对地下工程几种分部开挖方法的探讨

引言

隧道分部开挖法尽管有许多缺点，如施工工序多、进度慢、不利于采用大型施工机械和无轨运输、工程造价高等，但随着围岩分级的降低、隧道跨度的增加，为确保隧道施工的安全与质量，分部开挖的方法仍在铁路隧道、公路隧道、城市地铁区间、车站等施工中被广泛采用。隧道分部开挖法是地下工程设计、施工中在特定条件下为确保安全、保证质量不可缺少的有效措施和手段。
为更好地推广，采用地下工程分部开挖法，提高分部开挖的技术与质量，研究分析施工过程支护受力变化，应力、应变关键点，特对几种分部开挖方法的特点进行了一定的介绍，对其在软弱破碎围岩特殊地质条件下的实用性进行对比，重点分析了地表沉降要求对软弱破碎围岩隧道施工工法选择的影响，同时通过计算给出了各种分部开挖法施工受力解析参数，从而结合现场施工经验提出一些有利的建议，以供隧道及地下建筑工程施工参考。
1几种分部开挖方法的特点
隧道分部开挖方法种类繁多，现主要对以下4种方法即台阶法、CD法、CRD法、双侧壁导坑法进行探讨、分析研究。
1.1台阶法(见图1)
其特点是上下分块，突出的优点是尽量减少第1部开挖量、缩短第1部开挖、支护封闭时间，台阶法表现得尤为突出。特别在Ⅴ，Ⅵ级围岩中应做到:尽量减少开挖、支护的时间;稳定掌子面;便于临时支护。对防止塌方保证施工安全极为重要。
1.2CD法(见图2)
其主要特点是:①横向左、右分块，缩短了第1，2，3部的开挖宽度，相应的竖向均布荷载值及侧向水平荷载值、支护上的总荷载值、第1，2，3部开挖、支护封闭成环的时间均减小;②纵向前后分段，一般每循环进尺为0.5m，由此第1部的开挖量、竖向荷载值、水平侧向荷载值及第1部开挖作用于支护上的总荷载值、第1，2，3部开挖、支护封闭成环的时间均又减少了一半。








1.3CRD法(见图3)
其特点是:除了CD法的优点外又增加了一道横向支撑。开挖支护由2部增加到4部，由此开挖、支护、封闭成环的时间更短;增加了抵抗水平侧压力能力，保证了拱脚稳定性。



1.4双侧壁导坑法(见图4)
双侧壁导坑法充分体现了以上各种分部开挖法的特点。
1)上下分块，横向左右分片，纵向前后分段。
2)进一步减少了施工过程各部开挖支护的竖向荷载值、侧向水平荷载值及各分部开挖的总荷载值。
3)增加了横向支撑，保证了拱脚的稳定。
4)大大缩短每部开挖、支护封闭成环的时间，确保施工安全、对围岩级别低、隧道跨度大的工程尤为重要。



2软弱破碎围岩地铁隧道主要施工方法的适用性
软弱破碎围岩地铁隧道主要施工方法如表1所示，其中台阶法适用于单洞双车道上软下硬地层;围岩承载力＞200kPa;围岩力学性能受水影响小的情况。CD法适用于大跨度断面上软下硬地层;围岩力学性能受水影响后承载力＜200kPa情况。双侧壁导坑法适用于大跨度断面上硬下软或上下均软地层;围岩承载力＜200kPa情况。CRD法适用于大跨度断面上硬下软或上下均软地层;围岩力学性能受水影响后承载力＜200kPa情况。
3地表沉降要求对软弱破碎围岩隧道施工方法选择的影响
图5为不同施工方法对应的地表沉降曲线，从图中分析可知如下内容。
1)软弱破碎围岩隧道采用不同施工方法开挖，其地表沉降曲线均呈“槽形”，其最大沉降位置均位于中线附近。距中线相同距离位置的沉降值，双侧壁导坑法中先开挖侧略大于后开挖侧，而CD法和CRD法相反，台阶法基本相等。可见，地表沉降量值大小与隧道施工工序、开挖路径有关，这与已有研究成果相符。



2)不同施工工法相同位置产生的沉降大小满足如下关系:台阶法＞CD法＞双侧壁导坑法和CRD法。可见，采用双侧壁导坑法和CRD法施工产生的地表沉降最小，因此，对于地表建筑密集，沉降要求严格地段的隧道开挖采用双侧壁导坑法和CRD法施工较为有效。
3)进一步比较各施工工法的地表沉降大小，可以发现，除台阶法外，其余施工方法相对而言，均采用了缩小隧道单次开挖跨度的措施，或加设临时中隔墙，或设置侧壁临时支护，总之是从横向上缩小了单次开挖跨度;而台阶法，主要从深度方向上缩小开挖断面。计算结果表明，从横向上缩小开挖跨度的施工方法所引起的地表沉降小于从深度方向上缩小开挖断面的方法。初步分析，认为主要有以下两方面原因:①从横向上缩小开挖跨度的临时支护结构起到了较大的约束作用，及时抑制了围岩的竖向变形;②当竖向应力大于水平应力时，采用缩小横向的跨度对于控制围岩变形较为有效，而同理可推测当水平应力比竖向应力大时，采用缩小竖向跨度(如台阶法)可能较为有效。
4经济效益对比
分析施工过程中需要拆除的格栅(或型钢)锚喷支护与不拆除的支护之比为拆除量比，即拆除量比=需要拆除的格栅(或型钢)锚喷支护/不拆除的支护。
单纯从拆除量比来看，台阶法拆除量比最小，CD法次之，也就是说采用台阶法施工，每米隧道支护结构采用的临时支护量最少，材料损耗最小，同时，为施作临时支护所耗费的人力、物力、时间均相对较少，符合快速施工的原则，因此在围岩条件允许的情况下，宜尽量采用台阶法施工，以达到缩短工期，降低造价的目的。
5各种分部开挖施工过程受力比较分析
5.1几种分部开挖方案比选(见表2)
5.2围岩分级及隧道开挖宽度对设计及施工的影响(见表3)
从表3中可看出，围岩分级(地质因素)的影响是2s－1次方的关系。在较低的围岩分级中，水平荷载值是增加的，这在施工中应给予高度关注。




