摘要：文中基于青岛地铁井嘉暗挖区间风井隧道的施工成果并结合地层结构法理论，利用ANSYS数值模拟软件和项目成本统计成果，对比分析了CRD法步序调整前后对于风井隧道施工安全与效益的影响。分析结果表明，CRD法步序由“I-II-III-IV”调整为“I-III-II-IV”后隧道支护结构受力、拱顶沉降和地表沉降均能保证安全施工需求，采用调整后的施工步序显著提高了施工效率，取得了良好的社会经济效益。
关键词：步序调整；数值模拟；方案优化；效益分析
1 工程概况
井嘉区间风井隧道深度约42.3m, 风井井口距离海边约78m，采用锚喷支护结构，横通道为马蹄形断面，开挖跨度14.7m，高14.67m，断面净空面积达193m2,设计采用CRD法施工。隧道洞身全部位于微风化花岗岩地质层中，洞顶覆盖地质层自下往上分别为：微风化花岗斑岩、中风化花岗斑岩、强风化闪长岩、粉质粘土、粗砂、淤泥质粉质粘土、含淤泥粉细砂、回填土，其中微风化岩层位于地质破碎带附近，裂隙发育，裂隙水与唐岛湾水域之间存在补给关系，施工中控制措施不当很容易导致开挖面在侧土压力和水压力共同作用下发生失稳。同时，隧道埋深范围内分布着通信、电力、给排水、燃气等多条市政管线，场地毗邻漓江西路交通要道，施工风险源多，施工中对于隧道地表沉降控制要求严格。
井嘉区间风井隧道原设计CRD法开挖断面分为四个分部，遵循左上（I）、左下(II)、右上(III)、右下(IV)的施工步序，施工时先完成竖井施工，而后破除马头门进行风井隧道施工，而按照常规CRD法施工步序开挖隧道时，形成的上、下作业面高差达7米多，由高落差施工产生的困难导致安全、进度和成本控制均面临严峻考验。综合考虑设计和施工风险后，风井隧道施工时通过转变各个分部开挖顺序，使整个断面形成上、下四个分部按照“I-III-II-IV”步序分别进行开挖，先开挖上部两分部，再开挖下部两分部，形成同一高度上的施工作业面。本文基于井嘉区间风井隧道CRD法步序调整的实际需求，运用数值模拟工具对比分析步序调整前后隧道变形和结构受力的变化情况，同时结合调整步序后经济效益分析，研究采用“I-III-II-IV”施工步序时风井隧道施工的安全性和实用性。
2 步序调整前后隧道施工数值模拟对比分析
2.1 计算方案及围岩参数选取
采用ANSYS通用有限元软件，按照地层结构法分别建立模拟“I-II-III-IV”步序和“I-III-II-IV”步序施工的模型（见图1），模型几何尺寸定义为深度取隧道底标高以下3倍洞高位置至地表处，长度取隧道开挖两端面各外延3倍洞跨后总长，宽度取隧道两边各3倍洞跨处总长。模型边界定义为侧面约束水平变形，底面约束竖向变形。建立的两种施工步序模型初始条件相同，均为自重应力场下的开挖效应模拟，施工时，单个循环开挖进尺为2.5m，各分部开挖掌子面间距为10-15m。隧道周边围岩、初支结构采用弹塑性本构模型进行表述，围岩工作状态采用D-P准则检验，锚杆采用杆单元模拟，初支格栅钢架和喷射混凝土按照等效原则将弹性模量折合成统一的初支弹性模量采用板单元模拟。初支结构容重为25KN?m3，弹性模量为28GPa，泊松比为0.2，围岩物理力学参数取值见表1所示。
表1 现场实测围岩物理力学参数表
图1 风井隧道CRD法分部开挖数值模型
2.2 步序调整前后典型开挖断面的受力分析
选取竖井转入风井隧道处作为典型开挖断面分析对象，对不同开挖状态下的洞身受力状态进行分析，通过揭示CRD法步序调整前、后隧道支护结构的内力演变规律，来判断调整步序后的CRD法施工工艺是否会影响洞身开挖时周边围岩的稳定性。施工步序调整前后典型断面支护结构受力的计算结果见下图2～5所示。
从上图2~5和表2中揭示的支护结构内力分布来看，在特定围岩条件下，两种方法下产生的支护结构内力差异性不大，都能保证施工时围岩足够安全。从采用常规步序CRD法计算得出的弯矩分布图中可以看出，水平中隔壁和竖向中隔壁底部受到的弯矩值最大，从采用步序调整后的CRD法施工计算得出的弯矩分布图中可以看出，弯矩最大区域同样位于水平中隔壁上。常规步序CRD法的中隔壁，其上台阶洞室失去下部岩体支撑，施工时受到附加施工荷载的影响，中隔壁受到的弯矩作用会增加，而步序调整后的CRD法受到的弯矩作用主要是竖向中隔壁支撑轴力作用于水平中隔壁上产生的，虽然有下部岩体的支撑，但这个部位仍然是施工中控制的安全重点。
2.3 步序调整前后隧道拱顶沉降、地表沉降分析
分别提取距马头门位置2.5m、10m、20m、30m、40m处横断面拱顶沉降计算结果绘制沉降时程曲线，选取隧道中心线对应的地表沉降计算值进行分析,具体拱顶沉降和地表沉降分析点布置情况见图6所示。
图6 拱顶沉降和地表沉降分析点布置图
（1）拱顶沉降分析
