谷拴成+黃榮賓

建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)2014年文章編號(hào)：16732049(2014)01011109

收稿日期：20140122

基金項(xiàng)目：陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目（2013JK0961）

作者簡(jiǎn)介：谷拴成（1963），男，陜西扶風(fēng)人，教授，博士研究生導(dǎo)師，工學(xué)博士

摘要：以西安地鐵三號(hào)線太白南路—吉祥村暗挖區(qū)間隧道工程為依托，采用臺(tái)階法和交叉中隔墻法（CRD法）對(duì)隧道施工時(shí)的圍巖變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸處理，應(yīng)用FLAC3D軟件對(duì)2種施工方法進(jìn)行模擬分析，系統(tǒng)研究了2種開(kāi)挖方法的隧道圍巖變形規(guī)律。研究結(jié)果表明：采用CRD法能夠有效控制拱頂沉降及水平收斂量，減小施工對(duì)圍巖的擾動(dòng)程度，對(duì)于保持軟弱圍巖的自持能力及穩(wěn)定性有明顯作用；在進(jìn)行西安地鐵隧道施工時(shí)，應(yīng)采用臺(tái)階法實(shí)現(xiàn)隧道的快速開(kāi)挖，而對(duì)于地層條件復(fù)雜或施工要求較高的區(qū)段建議選擇CRD法進(jìn)行施工，以便更好地控制圍巖變形，保持圍巖穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：隧道工程；地鐵隧道；臺(tái)階法；CRD法；變形監(jiān)測(cè)；變形規(guī)律

中圖分類號(hào)：TU443文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Influence of Subway Construction by CRD Method and

Bench Method on Surrounding Rock DeformationGU Shuancheng, HUANG Rongbin

（School of Architecture and Civil Engineering, Xian University of Science and Technology,

Xian 710054, Shaanxi, China）Abstract: Authors studied the tunnel deformation of South Taibai Road—Auspicious Village Tunnel for Xian Metro Line Three during constructed by using bench method and cross diaphragm method (CRD method) through the realtime monitoring and the regression on the data and the simulation analysis of both methods by FLAC3D software. Meanwhile, the change law of surrounding rock deformation of the two excavation method was systematicall studied. Research results show that in Xian Metro tunnel construction, the CRD method can effectively control the vault crown settlement and horizontal convergence, effectively reduce the disturbance degree of construction to the surrounding rock, and has the obvious effect to maintain the selfsustaining capability and the stability of soft surrounding rock. In Xian Metro tunnel construction, fast excavation in tunnel by bench method is achieved, and it is recommended to choose the CRD method for the construction in complex geological conditions and construction higher requirements, so as to control the deformation of surrounding rock better and maintain the stability of surrounding rock.

Key words: tunnel engineering; subway tunnel; bench method; CRD method; deformation monitoring; deformation law

0引言

在中國(guó)的地鐵隧道施工中，淺埋暗挖法是常見(jiàn)的施工方法之一，其原理是利用土層在開(kāi)挖過(guò)程中短時(shí)間的自穩(wěn)能力，采取適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)措施，使圍巖或土層表面形成密貼型薄壁支護(hù)結(jié)構(gòu)的不開(kāi)槽施工方法［13］。目前,利用礦山法進(jìn)行城市地鐵修建的開(kāi)挖方法包括中壁法、雙側(cè)導(dǎo)坑開(kāi)挖法、臺(tái)階法等。不同施工方法的適應(yīng)條件是不同的，在具體選擇地鐵施工方法時(shí)，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、隧道斷面及埋深、周?chē)h(huán)境條件及工程要求等綜合考慮［47］。由于施工方法的差異，在開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)圍巖的影響程度及特點(diǎn)是不同的，通過(guò)對(duì)不同施工方法下的圍巖變形特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，可以探究不同施工方法在特定環(huán)境下的優(yōu)劣，為施工方法的選擇提供依據(jù)［89］。

