CRD法城市隧道设计与施工

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CRD法城市隧道设计与施工
摘要介绍了城市隧道crd法的设计与施工, 通过对crd法的分析和研究,最大限度控制了隧道拱顶下沉和地表沉降,为城市浅埋隧道的实施提供有力保证,同时积累了宝贵的经验,该技术值得在类似的工程中推广应用。

关键词: crd 城市隧道设计施工
隧道crd法全称交叉中隔墙法,适用于软弱地层及城市道路下的隧道施工方法,特别是对于控制地表沉陷有很好的效果,施工时先分部开挖隧道一侧,施作中隔壁和横隔板,再分部开挖隧道另一侧并完成横隔板施工的施工方法。

就是将隧道分成n个断面进行开挖。

城市道路下埋设有多种市政管道.采用crd法施工可最大限度减少地表沉降,保护管道安全。

下面以裕华路地下隧道工程为例阐述crd法设计与施工。

一.工程概述
裕华路地下隧道位于石家庄裕华路与省军区南北院相交处,隧道下穿裕华路,裕华路为石家庄的城市景观大道并与2009年7月改造完成,道路红线宽度60米,断面为三幅路形式,机动车道宽28.5米双向八车道,机非隔离带宽3米,非机动车道宽5米,人行道宽7.75米.地下埋设有雨水、污水、给水、热力、煤气、通讯、电力等多种管道。

隧道需从除电力以外的其他管道下方穿过,其中雨水为1.6x1.4米砖砌方沟,污水为两道直径0.7米混凝土管,给水为直径0.8米混凝土管。

隧道顶距雨水方沟基础底仅1.5米。

二、主要技术指标
1、隧道净空断面采用五心圆曲墙式衬砌见图一,建筑宽度7.5m,净高5.5m;
图1隧道净空断面
2、设计荷载:公路-1级;
3、隧道防水等级:一级;
4、抗震设防:7度
三、工程地质概况
地貌属太行山山前滹沱河冲洪积扇中上部,为倾斜平原,地形平坦。

本工程根据勘察钻探揭露,拟建场地深度范围内地基土层主要由杂填土、第四系冲洪积粉质粘土、粉土及砂类土等组成。

四、crd法的施工与设计
隧道采用喷射混凝土作为初期支护结构,钢筋混凝土为二次衬砌。

初期支护钢架考虑格栅钢架和工字钢型钢钢架两种形式,钢架间距均为0.5m。

格栅钢架主筋为4肢φ25矩形断面;型钢钢架型号选择ⅰ18。

二次衬砌钢筋每延米采用5φ20钢筋双侧对称布置。

隧道工程建筑物是埋置于地层中的结构物,它的受力和变形与围岩密切相关,支护结构与围岩作为一个统一的受力体系相互约束,共同工作。

这种共同作用正是地下结构与地面结构的主要区别。

根据本工程浅埋及松散地层的特点,结构安全性检算采用“荷载-结构”模式,即将支护和围岩分开考虑,支护结构是承载主体,围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承。

支护结构与围岩的相互作用是
通过弹性支承对支护结构施加约束来实现的。

由于隧道施工是一个动态过程,隧道结构的稳定性和安全性除与地层性质、洞室形状有关外,施工过程控制参数对其影响亦不可忽视。

因此,在检算中除了采用“结构-荷载模式”外,还采用了平面问题的“地层-结构模式”对其施工动态进行了模拟。

现结合crd施工方法对“地层-结构模式”进行论述和分析。

1、crd法施工技术
crd工法步序见图2~3。

图2交叉中隔壁(crd)法施工工序横断面
图3交叉中隔壁(crd)法施工工序平面
其具体施工工序如下:
(1)、利用上一循环架立的钢架施作隧道及中隔壁超前支护;开挖①部;喷8cm厚混凝土封闭掌子面;施作①部周边的初期支护和临时支护,即初喷4cm厚混凝土,架设i18钢架及i16临时钢架,并设锁脚钢管;①部底部喷5cm厚混凝土,安设i18横撑,施作①部临时仰拱;复喷混凝土至设计厚度。

(2)、在滞后于①部一段距离后,开挖②部;喷8cm厚混凝土封闭掌子面;施作②部周边的初期支护和临时支护,即初喷4cm厚混凝土,架设i18钢架及i16临时钢架,并设锁脚钢管;底部喷5cm 厚混凝土,施作②部临时仰拱,安设i16横撑;复喷混凝土至设计厚度。

