特大断面隧道CRD法大型机械施工技术与垂直升降平台研发

程可缘，但昭旺，杨居陪，贾丁，张子苗，曹寰宇，王殿荣，周芷昕

（中国水利水电第七工程局有限公司轨道分公司，四川 成都 610000）

0 引言

隧道建设是我国市政工程、铁路、水利、公路以及多项国家重大基建工程的重要组成部分。CRD法施工由于具有沉降小、风险低等优点而在隧道建设中广泛运用。在传统特大断面隧道施工中，渣土和材料垂直运输常使用汽车吊和龙门吊进行，存在单次起吊能力弱、起吊过程需要多次材料转运、设备租赁费用高等问题；由于埋深大、断面大，出于安全考虑，传统CRD法通常将开挖断面分为6个开挖洞室，导致开挖过程无法大规模采用机械开挖，进而导致渣土和材料垂直运输需求小，与汽车吊和龙门吊的使用相适应。渣土和材料垂直运输效率低、开挖效率低是导致CRD法造价高、开挖进度慢的重要原因，严重影响CRD法隧道施工进度和成本。因此，优化CRD法开挖洞室划分，扩大开挖机械使用率；研发高效率渣土和材料垂直运输工具对CRD法施工降本增效具有重要的工程意义。

近年来，学者针对CRD法隧道施工安全、沉降控制、施工质量等问题进行了大量研究。吴丹［1］通过炮眼布置、装药参数优化等手段，提高了城市地铁CRD法暗挖隧道的安全性；方州［2］就城市双线矿山法隧道下穿建筑引起的地表、建筑和隧道的变形问题提出了隧道加固方案优化措施；白东锋等［3］通过优化注浆方案，提出了矿山法隧道近距离下穿建筑的安全施工技术；张金伟等［4］采用数值分析、盾构工程类比等方法，结合拼装工法工艺流程，根据地铁矿山法隧道装配式衬砌环结构条件，研究撑靴式和机械手式拼装机配套设备及其技术需求条件，实现隧道初期支护轮廓内的衬砌片机械化拼装。段军朝等［5］研究了矿山法和明挖法相结合的方式分段施工地铁高瓦斯区间隧道的安全性、经济性和适用性；阳超等［6］通过数值模拟研究了砂卵石地层中管棚超前支护对维持隧道周围土体稳定性的作用；余俊等［7］通过三维有限元计算模型，论证了管棚注浆加固可有效限制围岩变形；王志龙等［8］通过超前支护的围岩-支护相互作用模型，强调超前支护结构在控制围岩变形中的作用。以上研究为CRD法隧道施工安全、施工质量提供了重要参考，但依然存在以下问题：（1）研究对象大多集中于施工安全、施工质量的问题，少见将降本增效作为研究对象；（2）研究多针对CRD法的某一项施工工序优化，少见针对CRD法设计的优化研究；（3）未见针对CRD法施工后配套设施的研究。

基于成都轨道交通19号线二期工程明挖岔线段—龙桥路站CRD法暗挖隧道，针对该隧道超大开挖断面的特点，研发一种可用于渣土、材料等施工材料整车垂直运输的垂直升降平台，并对常规CRD施工工法进行优化，提高CRD法隧道施工效率，实现明显的降本增效效果。

1 工程概况

明挖岔线段—龙桥路站区间矿山法隧道设计里程范围为YDK75+342.582—YDK75+786，是右线与停车线共存的单洞双线隧道。区间矿山法隧道总长443.45 m，线路上方为临港路，地面公路，所处地层为稍密、中密砂卵石地层，隧道顶埋深约23 m。隧道开挖高度为13.179 m，开挖宽度为13.3 m，设计开挖断面面积为138.00 m2，预留开挖沉降8 cm，最终开挖断面面积为142.09 m2，为超大断面CRD法暗挖隧道。隧道地质纵断面见图1。

