谈高速铁路黄土隧道CRD法施工中的几个问题

杨建民

(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

谈高速铁路黄土隧道CRD法施工中的几个问题

杨建民

(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

为了研究长段落大断面黄土隧道CRD法开挖安全问题，依托郑州至西安高速铁路工程实例，开展地表及初期支护沉降量测，临时支护内力及拆除临时支护过程的沉降、内力变化测试分析。研究结果表明：CRD法能保证大断面黄土隧道的开挖安全；砂质黄土浅埋段地表沉降值多在20cm以上；临时竖撑横向摆幅达9.8cm；逐榀拆除临时支护时拱部下沉2mm，拆除范围大于1倍隧道开挖宽度时，拱部下沉增长显著，达到拆除前下沉量的40%。研究结论：设计中应加强临时横竖撑刚度；相比三台阶法，CRD法不利于仰拱尽快封闭而控制最终沉降，地表沉降控制效果不明显；控制拆撑长度。

高速铁路；铁路隧道；大断面黄土隧道；CRD工法；沉降；变形；拆撑

1 概述

我国自郑州至西安高速铁路为起点，开始大量修建开挖面积160 m2以上的超大断面黄土隧道(砂质黄土开挖面积174 m2)。在该线53.1 km的黄土隧道群中，按颗粒成分可以分为黏性黄土和砂性黄土。前者一般土体有一定强度，围岩自稳条件较好，设计施工多采用三台阶七步开挖法。而砂性黄土极为松散，几乎没有自稳能力，施工过程中不论采用CRD法还是三台阶法初期支护下沉均较大，一般都超过20 cm以上，地表沉降也很难控制，往往随着隧道的开挖，地表沉降槽也向前延伸。在郑西高速铁路建设中，穿过黄土台塬的浅埋隧道，即埋深一般在70 m以内的砂性黄土多采用CRD法开挖[1]。这也是我国在大范围、长距离交通隧道工程中首次推广使用这种施工方法，有很多值得总结的内容。由于CRD工法复杂，施工单位一般均不愿采用，现场也经常为工法变更的事达不成一致意见，这个问题也成为我国高速铁路建设十年来隧道专业争论最大的老大难问题。通过从地表及临时支护变形的角度，对这种工法在郑西高速铁路的应用情况进行总结，并对今后高速铁路黄土隧道乃至其他软弱围岩隧道工法选择提出建议。

2 CRD法及支护参数

2.1 CRD工法简介

以往的双线铁路隧道长距离大范围开挖多采用台阶法，CRD法为较为复杂的分部开挖及支护方法，一般应用于对地表沉降要求严格、安全风险相对较高的特殊地段。由于时速350 km的高速铁路开挖面积较传统铁路隧道大幅度提高，CRD法开始大量应用于郑西高速铁路大断面黄土隧道，在该线砂质浅埋黄土地段多采用了这种方法。开挖步骤及现场照片见图1、图2。

(1)开挖①部，施作①部初期支护和临时支护；(2)开挖②部，初喷4 cm厚混凝土，接长型钢钢架和临时钢架，并设锁脚锚管，安设横撑，钻设径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度；(3)开挖③、④部并施作初期支护和临时支护，步骤及工序同上；(4)开挖⑤部，隧底周边初喷4 cm厚混凝土，接长临时钢架，复喷混凝土至设计厚度；(5)拆除下部横撑，安设型钢钢架之仰拱单元，使之封闭成环；(6)待初期支护收敛后，拆除临时钢架及上部临时横撑；(7)灌注边墙基础与仰拱，灌注仰拱填充至设计高度[2]。

图1 开挖步序

图2 现场照片

2.2 初期及临时支护参数

郑西高速铁路黄土隧道初期支护采用锚网喷和型钢钢架体系，二次衬砌均为钢筋混凝土[3]，隧道初期支护及临时支护参数如表1、表2所示。

表1 初期支护参数

表2 临时支护参数

2.3 理论分析

选取新黄土浅埋隧道CRD法进行计算分析，计算模型为三维模型，模型纵向长为90 m，两侧离隧道中心为100 m，底部边界离隧道轨面100 m，隧道上部覆土为30 m。共有57 900个8节点六面体单元，共有节点数62 093个。上二衬前初支的弯矩、安全系数见图3、图4。

图3 弯矩(单位：kN·m)