西安市地鐵三號(hào)線太白南路—吉祥村暗挖區(qū)間隧道斷面設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式共分為4種，針對(duì)不同的斷面形式分別采用臺(tái)階法和交叉中隔墻法(CRD法)進(jìn)行施工。本文中筆者對(duì)西安地鐵三號(hào)線2種施工方法下的圍巖變形特點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸處理，應(yīng)用FLAC3D對(duì)2種施工方法進(jìn)行隧道開(kāi)挖過(guò)程模擬。通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)了應(yīng)用臺(tái)階法和CRD法進(jìn)行地鐵隧道施工的圍巖變形規(guī)律及特點(diǎn)。

1工程概況

西安市地鐵三號(hào)線太白南路站—吉祥村站區(qū)間，右線起訖樁號(hào)為YDK18+658.726～YDK20+107.867，右線全長(zhǎng)1 449.141 m，左線起訖樁號(hào)為ZDK18+658.726～ZDK20+107.867，左線短鏈7.767 m，左線全長(zhǎng)為1 441.465 m。該區(qū)間地面標(biāo)高408.75~410.75m，全段東高西低，高差為2.00 m。該區(qū)間跨越2個(gè)地貌單元，分別為皂河一級(jí)階地和黃土洼地，其地貌單元分界線位于永松路與吉祥路十字東約190 m，位于設(shè)計(jì)里程YDK19+473附近。該區(qū)間隧道通過(guò)地段巖性復(fù)雜，地層以新黃土、古土壤、粉土和細(xì)砂、粗砂層為主，主要地層分布見(jiàn)表1。場(chǎng)地地下水屬潛水類型，穩(wěn)定水位埋深9.69～12.60 m，相應(yīng)標(biāo)高396.28～399.57 m，高差達(dá)3.29 m，東高西低，地下水流向?yàn)樽员毕蛭?，隧道洞身多在地下水位以下及其附近，受地下水的影響較大。

隧道斷面結(jié)構(gòu)形式共分為：標(biāo)準(zhǔn)斷面、地裂縫設(shè)

表1地層分布

Tab.1Stratigraphic Distributions地層厚度/m特征素填土0.80～3.80粉質(zhì)粘土為主，局部含少量磚塊、碎石，稍濕，稍密狀態(tài)黃土狀土2.00～8.70大孔隙發(fā)育，見(jiàn)蟲(chóng)孔及蝸牛殼碎片，可見(jiàn)紅色氧化鐵薄膜，屬中壓縮性土細(xì)砂2.60～8.50級(jí)配不良，主要成分為石英、長(zhǎng)石，水位以上呈稍濕—潮濕狀態(tài)，水位以下呈飽和狀態(tài)，密實(shí)新黃土8.10～13.60見(jiàn)針狀空隙，可塑狀態(tài)，屬中壓縮性土，具有濕陷性古土壤1.90～5.80土質(zhì)較均勻，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，大孔隙發(fā)育，有針孔、蟲(chóng)孔，見(jiàn)白色鈣質(zhì)薄膜及鈣質(zhì)結(jié)核防斷面、地裂縫調(diào)坡斷面、人防段斷面。標(biāo)準(zhǔn)單線隧道斷面及地裂縫調(diào)坡斷面采用臺(tái)階開(kāi)挖法；地裂縫設(shè)防斷面及人防段斷面采用CRD法施工。本文中以右線YDK19+875.986及YDK19+970.986典型監(jiān)測(cè)斷面為例，分別對(duì)CRD法和臺(tái)階法引起的圍巖變形規(guī)律進(jìn)行研究。CRD法和臺(tái)階法施工監(jiān)測(cè)斷面位置平面如圖1所示。

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圖1斷面位置平面

Fig.1Section Arrangement Plane2監(jiān)測(cè)方案

利用JSS30A型數(shù)顯收斂?jī)x進(jìn)行圍巖變形監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的內(nèi)容主要包括拱頂沉降量測(cè)與凈空水平收斂量測(cè)。針對(duì)臺(tái)階法與CRD法不同的施工特點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。由于架設(shè)臨時(shí)橫支撐，凈空水平收斂設(shè)置2條測(cè)線，分別為AB線與CD線；在進(jìn)行拱頂沉降監(jiān)測(cè)時(shí)，依據(jù)三角形測(cè)量原理對(duì)拱頂沉降進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，拱頂沉降量測(cè)與凈空水平收斂量測(cè)的監(jiān)測(cè)工作應(yīng)在同一斷面內(nèi)進(jìn)行,并用相同的量測(cè)頻率，圍巖變形監(jiān)測(cè)頻率如表2所示。