图1 隧道地质纵断面

2 CRD法隧道施工技术方案

明挖岔线段—龙桥路站暗挖段断面为马蹄形，采用CRD法施工，共划分为4个开挖洞室，每个洞室分上下台阶。隧道开挖方法主要以机械开挖为主，支护二衬采用模板台车施工，木模板辅助施工。通过人工和机械结合的方式进行开挖，初支紧跟开挖面，土石方采用无轨运输方式运至明挖区间预留出渣口，采用一体式垂直升降平台进行材料和渣土运输。

二次衬砌在开挖初支完成且变形稳定后，掌子面掘进不超过70 m即开始二衬施工，二次衬砌浇筑作业采用整体式模板台车进行。配置1台9 m长的单线整体式模板台车，具备固定式导管自动分料、带模注浆、木端模对夹止水带及行走、限位等功能。洞内混凝土浇筑通过采用洞外混凝土罐车运输卸料至地面接料口、料管输送至明挖区间（车站）地泵、洞内泵管编号固定上墙等措施实现泵送入模。

3 施工工法优化

相比于常规CRD法施工，该工程主要涉及3项创新：（1）将设计6洞室CRD法开挖优化为4洞室+上下台阶开挖，增加洞室面积，创造了机械作业空间；（2）将设计开挖步序Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ优化为Ⅰ→Ⅲ→Ⅱ→Ⅳ，增加了机械作业有效时长；（3）研发了一种可用于渣土、材料等施工材料整车垂直运输的垂直升降平台，提升材料运输效率，节省了运输设备使用成本。

3.1 开挖断面优化

在城市地下大断面隧道施工中，维持掌子面稳定和控制地表沉降都是施工安全的重难点，缩小开挖洞室的面积是保障安全的重要手段，原设计将开挖断面分为6洞室，洞室内不划分上下开挖台阶（见图2）。

图2 原6洞室设计

在6洞室设计中，4号洞室面积最小，为17.70 m2；3号洞室面积最大，为26.80 m2；2、5号洞室净空最小，为3.70 m；3、6号洞室净空最大，为5.05 m。小开挖洞室面积和开挖净空保障了施工安全，但无法采用大规模机械开挖，导致开挖效率受限。

在该工程中将原6洞室开挖设计优化为4洞室+上下台阶开挖，每个洞室内划分为2个台阶，整个开挖断面共划分为8个台（见图3）。因此，在扩大单洞室开挖面积和净空的同时，保障了施工安全。

图3 改良CRD法洞室及台阶划分断面

各台阶开挖步序为：①→②→③→④→⑤→⑦→⑥→⑧，每个步序每循环开挖进尺控制在50 cm，每个导洞开挖采用预留核心土法，待顶部及两侧支护完成后再开挖核心土；每个步序开挖间距为3～5 m，最终开挖掌子面距离二衬仰拱施工距离不超过70 m，形成超前支护、开挖、初期支护、仰拱填充、二次衬砌、附属工程均衡生产、整体推进的施工格局，根据围岩及支撑监测结果及时调整开挖、拆撑及二次衬砌施工工序。

隧道开挖施工严格遵循“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则，开挖后及时支护、尽早封闭成环。隧道开挖尽量利用围岩的自承能力，尽量减少隧道开挖对围岩的扰动，采用1 m³中型反铲开挖翻渣，人工辅助清理边角部位。采用20 t自卸汽车出渣，运渣车进出基坑通过垂直吊装设备运输。

隧道①、②、③、④部分开挖主要采用人工配合60小型挖机进行，农运车或装载机水平出渣至⑤、⑦下层平台，后由PC200挖机配合自卸车出渣至洞口渣斗，由垂直吊装设备将渣土吊装至地面临时堆放场；⑤、⑥、⑦、⑧开挖采用人工配合PC150挖机进行，自卸车配合出渣，当掌子面存在局部硬岩或孤石时，采用破碎头进行破碎，施工时各台阶不宜过长，控制在3～5 m。

