1、-46-赵忠孝，惠 冰，苏会锋，唐志刚，田道国，张鹏飞：浅埋小净距偏压隧道CRD法施工技术浅埋小净距偏压隧道 CRD 法施工技术赵忠孝1，惠 冰2，苏会锋1，唐志刚3，田道国3，张鹏飞1（1.山东科技大学交通学院，山东 青岛 266590；2.山东省交通科学研究院，山东 济南 250031；3.济南黄河路桥建设有限公司，山东 济南 250031）摘要：以济南-潍坊高速公路鹊山隧道进口浅埋段施工为依托，通过监控量测数据分析隧道围岩变形情况，得到结果：拱顶沉降最为明显，CRD 法能有效减少施工过程中围岩的扰动，周边收敛在围岩压力作用下有缩小的趋势；用 Midas GTS NX 软件模拟 CRD 法
2、的不同施工方案，发现当浅埋小净距偏压隧道中隔壁偏向于浅埋侧，先开挖浅埋侧对隧道扰动小；当中隔壁偏向于深埋侧，先开挖深埋侧时对隧道扰动较小。关键词：浅埋偏压隧道；监控量测；有限元模拟；CRD 法施工中图分类号：U455 文献标识码：B CRD construction technology for shallow buried tunnel with small clear distance and bias pressureZHAO Zhongxiao 1,HUI Bing 2,SU Huifeng 1,TANG Zhigang 3,TIAN Daoguo 3,ZHANG Pengfei 1（
3、1.Shandong University of Science and Technology,Shandong Qingdao 266590 China;2.Shandong Transportation Institute,Shandong Jinan 250031 China;3.Jinan Yellow River Road and Bridge Construction Co.,Ltd.,Shandong Jinan 250031 China）Abstract:Based on the construction of the entrance of Queshan tunnel of
4、 Jinan-Weifang expressway,the deformation of surrounding rock of the tunnel is analyzed by monitoring and measuring data.The results show that the settlement of arch crown is the most obvious,CRD method can effectively reduce the disturbance of surrounding rock during construction,and the peripheral
5、 convergence tends to shrink under the pressure of surrounding rock.Midas GTS NX software is used to simulate different construction schemes of CRD method.It is found that when the wall of the shallow buried tunnel is biased to the shallow buried side,the shallow buried side will be excavated first,
6、and the disturbance to the tunnel will be small.The middle partition wall is inclined to the deep buried side,and the disturbance to the tunnel is small when the deep buried side is excavated first.Key words:shallow bias tunnel;construction sequence;finite element simulation;CRD method引言在现在隧道施工领域，对于