圖2臺(tái)階法和CRD法測(cè)點(diǎn)布置

Fig.2Layouts of Bench Method and

CRD Method Observation Points表2圍巖變形監(jiān)測(cè)頻率

Tab.2Surrounding Rock Deformation

Monitoring Frequencies變形速度/(mm·d-1)量測(cè)斷面距開(kāi)挖工作面距離監(jiān)測(cè)頻率≥5.0<1L2次·d-11.0~5.01L~2L1次·d-10.2~0.52L~5L1次·（2d）-1<0.2>5L1次·周-1注：L為隧道開(kāi)挖寬度。3隧道施工過(guò)程數(shù)值模擬

為了研究在隧道開(kāi)挖過(guò)程中利用臺(tái)階法與CRD法對(duì)隧道圍巖變形的影響特點(diǎn)，本文中利用FLAC3D軟件對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行模擬分析。

采用短臺(tái)階法開(kāi)挖的斷面，上半斷面施工時(shí)保留核心土，以發(fā)揮掌子面三維支撐作用，保證掌子面穩(wěn)定，開(kāi)挖采用人工開(kāi)挖，臺(tái)階長(zhǎng)度為3.6 m，鋼拱架間距為0.6 m。開(kāi)挖后，及時(shí)施做初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)，以便盡早封閉斷面，具體施工步驟為：小導(dǎo)管超前注漿—上臺(tái)階開(kāi)挖留核心土—上臺(tái)階初期支護(hù)—下部開(kāi)挖—下部初期支護(hù)—施工防水層—仰拱先行；先墻后拱法施工二次鋼筋混凝土襯砌。

采用CRD法進(jìn)行隧道開(kāi)挖的工序見(jiàn)圖3，具體步驟為：①拱部超前小導(dǎo)管預(yù)注漿，分部開(kāi)挖左側(cè)導(dǎo)坑第1部分土體，架設(shè)臨時(shí)仰拱，施做初期支護(hù)；圖3CRD法施工工序

Fig.3Construction Sequence of CRD Method②開(kāi)挖第2部分土體，施做初期支護(hù)；③拱部超前小導(dǎo)管預(yù)注漿，分部開(kāi)挖右側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階第3部分土體，架設(shè)臨時(shí)仰拱，施做初期支護(hù)；④開(kāi)挖第4部分土體，施做初期支護(hù)。

本文中利用FLAC3D對(duì)臺(tái)階法和CRD法的隧道開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行模擬。為了研究2種方法對(duì)圍巖變形不同的影響特點(diǎn)，兩者建立的模型相似，模型長(zhǎng)為100 m，寬為100.8 m，高為61.8 m，模型如圖4所示。模擬開(kāi)挖按照實(shí)際的施工工序進(jìn)行，同時(shí)按照實(shí)際的支護(hù)方法進(jìn)行模擬，其中，1個(gè)循環(huán)的施工進(jìn)尺為1.8 m，鋼拱架的間距為0.6 m，上臺(tái)階寬度為3.6 m。在各自的模擬過(guò)程中分別設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別為拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)、左拱腰水平收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)、右拱腰水平收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)整體的圍巖變形進(jìn)行分析研究。

圖4臺(tái)階法和CRD法施工模型

Fig.4Models of Bench Method and

CRD Method Construction4圍巖變形實(shí)測(cè)及模擬分析

隧道的拱頂沉降及水平收斂是隧道圍巖變形的最直接反映，為判斷隧道空間的穩(wěn)定性提供可靠的信息［1015］。隧道施工過(guò)程中，應(yīng)在設(shè)計(jì)斷面及時(shí)布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得到拱頂沉降隨時(shí)間的變化規(guī)律。在進(jìn)行拱頂沉降規(guī)律分析時(shí)，同時(shí)借助FLAC3D軟件對(duì)整個(gè)施工過(guò)程進(jìn)行模擬。通過(guò)2種分析途徑的對(duì)比驗(yàn)證，進(jìn)一步研究采用臺(tái)階法與CRD法2種施工方法的圍巖變形規(guī)律。