改良CRD法开挖步序见图4。改良后的CRD法施工，最小洞室面积为32.35 m2，较改良前的17.70 m2提高82.8%；最小开挖净空为6.20 m，较改良前的3.70 m提高67.6%；最大洞室面积为37.54 m2，较改良前的26.80 m2提高40.0%；最大开挖净空为6.70 m，较改良前的5.05 m提高了32.7%，创造了大规模使用机械开挖的条件，较大程度提高了开挖效率。同时，以单洞室为单元，再预留核心土，分上下台阶开挖，缩小了每一步开挖面面积，保障了开挖过程中掌子面所受偏应力不超过强度极限，有利于围岩稳定，保证施工安全。

图4 改良CRD法开挖步序

3.2 开挖步序优化

传统CRD工法为控制地表和隧道变形，标准开挖步序为Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ。此种开挖步序在机械开挖条件下增加了机械设备上下转运时间，缩短开挖机械净工作时间，不利于特大断面矿山法隧道快速施工。优化后的工法将开挖步序调整为Ⅰ→Ⅲ→Ⅱ→Ⅳ，并在临时横撑设置临时卸料孔（1.0 m×0.8 m）。改良洞室开挖步序划分见图5。

图5 改良洞室开挖步序划分

开挖步序调整对地表和隧道拱顶沉降变形没有明显影响，同时施工步序优化降低了上部机械上下转运频率，提高了施工效率［9-10］。

3.3 垂直升降平台

3.3.1 升降平台概况

传统地面与隧道之间物料垂直运输多采用龙门吊、汽车吊进行，水平运输则采用汽车进行，该组合方式单次运输能力有限，通常在20 t以内。水平与垂直运输转换需多次更换容器工具，至少需经过“掌子面—渣车—垂直吊装容器—垂直运输—渣车—堆渣场”5个转运流程，每个过程需要安排专人甚至挖机进行转运，费时费力，且依靠绳索举升的方式存在安全风险。

该工程研发了一种导轨式垂直升降平台作为物料垂直运输工具，可将水平运输的汽车整车地往返升降作业，实现了水平和垂直运输无缝衔接。升降平台主要由平台钢架、轿厢、卷扬机和竖向导轨组成。平台钢架为整个升降平台的骨架结构，中部为可容纳轿厢的矩形上下通道井，承担主要受力；轿厢为容纳和运输物料部件，以及上下移动举升平台，轿厢四柱嵌入到平台钢架上的导轨中，只具有垂直方向的自由度；卷扬机为主要动力部件，安装于平台钢架顶部，通过钢绳连接轿厢，控制轿厢的提升和下放；竖向导轨安装在平台钢架上，起到约束轿厢自由度的作用。平台采用PLC控制轿厢升降，设2层2站，分别为开挖层和地面层，另配备电器限位、机械限位、光电保护、声光警示、平层防止器等多重安全措施。升降平台结构见图6，实物见图7，升降平台与竖井空间关系见图8，设备参数见表1。

表1 升降平台设备参数

图8 升降平台与竖井空间关系

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图7 升降平台实物

垂直升降平台的使用，使出渣过程按顺序缩减为“掌子面—渣车—堆渣场”2个转运流程，相比传统垂直运输5个转运流程减少60%，无需专人专机辅助转运。单次有效载荷为50 t，相比传统龙门吊、汽车吊提升效率150%。此外，导轨和平台钢架对提升轿厢具有水平约束，大大提高了垂直运输安全性，为CRD隧道高效开挖提供了重要保障。

3.3.2 升降平台安全计算

垂直升降平台的设计需建立在足够安全的静强度及稳定性、钢架主体结构振动特性上，因此，基于ANSYS有限元软件进行了平台钢架受力分析、轿厢受力分析、平台钢架结构模态分析，以论证垂直升降平台的安全性。

