0 引言

　　随着城市空间开发由地面往地下纵深发展开来，浅埋暗挖法在我国公路、地铁隧道及市政管线工程中应用也日趋广泛。浅埋暗挖法相比于明挖法，不影响交通、占地拆迁少;相比于盾构法，其对地层适应性好^[1]。当地质条件差、隧道埋置深度较浅且周边环境复杂时，浅埋暗挖隧道施工一般采用CRD(交叉中隔壁)法^[2,3]，该工法把大断面划分成小断面，步步成环，每个阶段施工都是一个完整的受力体系，受力明确，变形小，沉降量小。

　　本文结合杭州市紫之隧道工程南段淤泥质粉质黏土中浅埋暗挖CRD法施工实践，通过分析研究原四部CRD法施工工艺和实施效果，在此基础上提出优化的六部CRD法土体预加固施工技术，进一步通过数值模拟分析隧道开挖断面不同加固范围对隧道沉降控制和稳定性的影响，给出合理的加固方案选择，为实际施工提供借鉴。

　　1 工程概况

　　杭州市紫之隧道南口浅埋暗挖段下穿之江路段为双向4车道，隧道开挖宽度12.8m，高度9.7m，埋深8～12m，隧道洞身全断面位于具有低强度、高触变性和高压缩性特点的(5)淤泥质粉质黏土的VI级围岩中。

　　该区段地下水主要为第四系孔隙性潜水，具有埋藏浅、水量小、变幅大的特点。潜水位埋深1.20～2.40m，动态变幅一般为1.0～2.0m。

　　2 四部CRD施工法

　　2.1 支护设计方案

　　2.1.1 大管棚超前支护

　　考虑隧道围岩条件差，为防止开挖时地表下沉量过大，浅埋暗挖隧道采用大管棚超前支护，有效将纵向土体约束成整体承受开挖围岩压力(见图1)。

　　

　　图1 超前大管棚+超前小导管支护  

　　 

　　超前大管棚长30m，外径108mm，壁厚6mm;管棚环向中心距为30cm，沿隧道拱顶周边以1°～3°插入。注浆浆液参数控制在水灰比0.8～1,C∶S体积比为1∶(0.6～1)，水玻璃模数2.6～2.8，水玻璃浓度35°Bé;注浆压力1.0～2.0MPa，注浆结束后用M10砂浆充填钢管，以增加管棚强度。

　　2.1.2 超前小导管

　　开挖断面周围用超前小导管注浆，小导管采用热轧无缝钢管，小导管直径42mm，壁厚4mm，环向间距为30cm，纵向长度为4.5m，前后搭接长度≥1m。注入浆液为水泥与水玻璃体积比1∶0.5，水灰比为1，水玻璃浓度30～35°Bé，注浆压力1.0～2.0MPa(见图2)。

　　

　　图2 全断面注浆立面布置  

　　 

　　2.1.3 全断面注浆

　　注浆孔间距50cm，梅花形布置，注浆管采用48、壁厚4mm钙塑聚丙烯花管，管长13m，注浆管可分节拼装，须保证有良好的止浆措施。注浆芯管采用DN22焊接钢管加工，长0.6～1m，其四周均匀布设12～18个8泄浆孔，花管两端各加上3～4个止浆橡胶皮碗，起到止浆作用。每一循环注浆长度13m，开挖9m，保留4m止浆墙。

　　2.2 开挖方案(见图3)

　　

　　图3 隧道开挖面分部示意(单位:cm)  

　　 

　　1)施作(1)超前支护。

　　2)人工开挖(1)岩体，施作上半断面初支及中隔墙竖撑与横撑。

　　3)开挖(2)岩体，施作初支及横撑。

　　4)开挖(3)和(4)岩体，施作初支和竖撑。

　　开挖循环进尺与设计钢架间距相同(0.5m/榀)，如图4所示。

　　

　　图4 隧道开挖间距(单位:m)  

　　 

　　2.3 实施效果

　　采用劈裂注浆工艺对原状土进行加固后，由于(5)土层的高压缩及蠕变特性，注浆效果较差。

　　另外，隧道开挖断面大，采用四部CRD法开挖时各独立开挖面仍较大，开挖和支护之间衔接时间较长，不利于隧道施工安全和稳定性控制。

　　在西线K0+800.7—K0+808.2隧道开挖过程中，地面沉降量最大位置>300mm，拱顶沉降普遍在40mm以上，而且隧道还未收敛稳定，存在较大风险(见图5)。

　　3 6部CRD法隧道开挖支护力学分析

　　基于上述分析，对于大断面的软弱土层，为确保开挖面稳定，在隧道轮廓线外周边分别外扩一定范围进行超前加固，改良土体性质，提高土体自稳性。待周围土层承载力达到设计要求后再掘进，处理方案可选择高压旋喷桩等^[4]。

　　

　　图5 地表沉降曲线  

　　 