7、浅埋暗挖隧道的施工，已经进行了相关研究，其方法主要集中在 CD 法、CRD 法和台阶法1-4。不同施工方法使用条件不同，实际工程中要根据隧道围岩地质条件、水文条件、深埋浅埋或者上部建筑物的位置等因素综合考虑。方法不同在隧道施工过程中的受力和变形也不同。对采用不同围岩施工设计方法下隧道变形特点进行分析，可为某些特定应力环境状态下最佳施工方法的选择提供参考5-7。不同施工方式施工后的影响范围差别较大，研究隧道开挖后围岩变形和应力变化规律，对比分析后采取合理的开挖方式，能有效地反映隧道内部变形，根据观察、监测反馈的信息，及时响应，能有效保障施工安全8-9。1 工程分析1.1 目标隧道段选取鹊山隧道
8、K5+322K5+423 段的围岩等级为 V级，V 级围岩条件下采用 CRD 法开挖，其中加强段的上导坑使用机械配合人工开挖，下导坑围岩较为坚硬的采用预裂控制爆破。此段长度约 101 m，隧道上部的土层厚度在 20 m 左右，属于浅埋隧道，隧道净距约 21 m，属于小净距隧道。由隧道建筑界限与内轮廓线得知，隧道宽度约为15.35 m，高度约为9.41 m。此隧道段呈偏压状，开挖深度根据具体的超前地质收稿日期：2022-08-15作者简介：赵忠孝（1996），男，山东济南人，硕士研究生，研究方向为隧道与地下工程。2022 年第 6 期山东交通科技-47-勘测报告决定，在 V 级围岩加强段岩层较差
9、，开挖采用短进尺，每循环预进尺 0.6 m，既定开挖顺序见图 1。其中，上部为浅埋侧，即先从浅埋侧开挖。图 1 CRD 法施工段的开挖方案1.2 监测点位置及监测仪器采用 CRD 法施工时隧道监测点的布置见图 2，主要考虑隧道拱顶竖向沉降以及隧道净空收敛。图 2 监测点布置净空收敛采用的仪器为拓普康（Tomcon）ES-101高精度全站仪（1 s 精度）。拱顶沉降采用的仪器为天宝（Trimble）DINI03 电子水准仪。2 监测数据分析2.1 拱顶沉降分析对隧道的拱顶沉降进行实时监测，其监测数据见图 3。由图 3 可知，隧道开挖之后，下部土体移除，承载力消失，隧道拱顶沉降逐渐增大，在每一部分
10、开挖之后，沉降值趋于稳定。其中，测量误差、应力重新分布等原因导致隧道沉降量在每段曲线上上下波动。约在第 20 次监测时开挖第部分，此时由曲线可以看到沉降量和沉降速率略大于第部分开挖，原因是在开挖第部分之前，首先要施工下部的中隔壁，相较于部分施工时，隧道下部土体受到扰动，因此开挖之后相应的左部 A点沉降量和沉降速率增大，此时也是隧道施工的关键时间段，监测频率也应该加大。中隔壁在 CRD法施工过程中极为重要，中隔壁的架设质量会影响隧道变形。图 3 拱顶沉降监测数据2.2 净空收敛分析通过对收敛监测点的持续监测，得到图 4。图 4 净空收敛监测数据由图 4 可知：（1）在部分开挖之后，围岩压力使得监
11、测点C向右移动，CG测线的长度不断减小，因此收敛值不断增加，并逐步趋于稳定；（2）在部开挖之后，左侧土体被清空，隧道左侧在围岩压力的作用下向右移动，因此 C 和 E 两点向右位移，CG 测线长度继续减小，EH 测线长度开始减小，收敛值增加，逐步趋于稳定；（3）在部开挖之后，由于中隔壁的布设位置，使得在部分开挖之后，中隔壁有向右移动的趋势，CG 测线的长度略增加，GD 测线长度减小，导致 CG 段收敛量减小，GD 段收敛量增加；（4）在部开挖之后 HF 测线的长度减小，HF 收敛量逐渐上升趋于稳定。2.3 监测结果分析结果（1）实际的监测数据并非平滑变化的曲线，在曲线的各部分上下波动。一是可能与