（1）平台钢架受力分析。该支架主体结构材料均为Q235钢，其材料特性参数见表2。

表2 结构材料特性参数

采用有限元软件ANSYS，对钢架结构主体、轿厢主体结构进行静强度及主要杆件稳定性分析、钢架结构的模态分析。为全面分析升降平台的工作状态，考虑3种典型工况：

工况1：考虑轿厢满载时的工况，不考虑偏载。载荷组成包括轿厢满载时的货物质量和安装于钢架顶端的卷扬机自重，载荷平均分布。

工况2：考虑轿厢满载时的工况，考虑偏载。假设钢架右边分布的载荷多，左边分布的载荷少，按7∶3的比例分配。

工况3：考虑轿厢满载，轿厢限位装置全面承压。载荷组成包括安装于钢架顶端的卷扬机自重、轿厢满载时的货物质量作用于限位装置上引发的偏心力及偏心弯矩。

平台钢架受力云图见图9。

图9 平台钢架受力云图

图9中结果表明，钢架整体结构承受的最大拉应力为9.394 MPa，最大压应力为52.014 MPa。最大拉压应力值分别发生在顶部斜撑杆和底部主弦杆上，其值均小于材料许用应力213.6 MPa，平台钢架结构安全稳定。

（2）轿厢受力分析。采用ANSYS Workbench进行轿厢受力分析，将设计好的轿厢三维模型导入Workbench中进行网格划分，并加载分析。考虑工况为：自卸车满载，并完全进入轿厢，轿厢主要承受由自卸车引起的竖直向下的载荷，同时考虑轿厢自身重力的影响。轿厢约束加载后的计算云图见图10。

图10 轿厢约束加载后的计算云图

分析结果表明，轿厢主体结构在载荷作用下，工作应力最大值发生在自卸车车尾轮压处，为140.51 MPa，主要是自卸车车尾轮压较为密集所致。主体结构工作应力值均小于材料的许用应力213.60 MPa。因此，可以认为该轿厢的主体结构强度符合使用要求。

（3）平台钢架结构模态分析。模态分析是结构动力学分析的基础，主要考察结构在约束状态下的模态特性，确定结构的固有频率值，判断钢架结构在工作时是否可能出现明显的共振现象。一般而言，结构的低阶模态对结构的动态特性影响较大，因此，只分析结构的前6阶模态特性。平台钢架的模态分析云图见图11。

图11 平台钢架模态分析云图

通过分析计算得出，钢架结构的前6阶固有频率值见表3。从表3中前6阶固有频率值可以看出，钢架结构的固有频率值远低于卷扬机的工作转速，因此，钢架结构在工作时出现共振的概率很小。

表3 钢架结构的前6阶固有频率 Hz

使用有限元软件对钢架和轿厢主体结构进行了静强度及稳定性分析、对钢架主体结构进行了模态分析。分析结果表明：（1）钢架主体结构的强度及主要杆件的稳定性均满足使用要求；（2）轿厢主体结构的强度满足使用要求；（3）钢架结构在工作时不会出现共振。

4 工程实例

成都轨道交通19号线二期工程明挖岔线段—龙桥路站矿山法区间，采用基于垂直升降平台的特大断面隧道改良CRD施工技术，在确保施工安全的情况下，保障了施工质量，隧道拱顶沉降值处于控制值范围内（见图12）。

图12 改良CRD法隧道拱顶沉降值

该工程采用改良CRD法施工，较传统CRD法减少工期90 d，节约成本538.2万元，其中：机械费143.8万元，人工费237.6万元，其他费用156.8万元。施工中，质量、安全、进度、成本等方面均得到有效控制，取得较大经济效益。

5 结论

针对特大断面CRD法隧道施工中，渣土和施工材料无法高效率垂直运输以及隧道无法大规模使用机械开挖问题，开展CRD法开挖洞室优化、开挖步序优化、垂直运输设备研发3项研究，在实际工程中取得了良好运用效果，并得出以下结论：

（1）将6洞室CRD法开挖设计优化为4洞室+上下台阶开挖，可增加洞室面积和开挖净空，为大规模机械开挖创造条件；

（2）将设计开挖步序Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ优化为Ⅰ→Ⅲ→Ⅱ→Ⅳ，可有效增加机械作业有效时长，且对隧道成型质量影响极小；

（3）垂直升降平台可将渣土、施工材料转运流程减少60%，单次有效载荷提升150%，大大提升材料倒运效率，且垂直升降平台安全、可靠；

（4）基于垂直升降平台的特大断面隧道改良CRD施工技术在特大断面砂卵石地层CRD法隧道工程中运用效果良好，取得了较大经济利益，可为类似工程提供重要参考。