中洞法+CRD法开挖方法及二次衬砌施工力系转换研究

中洞法+CRD法开挖方法及二次衬砌施工力系转换研究

杨林辉,白荣伟,樊帅帅,朱强,陈永康

中国建筑一局（集团）有限公司、中建一局集团第一建筑有限公司 陕西 西安710000

摘  要：中洞法和 CRD法在不同隧道的开挖方法中具有不同的施工特点，对二次衬砌施工力系转换的研究可以为二次衬砌施工提供一定的参考。隧道开挖过程中，洞体的相对位移随距离变化情况复杂，二次衬砌的施工力系转换是控制围岩变形的关键环节之一或施工中二次衬砌变形量的主要因素之一。本文通过对 CRD法的应用现状及施工力系转换的研究结果进行分析研究表明: CRD法在二次衬砌施工中存在洞体相对位移的可能，并通过数值模拟验证了其安全有效性和可行性。 

关键词： 中洞法；CRD法；二次衬砌

引言

随着科学技术的发展，新技术、新工艺和新设备不断涌现，其不仅可以应用于隧道的施工，还可以应用于其它地下工程中，其中对于隧道工程施工方法的选择是尤为重要的，本文主要以中洞法和 CRD法为例，分析其施工工法的特点及原理，然后在此基础上对比研究两种施工方法在二次衬砌施工中可能存在的影响因素和操作力系转换过程，为将来在类似工程中引入 CRD工法进行施工提供一定的参考价值。中洞法与 CRD法施工过程不同，主要是利用人工开挖及采用机械挖掘相结合的方法进行衬砌施工。本文研究中洞法与CRD技术相结合是在现有工程经验上进行有效利用，研究结果能够为二次衬砌施工提供一定的参考价值。 

一、工程概况

隧道工程穿越的地层主要为人工填土、新黄土、残积古土壤、老黄土等，隧道长231.96m。经勘察，地下水前水位埋深33.00~35.10m，处于暗挖隧道结构板底以下6.4m~9.8m,区间暗挖隧道采用中洞法＋CRD法施工，待中洞贯通施作中墙二次衬砌。

二、工法特点

中洞法与 CRD法主要是机械配合人工开挖，在该工法的前提下，不仅可以利用机械进行开挖，还可以使用混凝土、钢格栅等结构，既可以使用传统开挖方法，也可以使用新创的新技术。该工法具有结构简单、开挖变形小、对围岩要求不高、循环开挖及衬砌效果好等特点。同时，这种工法能够实现人工与机械协同作业，对土体质量、围岩变化较为敏感，机械操作则相对容易一些；中洞法与CRD法均可以利用现有工程经验做二次衬砌施工。而CRD法主要是采用机械将支护结构进行拼装组合，通过液压系统进行模板组装，再将其通过液压缸向洞内进行液压推进。由于采用机械化操作，大大提高了人员的劳动强度，且机械设备能够在洞内循环稳定操作，提高了作业效率。因此工法具有自动化程度高、劳动强度小、作业时间短、操作方便、施工进度快等特点[3]。

三、施工方案分析

根据隧道开挖设计方案，中洞法+ CRD法开挖工作是以洞内洞门采用水平支撑方式向外贯通，而二次衬砌结构为左右向开挖同步进行，二次衬砌结构可有效避免二次衬砌施工过程中可能出现的拱脚、拱顶等不稳定因素。两种方法施工后对围岩扰动小，具有良好的稳定性，特别是二次衬砌施工，其在围岩扰动小、开挖速度快、工作面大、环境影响小等特点。在此基础上结合实际工程经验，本文研究中洞法+ CRD法二次衬砌施工方案。中洞法+ CRD法二次衬砌在中、小循环过程中基本不出现拱脚、拱顶等不稳定因素。

根据隧道进口侧壁结构形式，考虑洞内岩石与洞身土体的共同作用，以二次衬砌施工为例进行二次衬砌施工实例研究。根据二次衬砌与二次衬砌支护计算公式可知，二次衬砌支护的应力均集中在衬砌面、拱边所受的力上，结合中洞法+ CRD法之间的优劣势分析，认为通过 CRD技术和中洞法之间优化组合后可以满足开挖方式不同对衬砌施工质量影响的要求。