4.1實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)回歸分析

對(duì)隧道進(jìn)行每次沉降量或收斂量觀測(cè)后，應(yīng)對(duì)各量測(cè)斷面內(nèi)每條測(cè)線分別進(jìn)行回歸分析，求出各自回歸精度最高的收斂時(shí)間或沉降時(shí)間回歸方程，以此進(jìn)一步研究圍巖變形特點(diǎn)，掌握變形規(guī)律。

在對(duì)臺(tái)階法拱頂沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線與標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)曲線相關(guān)程度，確定出最優(yōu)的回歸曲線函數(shù)形式。常用的回歸曲線為指數(shù)函數(shù)，其表達(dá)式為

u=ceb/t(1)

式中：u為拱頂沉降量；t為時(shí)間；c，b均為待定系數(shù)。

對(duì)式(1)進(jìn)行函數(shù)變換，則有

ln(u)=ln(c)+b/t(2)

令y=ln(u)，x=1/t，待定系數(shù)a=ln(c)，則式(2)化簡(jiǎn)為

y=a+bx(3)

利用一元線性回歸分析法求解待定系數(shù)a，b，求解過(guò)程如下

Sxx=x2i-(xi)2/n=1.182

Syy=y2i-(yi)2/n=9.289

Sxy=xiyi-xiyi/n=-3.207

式中：Sxx，Sxy，Syy均為中間計(jì)算變量。

從而可以計(jì)算得到待定系數(shù)b

b=Sxy/Sxx=-2.713

將求得的b值代入式(3)中，可得

a=-b=3.266

從而式(3)變?yōu)?/p>

y=3.266-2.713x

即拱頂沉降回歸曲線方程為

u=26.198e-2.713/t(4)

計(jì)算回歸曲線的剩余標(biāo)準(zhǔn)差S

S=1n-2(yi-)2=0.123

計(jì)算線性相關(guān)系數(shù)r

r=SxySxxSyy=0.966

由此可知，所得的回歸曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性及準(zhǔn)確性較好，能夠較準(zhǔn)確地反映出拱頂沉降的變化趨勢(shì)。臺(tái)階法拱頂沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的回歸分析中的數(shù)據(jù)處理結(jié)果見(jiàn)表3。其他實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程與上述類似，本文中不再贅述。各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)回歸分析結(jié)果見(jiàn)表4。表3回歸分析數(shù)據(jù)處理結(jié)果

