大跨度隧道施工中CD工法与临时支撑技术研究

摘要：本文研究了大跨度隧道施工中CD工法与临时支撑技术的综合运用。CD工法通过分块开挖与闭合支护原理，显著降低围岩暴露面积，有效抑制变形。临时支撑技术结合型钢支撑、可伸缩式液压支撑及预应力锚杆，实现刚性承载与动态调节。文章分析了土裂缝形成机理与演化特征，提出了裂缝主动控制技术体系，并构建了智能监测与动态调控系统。此外，探讨了CD工法与临时支撑协同施工的关键技术，包括分步开挖时序优化、施工参数设计、变形协同控制及应急预案技术库。研究成果为复杂地质条件下大跨度隧道施工提供了理论依据和技术支撑。

关键词：大跨度隧道施工；CD工法；临时支撑

引言

随着交通基础设施建设的快速发展，大跨度隧道工程日益增多，施工难度和技术挑战也随之增加。特别是在软弱围岩和浅埋偏压等不良地质条件下，隧道施工面临着围岩变形控制、裂缝处理及施工安全风险等多方面的问题。CD工法作为一种有效的隧道施工方法，通过分块开挖与闭合支护，能够显著降低围岩的瞬时暴露面积，抑制变形累积效应。同时，临时支撑技术在隧道施工中起着至关重要的作用，能够增强隧道的稳定性，保障施工安全。因此，深入研究CD工法与临时支撑技术的综合运用，对于提高大跨度隧道施工的安全性和效率具有重要意义。

1 CD工法与临时支撑技术原理

CD工法依托分块开挖与闭合支护原理，通过划分多个施工单元逐步完成开挖与支护闭合环，显著降低围岩瞬时暴露面积，抑制变形累积效应。中隔壁（Center Diaphragm）作为关键承力构件，在隧道纵向形成连续支撑结构，通过改变围岩主应力分布路径，使最大主应力方向由径向转为切向，有效抑制塑性区扩展。该工艺适用于Ⅳ-Ⅴ级软弱围岩地层及浅埋偏压隧道工程，可针对性解决非对称荷载导致的偏压失稳风险。临时支撑技术体系中，型钢支撑凭借其高刚度特性实现刚性承载，而可伸缩式液压支撑则通过压力反馈系统动态调节支撑力，适应围岩流变特性。预应力锚杆通过预加载荷在围岩内部形成压缩区，主动改善岩体受力状态，其锚固力需与围岩蠕变速率匹配设计。支撑系统与初期支护间通过刚度匹配实现协同变形控制，采用位移反分析法动态修正支护参数，确保围岩-支护体系在弹性变形阈值内稳定演化[1]。

2大跨度隧道土裂缝施工技术分析

2.1土裂缝形成机理与演化特征

隧道开挖过程中形成的三维卸荷效应引发原始地应力场重构，主应力轨迹线向临空面方向偏移形成张拉应力集中区，其最大主应力方向与隧道轴线呈45°-60°夹角。采用弹塑性理论分析表明，浅埋段围岩受地表超载（如建筑物荷载或车辆动载）影响时，塑性区半径扩展量可达深埋段的1.8-2.3倍，导致表层岩体产生径向张拉裂缝。借助FLAC3D数值模拟可清晰呈现裂缝萌生过程：当开挖面推进至监测断面3倍洞径距离时，拱顶处拉应力峰值达到1.5MPa，超过砂岩抗拉强度（通常0.8-1.2MPa）即发生开裂。渗流场与应力场耦合作用进一步加剧裂缝扩展，基于达西定律与断裂力学耦合模型的计算显示，裂隙水渗透压每增加0.1MPa，裂缝尖端应力强度因子K_I值上升12%-15%，当岩体含水率从5%增至15%时，裂缝扩展速率由0.2mm/d跃升至0.6mm/d，呈现典型的水力劈裂效应[2]。

2.2裂缝主动控制技术体系

针对不同发育阶段的裂缝特征，建立分级防控技术体系：对宽度＜2mm的初期裂缝采用渗透型环氧树脂注浆修复，浆液黏度控制在50-80mPa·s以确保充分渗透；2-5mm中等裂缝实施玻璃纤维锚杆加固，杆体直径32mm、间距1.2m呈梅花形布置，其弹性模量（45GPa）介于围岩（15GPa）与喷射混凝土（25GPa）之间，形成梯度刚度过渡层。超前小导管注浆采用双重控制标准，浆液扩散半径通过公式（Q为注浆量，t为凝胶时间，n为孔隙率）计算确定，配合1：0.8水灰比保证28天抗压强度≥25MPa。微膨胀混凝土回填施工时，采用硫铝酸盐水泥基材料，通过钙矾石晶体生长实现0.02%-0.05%体积膨胀率，其膨胀时效曲线需满足（t为龄期/天），确保膨胀过程与围岩蠕变同步发展。实践表明，该技术组合可使裂缝闭合效率提升40%以上。