　　为评估六部CRD法隧道开挖对地层和隧道结构变形、受力的影响，采用ABAQUS有限元软件，建立如图6所示弹塑性有限元模型对隧道开挖引起的地表沉降、隧道收敛变形等进行有限元模拟分析。

　　

　　图6 有限元模型  

　　 

　　3.1 计算模型建立

　　有限元计算区域范围:隧道纵向取1个循环的长度30m，横向长度为85m，深度方向取50m。采用的本构模型和单元为:(1)混凝土衬砌、临时支撑采用实体单元模拟;(2)锁脚锚管采用锚杆单元模拟;(3)围岩本构关系选用能较好地描述岩土体塑性变形特性的Mohr-Coulomb屈服准则^[5]。数值计算模型如图6所示。

　　地层参数值参照紫之隧道地质勘察报告统计成果(见表1)，支护结构参数如表2所示。

　　  

　　表1 计算参数取值 

　　 

　　 

　　

　　表1 计算参数取值

　　  

　　表2 支护结构参数(弹性模型) 

　　 

　　 

　　

　　表2 支护结构参数(弹性模型)

　　隧道开挖面同样划分为(1),(2),(3),(4),(5),(6)6部分，在1个循环中，从(1)至(6)依次开挖，每部的开挖进度都比前一部分滞后数米(见图7)。

　　

　　图7 隧道开挖步骤 

　　 

　　3.2 计算结果分析

　　根据隧道开挖轮廓线外加固范围的不同，分别计算土体加固范围为1,2,3,4,5m 5种工况。选取地层初衬结构变形、地表沉降、二衬应力的计算结果，分析不同加固厚度范围下隧道开挖稳定性。

　　3.2.1 初衬变形、地表沉降特征分析

　　调取加固土体范围1,2,3,4,5m 5种工况下隧道开挖支护完成后初衬的收敛变形和地表最大沉降曲线，如图8所示。

　　

　　图8 不同加固工况下隧道收敛及沉降最大值  

　　 

　　不同开挖步下初衬收敛变形曲线如图9所示，隧道结构初衬收敛变形、地表沉降汇总如表3所示。

　　

　　图9 不同开挖步下初衬收敛变形曲线  

　　 

　　计算结果表明，当加固范围为3m时将出现变形曲线的拐点，当加固范围继续增大时，隧道衬砌的收敛变形趋势变缓。而不同开挖步下，初衬的收敛值存在差异，当开挖步3施工后，初衬收敛值最大，为本开挖方案时的最不利工况，施工中应加强监测和信息反馈。

　　3.2.2 二衬应力分析

　　调取加固土体范围1,2,3,4,5m 5种工况下隧道二衬施工完成后的隧道应力荷载分布情况。

　　最终状态下，二衬应力荷载云图如图10所示，二衬结构收敛曲线如图11所示。

　　  

　　表3 隧道结构初衬收敛变形、地表沉降汇总 

　　 

　　 

　　cm

　　

　　表3 隧道结构初衬收敛变形、地表沉降汇总

　　

　　图1 0 二衬应力荷载云图  

　　 

　　

　　图1 1 二衬结构收敛曲线  

　　 

　　结合上述分析的地层和地表变形规律，衬砌结构收敛曲线进一步表明加固范围为3m时，隧道结构的变形和受力特征将发生明显改善。

　　4 工程实践应用

　　鉴于前述西线隧道K0+800.7—K0+808.2段原四部CRD法开挖过程中，拱顶沉降及地表沉降数据较大，变形控制不利。依据相关专家意见对里程K0+808.2—K0+818.2范围采用六部CRD法施工，加固体的范围为3m。

　　根据监测数据反馈，施工中初衬收敛变形最大值3.805cm，发生在开挖步3时，如图12所示，变化趋势与数值模拟相近，隧道初支稳定基本可控。但由于开挖分部变多，施工工序时间也相应增加。

　　

　　图1 2 实际收敛变形与计算值比较 

　　 

　　5 结语

　　本文以杭州市紫之隧道工程南口(5)淤泥质粉质黏土层中大断面浅埋暗挖CRD法施工为背景，针对具体施工中出现的沉降变形大进行分析，提出六部优化CRD施工法，并通过数值模拟计算开展预加固土体改良范围对隧道开挖支护及稳定性等方面的分析研究，得到以下主要结论。

　　1)(5)淤泥质粉质黏土层中采用超前大管棚+超前小导管支护和全断面钙塑聚丙烯花管注浆工艺，土体加固改良效果不明显，四部CRD法浅埋暗挖施工断面大，变形控制不利。

　　2)采用六部CRD法开挖方案，减小了各独立开挖断面尺寸，对控制隧道和地层变形较有利。但值得注意的是，在开挖隧道中间(3)部断面施工后，初衬收敛值最大，为本开挖方案的最不利工况，施工中应加强监测。

　　3)当隧道轮廓线外周围土体预加固范围>3m时，开挖后隧道和地层变形趋势变缓，建议隧道周围土体加固范围控制在3m。