Tab.3Data Processing Results of Regression Analysis測(cè)量時(shí)間t/d拱頂沉降量實(shí)測(cè)值u/mmy=ln(u)x=1/ty2x2xy回歸值yi(u-yi)212.620.9631.0000.9281.0000.9630.5520.16924.751.5580.5002.4280.2500.7791.9090.12337.912.0680.3334.2770.1110.6892.3610.086410.242.3260.2505.4120.0630.5822.5870.068511.862.4730.2006.1170.0400.4952.7230.062613.872.6300.1676.9150.0280.4382.8130.034716.252.7880.1437.7730.0200.3982.8780.008817.522.8630.1258.1990.0160.3582.9260.004919.102.9500.1118.7010.0120.3282.9640.0001019.242.9570.1008.7440.0100.2962.9940.0011119.822.9870.0918.9200.0080.2723.0190.0011220.283.0100.0839.0580.0070.2513.0400.0011321.253.0560.0779.3410.0060.2353.0570.000續(xù)表1測(cè)量時(shí)間t/d拱頂沉降量實(shí)測(cè)值u/mmy=ln(u)x=1/ty2x2xy回歸值yi(u-yi)21422.423.1100.0719.6720.0050.2223.0720.0011522.633.1190.0679.7300.0040.2083.0850.0011622.613.1180.0639.7240.0040.1953.0960.0001723.653.1630.05910.0070.0030.1863.1060.0031823.693.1650.05610.0180.0030.1763.1150.0031924.483.1980.05310.2260.0030.1683.1230.0062024.813.2110.05010.3120.0030.1613.1300.0072124.793.2100.04810.3070.0020.1533.1360.0052224.803.2110.04510.3100.0020.1463.1420.0052324.743.2080.04310.2940.0020.1393.1480.0042425.063.2210.04210.3770.0020.1343.1530.0052525.093.2220.04010.3840.0020.1293.1570.0042624.813.2110.03810.3120.0010.1243.1610.0022725.033.2200.03710.3690.0010.1193.1650.0032825.013.2190.03610.3640.0010.1153.1690.0032925.023.2200.03410.3660.0010.1113.1720.0023025.013.2190.03310.3640.0010.1073.1750.0023124.983.2180.03210.3560.0010.1043.1780.0023225.223.2280.03110.4180.0010.1013.1810.0023325.013.2190.03010.3640.0010.0983.1830.0013425.143.2240.02910.3970.0010.0953.1860.0013524.933.2160.02910.3430.0010.0923.1880.0013625.063.2210.02810.3770.0010.0893.1900.0013724.823.2120.02710.3150.0010.0873.1920.0003824.873.2140.02610.3280.0010.0853.1940.0003924.913.2150.02610.3380.0010.0823.1960.0004024.643.2040.02510.2680.0010.0803.1980.0004124.663.2050.02410.2730.0010.0783.1990.0004225.023.2200.02410.3660.0010.0773.2010.0004324.913.2150.02310.3380.0010.0753.2030.000加和922.530128.6214.350394.0541.6229.805128.6210.624表4監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)回歸分析結(jié)果

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Tab.4Results of Regression Analysis of Monitoring Data施工方法監(jiān)測(cè)項(xiàng)目回歸曲線方程Sr臺(tái)階法拱頂沉降u=26.198e-2.713/t0.1230.966上測(cè)線水平收斂v=14.500e-2.622/t0.1170.942CRD法下測(cè)線水平收斂v=11.554e-3.780/t0.1410.947拱頂沉降u=19.085e-2.454/t0.1930.958上測(cè)線水平收斂v=10.963e-2.200/t0.1440.9334.2拱頂沉降分析

在隧道開(kāi)挖到設(shè)定監(jiān)測(cè)斷面位置時(shí)，及時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置，并隨著掌子面推進(jìn)進(jìn)行收斂監(jiān)測(cè)，通過(guò)引用2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面中E點(diǎn)的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖5，6分別為2種施工方法進(jìn)行隧道施工時(shí)拱頂沉降量及拱頂沉降速率的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，F(xiàn)LAC3D模擬所得的拱頂沉降及水平收斂的計(jì)算結(jié)果如圖7，8所示。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，應(yīng)用臺(tái)階法及CRD法進(jìn)行隧道施工時(shí)的拱頂沉降有以下特點(diǎn)：

圖5拱頂沉降量

Fig.5Vault Settlements圖6拱頂沉降速率

Fig.6Rates of Vault Settlement圖7模擬臺(tái)階法施工收斂變化曲線

Fig.7Convergence Change Curves of Bench Method

Construction by Simulation圖8模擬CRD法施工收斂變化曲線

Fig.8Convergence Change Curves of CRD Method

Construction by Simulation（1）拱頂沉降趨于穩(wěn)定前曲線大致可分為快速增長(zhǎng)和緩慢增長(zhǎng)2個(gè)階段，相應(yīng)的拱頂沉降速率變化曲線總體上逐漸減小，但都同時(shí)伴隨著一定的波動(dòng)。同時(shí)，由圖7可以看出，隨著上臺(tái)階的開(kāi)挖，隧道圍巖同時(shí)發(fā)生明顯拱頂沉降。當(dāng)進(jìn)行下臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，圍巖變形速率明顯變大，這是由于隨著掌子面的開(kāi)挖，裸露土體不斷變大，加大了對(duì)土體的擾動(dòng)，使得圍巖變形速率變大。通過(guò)對(duì)圖8中的分析亦能得出類似結(jié)論，此處不再贅述。