四、不同开挖方法的影响因素分析

影响隧道开挖过程中围岩变形的因素很多，主要包括开挖方式、衬砌厚度、围岩压力及围岩内的水。为了研究不同开挖方法下不同衬砌厚度对围岩变形量的影响，选取了五种隧道开挖方案，分别为 CRD法、中洞立法、三段中洞、四段中洞和全断面隧道法，其相关系数分别为:0.995、0.963、0.90和0.008。在本次设计中，我们选择 CRD法。通过对5种方案的影响因素分析可知，根据隧道开挖目的和地质条件的不同，对隧址区和围岩岩性的变化趋势有着不同的影响。不同地质条件下隧址区段和围岩土体变形主要受到以下几个方面因素影响：洞口施工工艺及材料强度、衬砌厚度、开挖长度等。

洞口施工工艺及材料强度对隧道围岩变形有一定的影响，当隧道开挖后，洞内与洞外地层间发生连续地接触，引起洞内与洞外地层之间的界面和空隙变形，在较短的时间内释放围岩内部的应力，引起洞外地层的急剧变形，使得洞口围岩产生较大的横向变形。由于围岩中存在大量的水，在不进行帷幕注浆或仅采用手工小间距超前注浆加固岩层而不采取合理的防排水措施时，洞内的水会逐渐渗进围岩内部，导致洞内围岩发生较大的横向及纵向变形；而当隧道开始进行二衬工程且由于采用小间距微台阶单洞段开挖时，随着开挖断面变小、循环开挖速度加快以及围岩中水持续不断地渗进围岩内部而引起围岩横向变形。因此，洞口施工工艺及材料强度是影响隧道围岩变形最重要的因素之一。

衬砌厚度对隧道开挖过程中围岩变形具有重要影响，当衬砌不够时，隧道围岩变形量会明显增加。而当隧道衬砌足够时，则围岩变形量会明显降低。因此为了避免出现不良地质影响，应尽可能的增加二次衬砌的长度。随着衬砌层越厚，围岩变形量越大；随着衬砌层越厚，围岩变形量越小。但当衬材层较厚时，其对围岩变形量的影响作用则会减弱；当衬材层较薄时，其效果将会更好，围岩变形量将会增加；当围岩层较厚时，其效果将会下降。

中洞法和 CRD法主要以开挖支护为主，两种方法在参数选择、隧道断面尺寸和隧道结构形式上存在一定的差异，因此需要在施工过程中对其变形情况进行比较。根据隧道内竖向结构的力学特性不同，二次衬砌施工过程中支护所产生的沉降位移也不尽相同。在本文的计算过程中，采用了两种方法结合起来计算，通过对中洞法的支护数据进行对比，分析得出以下结论: CRD法的施工方式优于中洞法的支护方式，其施工沉降误差可以控制在5 mm以内。为了更好地研究二次衬砌施工后洞体位移变化情况，通过在TBM模型中加入变形传感器后再对二次衬砌变形量进行数值模拟分析，通过对计算结果进行分析得出该方法具有较好的精度分析能力，可用于二次衬砌施工后洞体变形量的预测。为了进一步验证数学模型设计的合理性，文中将计算分析结果与实际测量结果进行对比分析得到结论：该方案具有较好的计算精度和分析能力；所选取方法和参数能较好地模拟二次衬砌施工过程中洞体的相对位移变化情况。

五、小结

本文通过数值模拟表明: CRD法在二衬砌时存在洞体相对位移（或相当于围岩对二次衬砌变形的作用）的可能，在二次衬砌施工过程中，需要进行合理的施工力系转换并进行相应的控制措施，确保二次衬砌施工安全和质量，满足结构设计要求。对于 CRD法在二次衬砌时出现的上述问题，可以从二次衬砌施工前应加强对软弱围岩的支护；施工时应严格控制施工缝的位置和长度，合理确定拱顶与拱腰的位置关系进行衬砌；合理设计施工缝长度以及设置支护结构等等环节对 CRD法产生重要影响。总之在实际工程中, CRD法与中洞法可以很好地结合使用，为工程建设提供一定的参考意义。

参考文献

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