12、设备监测的误差有关，或者是一天中不同时间点大地温度不同造成的土体自然的膨胀收缩，而实际的沉降也比较小，造成了数据的波动；二是实际上很多监测点会受到破坏，然后会重新布置，监测点受到扰动也可造成数据波动。（2）CRD 法施工的各个阶段之间并不是孤立的，是相互影响的。赵忠孝，惠 冰，苏会锋，唐志刚，田道国，张鹏飞：浅埋小净距偏压隧道 CRD 法施工技术-48-3 模拟方案建立3.1 模型参数为了得到对隧道扰动最小的方案，通过改变开挖的顺序和中隔壁的偏向，生成不同的方案，用 Midas模拟施工过程。模型 x 轴向长度 120 m，y 轴向长度30 m，z 轴向长度最大 80 m，最小 60 m，见图
13、5。图 5 隧道模型围岩采用的是摩尔-库伦本构模型来模拟的，喷混和锚杆采用弹性本构模型来模拟，喷混采用 2D板单元来模拟，锚杆采用 1D 植入式桁架单元模拟。表 1 材料参数材料名称V 级围岩喷混锚杆弹性模量/GPa0.525200泊松比0.350.20.3容重/（kNm-3）20-黏聚力/MPa0.15-摩擦角/（）35-重力密度/（kNm-3）-22783.2 拟定方案由实际隧道施工得到方案一，通过改变中隔壁的方向和开挖顺序，得到方案二（只改变开挖顺序）、方案三（只改变中隔壁偏向）、方案四（改变开挖顺序又改变中隔壁偏向），见图 6。图 6 不同施工方案模型4 计算结果分析4.1 竖向位移分
14、析通过对四个方案的模拟，提取模拟结果中 CRD法开挖一个断面之后的竖向位移和水平位移。蓝色部分越深，代表沉降越大，得出四种方案的拱顶沉降明显大于拱腰和拱脚的沉降，见图 7。在隧道拱顶均匀提取 5 个点，见图 8。图 7 Z 轴方向沉降图 8 沉降点标号（1）方案一与方案二改变了开挖顺序，方案一先开挖浅埋侧，方案二先开挖深埋侧，此时的中隔壁均偏向浅埋侧，由图 9 的拱顶五个点的沉降数据可以看到，方案二的拱顶沉降明显大于方案一，当中隔壁偏向于浅埋侧的时候，先开挖浅埋侧对拱顶沉降的影响较小。图 9 方案一与方案二（2）方案三和方案四进行对比，在中隔壁的偏向同时改变的情况下，方案四只有在 4 点的沉降
15、大于方案三，整体来看方案四对隧道的扰动更小，即2022 年第 6 期山东交通科技-49-当中隔壁偏向于深埋侧的时候，先开挖深埋侧对隧道拱顶沉降影响较小。见图 10。图 10 方案三与方案四（3）将四个方案置于同一折线图，见图 11，得到采用方案一开挖时，对隧道的竖向位移影响最小，即中隔壁偏向浅埋侧，并且先开挖浅埋侧，对隧道扰动最小，效果最佳。图 11 四种方案的拱顶沉降4.2 水平位移分析隧道围岩对隧道施加压力，使得隧道呈一个整体截面缩小的趋势。模型中隧道正截面处于 XOZ 平面上，从左到右是 X 轴正方向，因此隧道左侧的水平位移为正值，隧道右侧的水平位移为负值。分析C、D、E、F 四点的位移
16、值，得到四个方案在完成 CRD法一个断面开挖之后的水平位移值。表 2 水平位移数据/mmC 点D 点E 点F 点方案一0.159-0.250.441-0.43方案二0.187-0.280.474-0.44方案三0.192-0.280.45-0.44方案四0.175-0.250.433-0.46方案一与方案二的中隔壁均位于浅埋侧，方案二改变了隧道开挖顺序，先开挖深埋侧，此时方案二拱腰处 C 点和 D 点的位移量明显大于方案一，拱脚处 E 点和 F 点的位移量略大。方案三与方案四的中隔壁均位于深埋侧，先开挖深埋侧的方案四拱腰和拱脚的位移量较小；观察 4 个方案的位移数据，易得中隔壁偏向于浅埋侧且先开挖浅埋侧时的方案一对隧道扰动最小，拱腰和拱脚的位移量最小。4.3 结果对比分析结果见表 3。表 3 分析对比结果中隔壁偏向开挖顺序竖直位移水平位移方案一 浅埋侧先开挖浅埋侧拱顶附近沉降最小拱腰拱脚处位移量最小方案二 浅埋侧先开挖深埋侧拱顶附近沉降略小于方案三拱腰处位移量略小于方案三，拱脚处位移量略大于方案一方案三 深埋侧先开挖浅埋侧拱顶附近沉降最大拱腰处位移量最大，拱脚处位移量略大于方案一方案四