（2）利用2種施工方法進(jìn)行施工時(shí)，拱頂沉降的不同發(fā)展階段持續(xù)時(shí)間有所不同。在利用臺(tái)階法進(jìn)行施工時(shí)，快速增長(zhǎng)階段持續(xù)時(shí)間約為10 d，經(jīng)過(guò)快速增長(zhǎng)之后，接下來(lái)的13 d拱頂沉降進(jìn)入緩慢增長(zhǎng)階段，測(cè)點(diǎn)埋設(shè)23 d后拱頂沉降變化趨于穩(wěn)定；利用CRD法進(jìn)行施工時(shí)，快速增長(zhǎng)階段持續(xù)時(shí)間約為7 d，第8~17 d進(jìn)入緩慢增長(zhǎng)階段，測(cè)點(diǎn)埋設(shè)17 d后拱頂沉降變化趨于穩(wěn)定。

（3）利用2種施工方法進(jìn)行施工時(shí)，拱頂沉降在不同發(fā)展階段的沉降幅度及速率不同。由圖5，6可以看出：在利用臺(tái)階法進(jìn)行施工時(shí)，快速增長(zhǎng)階段平均沉降速率為2.18 mm·d-1，最大速率達(dá)到了3.15 mm·d-1，緩慢增長(zhǎng)階段平均沉降速率約為0.42 mm·d-1，總沉降量約為24.76 mm；在利用CRD法進(jìn)行施工時(shí)，快速增長(zhǎng)階段平均沉降速率為1.57 mm·d-1，最大速率為2.12 mm·d-1，緩慢增長(zhǎng)階段平均沉降速率約為0.43 mm·d-1，總沉降量約為18.32 mm。同時(shí)由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用CRD法與臺(tái)階法進(jìn)行隧道施工時(shí)，拱頂沉降速率會(huì)出現(xiàn)周期性變化，這是由于應(yīng)用2種施工方法施工過(guò)程中不同的施工工序?qū)绊敵两档挠绊懗潭扔兴煌瑢?dǎo)致的。由圖7，8可以看出，利用FLAC3D進(jìn)行模擬分析所得兩者的拱頂最大沉降量分別為19.24，12.76 mm。

通過(guò)對(duì)比分析可以看出，在整個(gè)圍巖變形過(guò)程中CRD法施工所引起的拱頂沉降量比臺(tái)階法小約26%，而且CRD法施工的拱頂沉降速率及各個(gè)變形階段持續(xù)時(shí)間都較小，這說(shuō)明CRD法進(jìn)行隧道施工引起的拱頂擾動(dòng)程度較弱，受擾動(dòng)后的圍巖能夠更快地進(jìn)入穩(wěn)定階段。

4.3水平收斂分析

隨著隧道施工對(duì)水平收斂進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以反映圍巖變形的主要規(guī)律，由于現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，無(wú)法對(duì)拱腰位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而是采用雙測(cè)線法進(jìn)行水平收斂的監(jiān)測(cè)，圖9~12分別為采用2種施工方法進(jìn)行隧道施工時(shí)上測(cè)線及下測(cè)線的水平收斂量及收斂速率的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析，應(yīng)用臺(tái)階法及CRD法進(jìn)行隧道施工時(shí)的水平收斂有以下特點(diǎn)：

圖9上測(cè)線水平收斂量

Fig.9Upper Observation Line Horizontal Convergence圖10上測(cè)線水平收斂速率

Fig.10Rates of Upper Observation Line

Horizontal Convergence圖11下測(cè)線水平收斂量

Fig.11Lower Observation Line Horizontal Convergence圖12下測(cè)線水平收斂速率

Fig.12Rates of Lower Observation Line

Horizontal Convergence（1）從圖9，11可以看出，采用臺(tái)階法及CRD法進(jìn)行隧道施工所引起的水平收斂變化趨勢(shì)與拱頂沉降變化趨勢(shì)大致相同，即總體表現(xiàn)為先急劇收斂后逐漸變緩，最后趨于穩(wěn)定。通過(guò)分析圖7，8，同樣可以看出，水平收斂會(huì)隨著開(kāi)挖階段的不同而發(fā)生有規(guī)律的變化。