风井隧道施工中由各施工步所引起的拱顶沉降时程曲线见图7、图8。图7为常规CRD施工步序隧道拱顶沉降随施工步变化的时程曲线，从图中可以看出拱顶沉降呈现两端小中间大的趋势，这主要是由于隧道两端竖井约束和端墙支撑导致的，“I-II-III-IV”步序施工时，隧道拱顶沉降持续增加，沉降最大值为20.73mm，位于隧道中部GDC03处。图8为步序调整后隧道拱顶沉降随施工步变化的时程曲线，从图中可以看出，沉降最大值为17.16mm，同样位于隧道中部，其拱顶沉降曲线在I、III部施工完成后趋于稳定，II、IV部的开挖导致其沉降陡然增加，但增幅仍然小于3mm/d的要求。通过对比图7和图8发现，常规步序和调整后的步序拱顶沉降规律大致相同，隧道周边围岩荷载释导致的拱顶会在持续开挖2-3步后趋于平稳，曲线反弯点的出现均是由于临近分部开挖导致沉降增加产生的，采用调整后的步序施工拱顶沉降较小，两种步序施工导致的拱顶沉降均满足不大于25mm的限值要求。
图7 常规步序CRD工法施工拱顶沉降时程曲线
图8 步序调整后CRD工法施工拱顶沉降时程曲线
（2）地表沉降
图9为步序调整后的地表沉降曲线，从图中可以看出地表沉降受拱顶沉降的影响表现出隧道中部沉降大、隧道两端沉降小的趋势，I、III分部开挖产生的地表沉降值较大，II、VI分部开挖时地表沉降值较小，最大沉降值为21.3mm，位于隧道中部区域地表，小于地表沉降控制值30mm。通过对地表沉降点DBC01~05在每个分部开挖完成后的沉降值进行统计分析（见表3所示），发现I、III分部开挖导致的地表沉降占整个沉降值的65%~80%，其产生的地表沉降远大于II、VI分部开挖的影响。
图9 步序调整后地表沉降曲线
表3 步序调整后各分部施工产生的地表沉降
3 步序调整后CRD法施工工艺效益分析
采用常规步序CRD法开挖I分部，首先要考虑施工过程中的垂直运输所增加的时间及人工，总结下来分为以下五个部分：钻孔前钻爆台架从竖井底部吊运至I部中隔壁上，并且进行人工拼装（考虑拆卸安装方便采用拼装台架）；炸药安装完成后，避免台架及施工机具被炸毁，需要拆卸吊运至竖井底；爆破后，石渣需要先行卸落至竖井底部，然后再通过龙门吊提升至竖井外；拱架、钢筋网、电焊机等小机具需要从竖井底部吊运至I分部；喷射混凝土料需要通过吊运，才能到达I部工作面。表是根据风井隧道施工人员和机械配置需求，制定的两种工法的工序时间及用工数量统计。
表4 步序调整后CRD法施工I分部每循环工效统计
表5 常规步序CRD法施工I分部每循环工效统计
⑴根据以上表4、表5对比发现每循环步序调整后的CRD工法较常规步序CRD工法每循环用时减少11个小时，考虑到施工中遇到的其它影响，步序调整后的CRD工法能够达到一天一个循环进尺；常规步序CRD工法可以保证两天一个循环进尺。按照每循环进尺2.5m计算，步序调整后的CRD工法施工完整个风井隧道I分部用时为34天，常规步序CRD工法用时为68天，
⑵步序调整后的CRD工法较常规步序CRD工法每循环所用人工减少22人，1部、3部共计50个循环，共节省人工：22*50=1100（工），按照每个人工日平均工资200元计算，共节省人工费：1100*200=22万元。
⑶常规步序CRD工法需要增加两套洞内垂直提升设备及一台装载机负责洞内渣土的二次倒运；每套提升设备按照2万元计算，装载机按照租赁台班每月1.5万元计算，调整步序后可节约资金为：2*2+1.2*2=7万元。
4 结论
通过三维地层结构有限元模型和施工工效统计，分析了CRD工法步序调整前后隧道支护结构受力和围岩变形规律，对比了两种工法下的直接经济效益情况，得出以下结论：
（1）通过调整CRD法施工步序，避免上下台阶交叉施工，使施工作业面保持在同一高度上，上台阶左、右两洞室可以借助作业面的便利快速组织施工，工序交接与劳动作业效率大大提升，经济效益明显。
（2）步序调整前后的CRD工法均能满足隧道安全施工要求，CRD工法步序调整后，拱顶沉降变小，对于控制洞身围岩变形较为有利。采用调整步序后的CRD工法时，下台阶左、右两分部可以承担和传递上台阶两个洞室作业时产生的各种施工荷载，减少水平中隔壁受到施工荷载时产生的变形，有利于控制拱顶沉降和净空收敛。
（3）隧道周边围岩应力释放是一个持续过程，文中计算结果表明采用2.5m的循环进尺，需要持续开挖2~3施工步后围岩变形才趋于稳定，因此建议隧道各分部开挖完成后及时封闭支护结构并加强沉降监测。
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论文作者:常东明,贺亮
论文发表刊物:《防护工程》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/28
标签：隧道论文; 拱顶论文; 地表论文; 围岩论文; 分部论文; 工法论文; 竖井论文; 《防护工程》2018年第2期论文;