q=γh=γ×0.45×2s－1ω
式中:ω为宽度影响系数，ω=1+i(B－5);B为隧道宽度(m);h为压力拱高度，h=0.45×2s－1ω。i为B每增减1m时的围岩压力增减率。当B＜5m时，取i=0.2;B＞5时，可取i=0.1。围岩分级Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ时，s分别为4，5，6。
开挖宽度相同条件下，当B＞5时，不同围岩分级的ω相同，在较低的围岩分级(Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ)中，围岩分级从Ⅳ至Ⅵ，此时围岩垂直均布压力和水平均布压力均是增加的，这在设计、施工中应给予高度关注。
从表4中可看出，隧道开挖宽度，b=5m时，ω=1。b=21m时，ω=2.6。隧道开挖宽度从5～21m同等围岩级别条件下，由表3下注知其相应的压力拱高度h压、垂直均布压力q压增加2.6倍，围岩压力增加将对设计、施工产生较大影响，不可小视。
5.3各种分部开挖方法施工参数
1)台阶法或弧形导坑法的施工参数如表5所示。
2)CD法施工参数如表6所示。
3)CRD法施工参数如表7所示。
4)双侧壁导坑法施工参数如表8所示。从表5～8中可清晰地看出，地下工程进行分部开挖，减少了每部的开挖宽度，缩短了支护封闭的时间，充分地利用了围岩的时间空间效应，达到减少地面沉降，保证施工安全的目的。但是采用分部施工的隧道，最终总是有一个过程是要达到全部的开挖宽度，承受全部宽度范围的荷载，唯一的区别是这个过程由于采用分部开挖可控制的很短，在围岩应力重分布完成前，在所有的荷载加到初期支护之前，二衬已经开始施作，从而保证了施工的安全。不同的分部施工方法在每部施工过程中受力都有较大变化，采取的相应支护方式也不同，由此对施工安全有较大影响。




6对分部开挖法的几点建议

1)隧道分部开挖法缺点显著、优点突出，应根据地质、水文条件、隧道宽度等认真进行不同施工方法的比选，才能确保施工的安全与质量。
2)横向分片应本着先大后小的原则①1，2部，3，4部宽度b应大于5，6，7部开挖宽度c;②由于b＜B，故1，2，3，4部开挖时竖向荷载值小、侧向水平荷载值也小。1，2，3，4部开挖支护的总荷载值也小，支护的强度、刚度均不受控制。
3)隧道开挖在软弱围岩中纵向分段的优势应充分利用。每循环开挖进尺减至0.5m，竖向、水平荷载值小，开挖量少，开挖支护封闭成环的时间少，支护受力小，防塌效果好。
4)在采用双侧壁导坑法施工时，要特别注意各工序的施工质量才能确保分部开挖法优点的发挥，才能确保施工的安全与质量。①分部开挖的初期支护和临时支护布置平面应该垂直于隧道轴线，且对应的各部的支护应该布置在同一平面内;②初支、临支各节点对接应准确无误且连接牢靠，确保整个支护体系牢固可靠。






5)以双侧壁导坑法为例:①当开挖1，2部时，开挖宽度小，竖向、侧向荷载值小，竖向总荷载值也小;②当开挖3，4部时，同开挖1，2部;③当开挖第5部时，隧道的开挖宽度由b突然增至B，竖向均布荷载、侧向水平荷载以及竖向总荷载、水平侧向总荷载突然猛增几倍。支护的应力、应变、拱顶的下沉、拱脚的收敛会突变，此时监控量测应给以高度关注。
7结语
1)分析了几种隧道分部开挖方法的主要特点，对其在软弱破碎围岩特殊地质条件下的实用性进行了对比，重点分析了地表沉降要求对软弱破碎围岩隧道施工方法选择的影响，此外还从经济效益对比分析了几种分部开挖方法所产生造价的不同。
2)给出了几种分部开挖方法施工过程受力建议方案，分析了围岩分级及隧道开挖宽度对设计及施工的影响，通过计算给出了各种分部开挖法施工受力解析参数，结果表明:不同的分部施工方法在每部施工过程中受力有较大变化，采取的相应支护方式也不同，最终总有一个过程是要达到全部的开挖宽度，承受全部宽度范围的荷载，由此对施工安全有较大影响。
3)隧道分部开挖法缺点显著、优点突出，应根据地质、水文条件、隧道宽度等认真进行不同施工方法的比选，才能确保施工的安全与质量。根据现场施工经验提出了几条有利的建议，以供隧道及地下建筑工程施工参考。