（2）采用2種施工方法進(jìn)行施工時(shí)，水平收斂量不同發(fā)展階段持續(xù)時(shí)間不同。臺(tái)階法施工段上測(cè)線的水平收斂量急劇收斂階段持續(xù)時(shí)間為13 d，在28 d之后，隧道的水平收斂趨于穩(wěn)定；CRD法施工段上測(cè)線的水平收斂量急劇收斂階段持續(xù)時(shí)間為8 d，在22 d之后，隧道的水平收斂趨于穩(wěn)定。

（3）利用2種施工方法進(jìn)行施工時(shí)，拱頂沉降在不同發(fā)展階段的收斂幅度及速率不同。由圖9~12可以看出：臺(tái)階法施工段上測(cè)線的急劇收斂階段最大收斂速率為1.31 mm·d-1，平均收斂速率為0.59 mm·d-1，累計(jì)收斂量為16.51 mm；臺(tái)階法施工段下測(cè)線與上測(cè)線所表現(xiàn)的收斂趨勢(shì)大體相同，但是累計(jì)收斂量為12.23 mm，平均收斂速率為0.43 mm·d-1。CRD法施工段上測(cè)線整個(gè)收斂過(guò)程最大收斂速率為1.05 mm·d-1，平均收斂速率為0.52 mm·d-1，累計(jì)收斂量為11.45 mm；CRD法施工段下測(cè)線與上測(cè)線所表現(xiàn)的收斂趨勢(shì)大體相同，但是累計(jì)收斂量為7.83 mm，平均收斂速率為0.35 mm·d-1。同時(shí)由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用CRD法及臺(tái)階法進(jìn)行隧道施工時(shí)，水平收斂速率會(huì)出現(xiàn)周期性變化，這是由于應(yīng)用2種施工方法施工過(guò)程中不同的施工工序?qū)把鼉蓚?cè)的影響程度有所不同所導(dǎo)致的。圖7，8中顯示的利用FLAC3D進(jìn)行模擬分析所得兩者的最大水平收斂量分別為9.34，5.28 mm。在臺(tái)階法施工過(guò)程中，由于采取沿隧道中軸線對(duì)稱施工，左拱腰與右拱腰測(cè)點(diǎn)的水平收斂變化趨勢(shì)與幅度是相同的，而利用CRD法進(jìn)行隧道施工時(shí)，由于采取開(kāi)挖左側(cè)上部土體—開(kāi)挖左側(cè)下部土體—開(kāi)挖右側(cè)上部土體—開(kāi)挖右側(cè)下部土體的施工工序，使得左右拱腰的水平收斂量不同，變化趨勢(shì)也有所差異。

通過(guò)上述對(duì)比分析可知，在開(kāi)挖過(guò)程中CRD法所引起的水平收斂量比臺(tái)階法減小約39%。而且由于沉降速率及各個(gè)變形階段持續(xù)時(shí)間都較小，這說(shuō)明CRD法進(jìn)行隧道施工更有利于保持圍巖的穩(wěn)定性。

4.4圍巖位移場(chǎng)模擬分析

為了進(jìn)一步比較分析臺(tái)階法與CRD法對(duì)隧道圍巖的影響，利用FLAC3D對(duì)兩者開(kāi)挖的圍巖位移場(chǎng)進(jìn)行分析，豎向和橫向位移云圖見(jiàn)圖13，14。

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圖13圍巖豎向位移云圖(單位:mm)

Fig.13Contours of zdisplacement of

Surrounding Rock (Unit:mm)圖14圍巖橫向位移云圖(單位:mm)

Fig.14Contours of xdisplacement of

Surrounding Rock (Unit:mm)由圖13可知，當(dāng)采用臺(tái)階法進(jìn)行隧道施工時(shí)圍巖豎向位移沿隧道中軸線對(duì)稱分布，隧道最大沉降發(fā)生在頂部位置，其最大沉降量為19.24 mm，同時(shí)，底部位置出現(xiàn)大范圍的隆起現(xiàn)象，最大隆起位移為1.97 mm。圖13（b）中采用CRD法施工圍巖豎向位移最大值為17.06 mm，發(fā)生在拱頂偏右位置，隧道底部存在兩處明顯隆起，位置在中部，沿隧道軸線對(duì)稱，最大隆起值為1.05 mm。由圖13還可知，與CRD法進(jìn)行隧道施工相比，利用臺(tái)階法引起的豎向位移分布較分散，且整體沉降幅度較大，此外利用臺(tái)階法施工所引起的底部隆起范圍較大。