(3)、利用上一循环架立的钢架施作隧道超前支护;开挖③部并施作导坑周边的初期支护和临时支护,步骤及工序同(1)。

(4)、开挖④部并施作导坑周边的初期支护和临时支护,步骤及工序同(2)。

(5)、在滞后于②部一段距离后,开挖⑤部;喷8cm厚混凝土封闭掌子面;隧底周边部分初喷4cm厚混凝土;接i18钢架及i16临时钢架;复喷混凝土至设计厚度。

(6)、在滞后于③部一段距离后,开挖⑥部;喷8cm厚混凝土封闭掌子面;隧底周边部分初喷4cm厚混凝土;架设i18钢架使钢架封闭成环;复喷混凝土至设计厚度。

(7)、逐段拆除靠近已完成二次衬砌6~8m范围内中隔壁底部钢架单元。

(8)、灌筑ⅰ部仰拱及隧底填充(仰拱与填充应分次施作),接中隔壁底部i16临时钢架托换单元,使得钢架底支撑于隧底填充顶面。

(9)、根据监控量测结果分析,拆除i16临时钢架及临时横撑;利用衬砌模板台车尽早一次性灌筑ⅱ部衬砌(拱墙衬砌一次施作)。

2、crd法地层-荷载计算
(1)、计算模型:
模型采用ansys二维模型见图4,隧道采用crd法施工。

两侧边界至隧道中心线距离为40m,底部边界至隧道轨顶距离为28m,隧道埋深5.3m。

侧面边界为水平位移约束,底面边界为竖向位移约束。

模型上部边界为自由边界。

初期支护和临时支护采用beam3单元,
其它采用plane42单元。

隧道每开挖一步,地应力释放率为35%。

考虑到二衬在支护变形基本稳定下修建,因此计算中未计及。

计算模型见图3。

隧道断面处地层的主要物理力学指标如表1所示。

计算中,注浆小导管加固区地层参数在原有基础上提高25%,大管棚加固区地层参数按提高50%考虑。

支护参数如表2所示。

图4 标准断面计算模型
表1 隧道地层的主要物理力学指标
地层号压缩模量
es(mpa) 泊松比
μ摩擦角
φ(°) 粘聚力
c(kpa) 容重
图5 开挖步与拱顶下沉的关系
随着隧道的开挖,拱顶逐渐下沉。

开挖完成后隧道中轴线上方位置拱顶最大下沉值为6.27cm。

②、地表沉降
图6 地表沉降和管道所处地层变形
随着隧道的开挖,地表沉降不断加大,最大下沉值为5.68cm。

(3)支护内力
随着开挖的进行初支所受的弯矩和轴力总体上是越来越大,除1和2截面安全系数在第五步开挖时较小外(内设格栅时为1.4和
1.5,内设工字钢时均为1.2),其余截面安全系数都大于1.5。

因此,施工过程中应加强对该节点的保护与观察,必要时可采取加强措施以确保结构安全。

(4)围岩的竖向变形
随着隧道的开挖,竖向变形不断加大。

由于crd法施工先开挖左侧隧道断面,第一步开挖后最大的竖向变形位置发生在隧道中轴线左边,其值为2.8cm。

第二步开挖后最大的竖向变形位置发生在隧道中轴线左边,其值为5.1cm。

第三步开挖后最大的竖向变形位置发生在隧道中轴线左边,其值为5.6cm。

第四步开始开挖右侧隧道断面,最大的竖向位置发生在隧道中轴线,其值为6.1cm。

第五步开挖后最大的竖向变形位置发生在隧道中轴线右边,其值为
6.8cm。

第六步开挖后最大的竖向变形位置发生在隧道中轴线右边,其值为
7.1cm。

(5)围岩水平变形
随着隧道的开挖,水平变形不断加大。

crd法施工先分台阶开挖左侧隧道断面,然后开挖右侧,其水平变形最大位置也随着施工的进行从隧道左边,移到隧道右边。

最后一步开挖结束后,最大水平变形发生在隧道右侧中段,其值为2.2cm。

(6)围岩塑性区
施工过程中,围岩塑性区范围随开挖步不断扩展,但总体屈服面积不大,说明在计算条件下,施工过程中洞室稳定。

五、结论
由于采用crd法,最大限度控制了隧道拱顶下沉和地表沉降,施工过程中洞周位移相对较小,施工中加强预支护措施,以确保施工和既有地下管线安全,施工中严格控制循环进尺,以免对地层造成过大扰动,影响施工安全效果,同时施工中加强对关键部位的观察与保护;通过上述措施使得隧道安全通过裕华路。

注:文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。