2.3智能监测与动态调控系统

构建"空-地-体"三位一体监测网络：地表部署InSAR卫星遥感系统，以5mm精度监测沉降趋势；洞内采用分布式光纤传感系统，沿裂缝走向以0.5m间距蛇形布设，基于布里渊散射原理实现0.1mm级应变分辨率。三维激光扫描仪每循环进尺后采集断面点云数据，通过ICP算法比对点云偏差值，自动识别＞0.5mm的形变区域。监测数据经BP神经网络处理，输入层包含12个参数（裂缝宽度、支撑轴力、渗水量等），隐含层设置8个神经元，输出层生成支护刚度调整系数（Δw为裂缝增量/mm）。

3 CD工法与临时支撑协同施工关键技术

3.1分步开挖与支撑时序优化

采用"左上导洞→右上导洞→左下导洞→右下导洞"的四阶段开挖顺序，遵循"弱化水平应力集中、控制竖向位移增量"的时空效应原则，通过交替施工形成环形应力拱效应。支撑架设滞后距离严格限定为2倍洞径以内，基于围岩收敛速率监测数据动态调整，确保掌子面暴露时间不超过岩体自稳临界时长。爆破作业实施振动速度双控标准，设定峰值速度阈值＜2.5cm/s并同步监测主振频率（宜＞50Hz），运用微差爆破技术将单段药量控制在（R为爆心距，K、α为地质系数），通过应力波叠加原理降低对临时支撑体系的动力扰动。

3.2关键施工参数设计

中隔壁厚度计算采用非线性荷载传递模型，基于公式（K为应力集中系数，q为围岩压力，L为支护跨度，f_c为混凝土抗压强度），通过迭代计算确定中隔壁最小安全厚度，同时引入地层损失率修正系数补偿施工误差。临时仰拱曲率半径按R≥3D（D为隧道净跨）控制，结合莫尔-库伦准则优化仰拱矢跨比，使接触应力均匀分布于拱脚区域，避免局部应力超过围岩抗剪强度。锁脚锚杆采用35°±2°倾角布设，通过三维数值模拟验证该角度可使锚杆轴线与潜在滑裂面形成最优法向夹角，配合二次高压注浆工艺实现锚固段与破碎岩体的耦合强化，其抗拔力需满足（γ为折减系数，σ_t为注浆体粘结强度，d、L为锚杆直径与锚固长度）的设计要求。

3.3变形协同控制技术

预应力补偿装置依据围岩流变本构方程动态调整施力值，补偿量按设定（ε为实测位移应变率，E为支护体时变模量），通过液压伺服系统实现毫米级位移精准补偿。多阶段支护刚度匹配采用接触力学原理，初期支护与临时支撑刚度比1：0.6～0.8的设定基于围岩塑性区发展深度计算，通过调整钢拱架截面惯性矩与混凝土弹性模量组合，使支护体系整体刚度曲线与围岩收敛特性曲线形成包络交集。数字化调控平台依托BIM模型与显式有限元耦合引擎，构建实时孪生系统，采用Newmark-β法进行动力迭代计算，每30秒更新一次地层反力系数矩阵，并通过卷积神经网络预测支护结构薄弱部位，动态生成注浆压力梯度、支撑预紧扭矩等调控参数集，实现围岩变形能与支护抗力能的动态平衡控制。

结语

本文通过对大跨度隧道施工中CD工法与临时支撑技术的系统研究，揭示了CD工法在控制围岩变形、提高隧道稳定性方面的优势，以及临时支撑技术在增强隧道结构承载力和适应围岩流变特性方面的作用。文章提出的裂缝主动控制技术体系和智能监测与动态调控系统，为隧道施工中裂缝的预防和处理提供了有效的方法和手段。此外，通过探讨CD工法与临时支撑协同施工的关键技术，本文为复杂地质条件下大跨度隧道的施工提供了全面的技术指导和支持。

参考文献：

[1]田浩帆. 大跨度隧道开挖扰动下围岩稳定性研究[D]. 贵州大学， 2022.

[2]刘克辉. 浅埋大跨度隧道工程施工中不同施工工法的合理性分析[J]. 交通世界（建养.机械）， 2012， （12）： 212-213.

贾博（1997-），男，汉族，中国河北张家口人 大学本科 隧道开挖工法，从事隧道支护技术研究