由圖14（a）可以看出，當(dāng)采用臺(tái)階法進(jìn)行隧道施工時(shí)圍巖橫向位移沿隧道中軸線對(duì)稱分布，隧道最大橫向位移發(fā)生在拱腰位置，其最大值為4.67 mm，即最大水平收斂量為9.34 mm。圖14（b）中采用CRD法施工時(shí)圍巖橫向位移最大值為3.47 mm，發(fā)生在右拱腰附近區(qū)域。由圖14還可以看出，CRD法施工引起的橫向位移相對(duì)比較分散，臺(tái)階法施工引起的橫向位移主要集中在拱腰位置，但是臺(tái)階法施工引起的橫向位移整體幅度較大。5結(jié)語(yǔ)

（1）在利用礦山法進(jìn)行西安地鐵隧道開(kāi)挖時(shí)，隧道圍巖周邊位移變化一般經(jīng)過(guò)3個(gè)階段：第1階段為急劇變形期，第2階段為緩和變形期，第3階段為基本穩(wěn)定期。通過(guò)數(shù)值模擬可以看出，在不同的施工階段，圍巖變形呈現(xiàn)不同的變化特點(diǎn)。但是不同的施工方法各階段持續(xù)時(shí)間不同：CRD法下拱頂沉降的急劇變形期持續(xù)時(shí)間比臺(tái)階法減少30%，并且前者提前26.1%進(jìn)入基本穩(wěn)定期；CRD法下水平收斂的急劇變形期持續(xù)時(shí)間比臺(tái)階法減少38.5%，并且前者提前21.4%進(jìn)入基本穩(wěn)定期。

（2）與臺(tái)階法相比，CRD法施工引起的拱頂沉降總量減小了26%，平均沉降速率與最大沉降速率分別減少了15.6%和32.7%；水平收斂量減小39%，平均水平收斂速率與最大水平收斂速率分別減少了11.9%和19.8%。這說(shuō)明在西安地區(qū)利用CRD法進(jìn)行隧道開(kāi)挖能夠明顯減小施工對(duì)圍巖的擾動(dòng)程度，有效地控制拱頂沉降及水平收斂量。

（3）當(dāng)應(yīng)用臺(tái)階法進(jìn)行隧道開(kāi)挖時(shí)，隧道圍巖呈現(xiàn)不均勻變形，其中豎向變形主要集中在拱頂及拱底位置，橫向變形主要集中在拱腰位置。利用CRD法進(jìn)行施工時(shí)，拱頂及拱底較大范圍內(nèi)發(fā)生豎向位移，右側(cè)拱壁發(fā)生較大橫向位移，圍巖位移相對(duì)較分散。這就要求在施工過(guò)程中，根據(jù)不同施工方法產(chǎn)生的圍巖變形特點(diǎn)，有重點(diǎn)地進(jìn)行圍巖支護(hù)工作，以充分保證圍巖穩(wěn)定性。另外，同CRD法相比，應(yīng)用臺(tái)階法進(jìn)行施工時(shí)引起明顯的底部隆起現(xiàn)象，在施工過(guò)程中應(yīng)采取減小仰拱間距等措施，保證底部圍巖穩(wěn)定性。

（4）在西安地鐵隧道施工中，CRD法比臺(tái)階法能夠更有效地控制圍巖變形，保持圍巖的自持能力及穩(wěn)定性，該優(yōu)勢(shì)在軟弱地層中表現(xiàn)比較明顯。但是臺(tái)階法施工方法相對(duì)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，施工速度快，在選擇施工方法時(shí)，應(yīng)該綜合考慮地質(zhì)條件、工程要求、施工條件等因素，選擇適合工程特點(diǎn)的施工方法進(jìn)行施工。參考文獻(xiàn)：

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