随掌子面的持续推进展开收敛监测工作。在分析相应数据信息时，采用CRD法与台阶法展开施工的过程中，拱顶沉降的主要特征为：

第一，在拱顶沉降逐渐稳定之前，相应曲线主要包含缓慢增长以及快速增长这两个阶段，而对应拱顶沉降的速率总体变化曲线呈现渐渐降低的状况，然而同时都伴有一定波动出现。在有关人员的分析过程中可知，在上台阶开挖过程中，围岩也会出现较为明显的拱顶沉降现象。在开挖下台阶的时候，隧道围岩的变形速率提升得很明显。这主要是因为在开挖掌子面时，裸露在外的土体会持续增大，使得土体受到的扰动同时加大，进而提升了围岩的变形速率。

第二，在采用以上两种方法展开施工的时候，不同的拱顶沉降发展阶段有着不同的持续时间。一是在借助CRD法展开施工的时候，拱顶沉降快速增长会持续7d左右，而8～17d处于缓慢增长状态，在埋设监测点17d之后，整体变化逐渐稳定下来；二是在借助台阶法展开施工的时候，拱顶沉降快速增长会持续10d左右，而在之后的13d中处于缓慢增长状态，在埋设监测点23d之后，整体变化渐渐稳定下来。

第三，在采用以上两种方法展开施工的时候，不同的拱顶沉降发展阶段有着不同的沉降速率与幅度。其中，经过计算便能够获得相应速率、幅度。此外，从实测数据中能够得知，在采用两种方法展开隧道施工的时候，拱顶沉降的速率变化呈现出一定的周期性，通过有关软件的模拟分析，便可以较为精准地得出相应最大拱顶沉降量。

在实际分析和对比过程中得知，在隧道围岩整体变形的过程中，台阶法会引起比CRD法更大的拱顶沉降量。与此同时，在以CRD法展开施工时，其对应拱顶沉降变形持续的时间以及速率等也较小。由此可见，采用CRD法展开此项施工的时候，其引发拱顶扰动的程度更低，使得围岩在受到扰动之后可以更为迅速地稳定下来。

3.3 分析水平分敛

在施工过程中监测水平收敛时，也能够将围岩变形规律反映出来。然而因为现场环境状况有限，很难及时监测拱腰，因此往往会借助“双测线法”来监测水平收敛。结合实际监测数据信息可知，采用CRD法以及台阶法展开此项施工的时候，水平收敛特征如下：

第一，两种方法在施工过程中引起水平收敛和拱顶沉降的变化趋势基本是相同的，整体处于先快速收敛、随后渐渐变缓直至稳定。另外，在不同开挖阶段，水平收敛变化规律各不相同。

第二，在应用CRD法和台阶法展开施工的时候，会伴随不同水平收敛量呈现出不同的發展持续时间。一是以CRD法展开施工时，上测线水平收敛量的快速收敛将会持续8d左右，而在22d后水平收敛逐渐稳定；二是以台阶法展开施工时，上测线水平收敛量的快速收敛将会持续13d左右，而在28d后水平收敛逐渐稳定。

第三，在采用两种方法展开施工的时候，不同阶段拱顶沉降收敛速率与幅度也会各不相同，通过相应计算方式便可得到两种方法各自上、下测线快速收敛阶段当中的平均收敛速度、最大收敛速度以及累计收敛量等。与此同时，从相关实测数据当中可知，以上述两种方法展开施工的时候，其对应水平收敛速率变化呈现一定周期性，这主要是因为各自施工的工序将会受到拱腰两侧的不同影响。

在实际分析和对比过程中得知，开展开挖作业时CRD法相比于台阶法，其引起水平收敛的量更小。同时因为各沉降持续变形的时间及其速率也较小，证明CRD法可以在很大程度上确保围岩稳定。

4 结语

总体而言，从本文涉及工程案例当中可知，围岩变形通常都会经历三个阶段，即快速变形、缓慢变形以及稳定时期。借助相关软件展开模拟后得知，施工不同阶段会造成围岩呈现出不同变形状况，而CRD法和台阶法使得各阶段变形持续时间各不相同，其中CRD法往往可以在很大程度上确保围岩稳定，这主要是因为其施工工序扰动围岩的程度比台阶法更小，进而可以对水平收敛量以及拱顶沉降进行有效控制。如果需要用台阶法施工，则要尽量将仰拱间距减小来确保底部围岩保持稳定。

参考文献：

[1]陈宝军.岳荣区间地铁隧道施工诱发的围岩及地表变形规律研究[D].西安科技大学硕士论文，2018.

[2]艾光读.软弱围岩隧道施工方法的比较研究[D].兰州大学硕士论文，2018.

[3]李越.新建地铁下穿既有区间隧道的暗挖工法对沉降变形的影响分析[D].北京交通大学硕士论文，2017.

（责任编辑：李凌峰）