图4 安全系数

计算结论：(1)初期支护安全系数最小值发生在拱顶、墙脚位置，其量值为1.4≥1.0，初期支护强度满足要求；(2)临时支护在被拆除前安全系数最小值为1.2，发生在控制点中间接头处，应予以足够的重视；(3)围岩塑性区最大发展深度发生在拱脚和墙脚部位，最大发展深度将近10 m。塑性区在纵向发展深度在掌子面前方12 m，应加强对掌子面的监测。

3 黄土隧道工法统计

郑西高速铁路全线黄土隧道总长53.1 km，其中采用台阶法(主要为三台阶七步法)施工的黄土隧道长度为41.3 km，占比为78%，可见三台阶法是大断面黄土隧道主要开挖方法。灵宝至潼关段共计6座砂质黄土隧道，总延长6 355 m隧道采用了CRD法施工，在我国铁路隧道建设中如此大范围长距离采用这种工法开挖还是首次。渑池至灵宝段CRD法施工段落统计见表3。

表3 渑池至灵宝段CRD法施工段落统计

4 拱顶及地表沉降

从郑西高速铁路应用情况来看，长距离采用CRD法施工效果不是很好，采用CRD法施工的砂质黄土隧道初期支护及地表普遍下沉过大，一般在15～20 cm以上，地表开裂依然严重，隧道两侧纵向裂缝宽度一般在10 mm以上，沉降控制效果并不比三台阶法好[4]。分析原因主要是砂质黄土地质较差，CRD法分四部开挖，虽然有利于各分部尽早闭合，但不利于仰拱尽快封闭而控制最终沉降变形，同时也不利于大型机械的使用，导致施工进度缓慢。

函谷关隧道DK270+504、+515、+525和+535断面从2006年6月24开始测量，到2006年11月6日结束，历时135 d。最大拱顶沉降210 mm，最大地表沉降250 mm[5]，拱顶沉降测试结果见表4(表中GD1为中隔壁附近拱顶沉降，GD2为拱顶)。采用三台阶和CRD法开挖的部分黄土隧道地表沉降开裂对比情况见表5[6]。

表4 函谷关隧道拱顶沉降汇总

表5 部分黄土隧道地表沉降开裂调查情况

注：表中贺家庄隧道地质为黏质老黄土，黄龙村、吕家崖隧道为黏质和砂质黄土过渡段，其余均为砂质黄土隧道。台村隧道进口初期支护侵限。

5 临时支护变形问题

考虑到临时支护在初期支护封闭后要拆除，设计的临时支护体系偏弱，横撑没考虑满喷混凝土。施工过程中完全靠工字钢承受竖向支撑和初期支护之间的横向力，工字钢受压极易扭曲变形，导致现场施工中工字钢横撑变形较多。后来对横撑增设了2 m宽喷混凝土条带，改善了其受力条件[7]。但对于开挖面积达160 m2的大断面黄土隧道，CRD法临时支护采用I18钢架还是偏弱。特别是仰拱第⑤部开挖时，竖向支撑左右摆动幅度较大，有一定安全隐患[8]。但对于长距离采用这种工法，如果临时支护措施增大又额外增加较大投资，这确实是应该考虑的一个问题。

5.1 临时支护变形

在函谷关隧道进口CRD法施工过程中开展了支护收敛变形量测[9]，收敛变形量测测点的断面布置见图 5，现场横撑变形情况见图6，量测结果见表6、表7。

从表6、表7可以看出，CRD法中由于①部最先开挖而扰动次数最多，①部的收敛也最大达98 mm。SL1、SL2、SL3、SL4部均远较初期支护的SL5、SL6部大得多，说明中间临时竖撑左右确实摆动幅度较大，工字钢横撑发生扭曲变形。因此，从现场看须加强横撑刚度。

图5 沉降收敛观测布置

图6 现场横撑变形情况

测点编号测点里程初始数值/m本次数值/m累计收敛/mmSL1DK270+5045.8335.760-73.0SL2DK270+5047.6147.604-10.0SL3DK270+5047.2747.252-22.0SL4DK270+5047.3307.285-45.0SL5DK270+50412.99212.991-1.0SL6DK270+50415.06815.0691.0

表7 函谷关隧道DK270+525收敛量测情况

5.2 临时支护内力

在函谷关隧道初支型钢钢架设置了3个应力测试断面，分别为DK270+504、+515、+525，测试时间从2006年6月30日开始，至2006年12月结束。每个断面有7个测点，另外，中隔壁和横撑也各有2个测点，每个测点有内外侧各有1个表面应变计。钢架内力量测点布置如图7所示，测点2、6、7表示为拱顶处钢架应力，测点10、11表示仰拱处钢架应力，测点3、8为边墙处钢架应力测点。DK270+504断面内侧钢架应力时态曲线如图8所示。

图7 内力量测点布置

图8 DK270+504断面内侧钢架应力时态曲线

从图8及其他量测点可知，WG1开始表现为压力，在②部开挖后表现为拉力增加；③部的开挖后拱WG1表现为压力迅速增加，NG1在安装后表现为拉力，随着②部的开挖，压力逐渐增大，在③部开挖施作后，受力变化平稳。在②部开挖施作后，WG2表现为拉力增加，NG2表现为压力增加。在拱脚位置的WG3 、NG3表现为压力的缓慢增加，无突变。NG4在③部开挖后，压力迅速增加又回弹，WG4变化平稳。WG5表现为压力持续增加，NG5表现为拉力，在②部施作后表现为压力增加WG6和NG6表现为压力持续增加。WG7和NG7开始表现为压力的持续增加，变化平稳，无突变。

可见，随着各部开挖进展，钢架应力调整较大，和钢架变形形成对应关系。

6 临时支护拆除问题

6.1 钢架内力测试分析

CRD法很容易让人担心拆除临时支护的施工安全问题[10]。在函谷关隧道进口施工段开展了拆除临时支撑的初期支护内力与变形测试分析。在施工过程中，当初期支护仰拱闭合成环后，即可以逐榀拆除中间的临时中隔壁。从现场量测的钢架应力来看，在拆撑前后，各部位的应力虽然有一定的波动，但是基本保持稳定，且处于同一个应力状态，没有应力的转变(拉压应力的相互转变)，基本稳定后为全断面受压。从量值上看，在-123～23 MPa，远小于钢架极限强度。在10月27号拆撑以后，各部应力发生了一定的变化，就目前量测的钢架最大拉压应力来看，远小于《铁路隧道设计规范》要求的抗拉极限强度380 MPa，抗压计算强度260 MPa。拆撑前初期支护的轴力均为压力，弯矩值较小，而且波动很小，安全系数满足要求。在10月27号拆撑后，轴力除左侧测点有小幅度的增大外，增幅在-36.1～-137.8 kN，其余测点均减小，减小幅度在10%～38%，量值减幅在39.5～185.1 kN。弯矩值在拆撑后增减幅度在-0.15～2.9 kN·m。弯矩值变化很小，安全系数能够满足要求。DK270+504断面在10月27日拆撑前后，初期支护的内力及安全系数如表8所示。

函谷关隧道进口逐榀拆除临时支护，每拆除10 m即施作二次衬砌，此时拱顶下沉几乎没有变化，而水平收敛的变化很小，幅度在-1～2 mm的范围[11]，所以拆撑对于初期支护的变形影响是很小的，结构变形是稳定的。

表8 DK270+504断面拆撑前后内力及安全系数

6.2 初支沉降变形分析

在另一座隧道开展了CRD法拆撑前后初期支护拱部下沉情况的监测。CRD法左、右洞仰拱同时开挖将引起较大拱部下沉增长(较仰拱开挖前增量为35%)，仰拱封闭后拱部下沉变化趋于稳定(图9)。本例CRD法中壁一次拆除长度为20 m，大于1倍隧道开挖宽度。测试显示，此时拱部下沉增长显著，增量达到拆除前下沉量的40%。说明浅埋情况下CRD法一次拆撑过长(大于1倍隧道开挖宽度)、衬砌施作滞后，将引起较大拱部下沉。

图9 拆除中壁阶段拱部下沉时态曲线

7 结语

通过郑西高速铁路大断面黄土隧道CRD工法的工程实践，可以得到以下结论。

(1)该工法能保证开挖安全，但施工分部多、不利于大型机械的使用，机械配套较困难，进度较慢，施工单位多不愿采用，现场管理存在一定难度。

(2)采用该工法施工的几处砂质黄土隧道浅埋下穿公路段，地表下沉量值一般大于20 cm，控制地表沉降的效果和三台阶法比较并不明显，地表沉降量值和土体自身的稳定性(黏质或砂质)关联更强[12]。CRD法虽然有利于各分部尽早闭合，但不利于整个仰拱的尽快封闭，控制最终沉降的效果不理想。

(3)施工过程中临时竖撑横向位移接近10 cm，横向摆动幅度过大，设计及施工应加强临时竖横撑的刚度，特别是加强喷混凝土。由于支护接头较多，加上摆动幅度较大，存在施工安全隐患。

(4)临时支护拆除过程中由于应力转换，导致拆除临时支撑后拱部初期支护产生不同程度的下沉，为保证施工安全，应逐榀拆除临时支护，并保证二次衬砌紧跟。

(5)通过郑西高速铁路的工程实践，已经证明三台阶七步开挖法在高速铁路黄土隧道乃至其他Ⅳ、Ⅴ级围岩隧道的应用是成熟的，并且工法简单易行[13]。CRD法工艺较为复杂，若施工不到位则更易出问题。建议在今后的大范围长距离高速铁路大断面隧道设计施工中首选三台阶法，尽量减少CRD法的施工范围，以便于现场统一认识及方便管理。

[1] 赵勇，李国良，喻渝.黄土隧道工程[M].北京：中国铁道出版社，2011．

[2] 唐斌，雷向锋，刘旭全，等.浅埋大断面黄土隧道CRD法快速施工技术[J].铁道标准设计，2007(S1)：58-60．

[3] 杨建民.函谷关隧道砂质黄土地层支护受力测试分析[J].铁道工程学报，2008(6)，6(117)：56-60．

[4] 王晓州，丁维利，王庆林，等.浅埋大断面黄土隧道下穿既有铁路施工技术[J].铁道标准设计，2007(S1)：67-70．

[5] 孟庆明，杨林浩.函谷关隧道下穿连霍高速公路施工技术[J].铁道标准设计，2007(S1)：126-129．

[6] 丁维利，王晓州，朱永全，等.郑西客运专线黄土隧道施工地表裂缝调查分析[J].铁道标准设计，2007(S1)：87-89．

[7] 魏保存，田志杰，陈风山.黄土隧道浅埋段施工技术[J].石家庄铁道学院学报，2001，14(S)：32-34．

[8] 原郭兵，王庆林，孟飞彪，等.砂质黄土大断面隧道CRD法施工技术[J].铁道标准设计，2007(S1)：102-105．

[9] 刘旭全，王永玺，雷向锋，等.监控量测技术在客运专线大断面黄土隧道中的应用[J].铁道标准设计，2007(S1)：113-116．

[10]刘旭全，范恒秀.客运专线大断面黄土隧道含水地段快速施工技术[J].铁道标准设计，2007(S1)：93-97．

[11]霍玉华，王晓州，孟飞彪，等.大断面黄土隧道快速掘进施工方法研究[J].铁道标准设计，2007(S1)：122-125．

[12]李宁军，夏永旭.基质吸力对非饱和黄土隧道力学特性影响研究[J].西安公路交通大学学报，2000，20(2)：49-51．

[13]谭忠盛，喻渝，杨建民，等.大断面深埋黄土隧道锚杆作用效果的试验研究[J].岩土力学与工程学报，2008(8)，27(8)：1618-1625.

Problems in the Construction of Loess Tunnel of high Speed Railway with CRD Method

YANG Jian-min

(China Railway Eryuan Engineering Group Co.， Ltd.， Chengdu 610031， China)

In order to study the safety issues in the excavation of long and large cross-section loess tunnel with CRD method， with

ettlement of ground surface and primary support is measured， and test and analysis of the settlement in the processes of primary supporting and support demolishing and the change of internal force are conducted with reference to the practices in the high speed railway between Zhengzhou and xi’an. The results show that: CRD method can ensure the safety of excavation in large cross-section loess tunnel; sandy shallow buried loess section of the surface subsidence value is over 20 cm; the temporary end brace transverse swing is up to 9.8 cm; when the demolition of temporary support arch sinks 2 mm and the range of demolishment is more than twice of the tunnel excavation width， the arch sinking grows significantly， reaching 40% of the settlement before demolishing. Research conclusions: temporary bearing brace stiffness should be strengthened in the design; in comparison with three-steps method， CRD method is ineffective to quick closing of inverted arch to control final settlement; the control of surface subsidence is not obvious; the length of support demolition should be controlled．

High-speed railway; Railway tunnels; Large cross-section loess tunnel; CRD method; Settlement; Deformation; Demolition of support

2015-02-03；

2015-03-14

杨建民(1968—)，男，教授级高级工程师，1991年毕业于西南交通大学隧道及地下工程专业，工学学士，E-mail:yyyjjjmm@163.com。

1004-2954(2015)10-0134-05

U238； U455

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.10.030