淺埋暗挖法在青島地鐵車站施工中的應(yīng)用

（青島地鐵集團(tuán)有限公司,266071,青島∥高級(jí)工程師）

淺埋暗挖法在青島地鐵車站施工中的應(yīng)用

遲建平

（青島地鐵集團(tuán)有限公司,266071,青島∥高級(jí)工程師）

結(jié)合青島地鐵3號(hào)線一期工程暗挖車站建設(shè),分析淺埋暗挖法在青島地區(qū)土巖組合地層中應(yīng)用存在的關(guān)鍵問(wèn)題。著重對(duì)暗挖車站工法的地層適應(yīng)性與選用、土巖組合地層圍巖壓力計(jì)算及車站施工期安全性控制進(jìn)行了研究,形成了拱蓋法與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法選用依據(jù)、圍巖壓力計(jì)算雙指標(biāo)方法,以及車站施工期安全性動(dòng)態(tài)變化分析方法。對(duì)土巖組合地層后續(xù)暗挖車站建設(shè)具有指導(dǎo)意義。

地鐵車站;淺埋暗挖法;圍巖壓力;安全性

Author’saddress Qingdao Metro Group Co.,Ltd., 266071,Qingdao,China

淺埋暗挖法早期應(yīng)用于北京地鐵復(fù)興門折返線工程及長(zhǎng)安街下方過(guò)街通道工程等,經(jīng)多年完善,在北京、廣州、重慶、深圳等城市地鐵工程中得到了推廣應(yīng)用［1-3］。淺埋暗挖工法應(yīng)用的地質(zhì)條件逐漸從第四紀(jì)地層、無(wú)水、地面無(wú)建筑物等簡(jiǎn)單條件,拓展到非第四系、有水、大跨度、超淺埋等條件［4］。北京地鐵眾多暗挖車站主要處于第四紀(jì)沖積、洪積土層中,穿越地層為：粉質(zhì)黏土、砂層、圓礫層及卵石層等［4-6］;廣州地區(qū)上部多為人工填土、淤泥或淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)砂,下部為上更新統(tǒng)陸相沖積洪積形成的砂、土層,底部為基巖殘積形成的黏性土層,軟硬相間的砂泥巖是地鐵隧道施工的主要地層［7-8］;重慶地區(qū)地面覆土厚度0～5 m,下伏基巖為砂巖、砂質(zhì)泥巖,淺埋暗挖法在重慶軌道3號(hào)線及6號(hào)線地鐵車站中也得到了應(yīng)用［9-11］。

地下工程中工法的選擇具有很強(qiáng)的地域性。淺埋暗挖法雖已在我國(guó)多個(gè)城市地鐵工程中使用,但應(yīng)用的地層多為硬土、砂卵石、泥巖、砂巖、板巖等土質(zhì)或沉積巖、變質(zhì)巖地層。青島地區(qū)是以花崗巖硬質(zhì)巖為主,且呈明 顯 上 軟下硬特 征［12］,與其它地區(qū)地層有顯著差別,不能直接照搬其它地區(qū)的工程經(jīng)驗(yàn)。

本文針對(duì)淺埋暗挖法在土巖組合地層暗挖車站應(yīng)用中遇到的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行分析,并結(jié)合青島地區(qū)地層條件特點(diǎn),對(duì)工法的地層適應(yīng)性與選用依據(jù)、土巖組合地層圍巖壓力計(jì)算及車站施工期安全性動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行研究,形成拱蓋法與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法選用依據(jù)、圍巖壓力計(jì)算雙指標(biāo)方法,以及車站施工期安全性動(dòng)態(tài)變化分析方法,為青島地鐵后續(xù)工程建設(shè)提供有益的理論和技術(shù)支撐。

1 青島地區(qū)土巖組合地層特性

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告［13］,青島地區(qū)主要分布有第四系松散堆積層和燕山晚期侵入花崗巖基巖以及燕山晚期侵入脈巖。第四系主要由全新統(tǒng)人工填土、全新統(tǒng)沖洪積層、上更新統(tǒng)沖洪積層組成;基巖主要為燕山晚期侵入花崗巖為主,部分燕山晚期侵入脈巖,巖性為煌斑巖、花崗斑巖呈脈狀穿插其間,在不同巖性接觸帶見(jiàn)有糜棱巖、碎裂巖。對(duì)取自不同深度的205個(gè)土樣與347個(gè)巖樣的室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,取樣點(diǎn)涵蓋青島地鐵3號(hào)線一期工程全線,對(duì)地層的工程特性具有較好的代表性。以上試樣共有87組土樣（29組采用固結(jié)快剪、58組采用快剪）和46組巖樣的直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù);共有179個(gè)土樣和39個(gè)巖樣彈性模量數(shù)據(jù)。由于土樣與巖樣黏聚力數(shù)值相差較大,因此按kPa為單位對(duì)黏聚力c取對(duì)數(shù),黏聚力-深度分布圖見(jiàn)圖1（a）;圖1（b）為摩擦角-深度分布圖;對(duì)彈性模量E則按 MPa為單位取對(duì)數(shù),不同深度下的分布圖見(jiàn)圖1（c）。

圖1 土巖組合地層力學(xué)參數(shù)沿深度分布

由圖1可見(jiàn),青島地區(qū)為土巖組合地層,地層強(qiáng)度與變形參數(shù)呈現(xiàn)明顯“兩層”特性,土巖界面變幅大。土巖強(qiáng)度參數(shù)差異約為3個(gè)數(shù)量級(jí)。在深度10 m以內(nèi),摩擦角大多小于30°,10 m 以下摩擦角多大于40°。該地層沿深度力學(xué)特性變化顯著,對(duì)地鐵3號(hào)線一期工程暗挖車站的拱頂埋深統(tǒng)計(jì)表明：暗挖車站拱頂埋深多在9～14 m 范圍內(nèi),拱頂存在一定厚度風(fēng)化巖,多為Ⅳ-Ⅴ級(jí)。

2 地鐵3號(hào)線一期工程暗挖車站型式與工法

青島地鐵3號(hào)線一期工程8座全暗挖或半明半暗挖車站概況見(jiàn)表1。從表1可見(jiàn),暗挖車站多采用單拱式車站結(jié)構(gòu),具有空間開(kāi)闊利于客流集散、防水易施作、站臺(tái)型式布置靈活等優(yōu)點(diǎn)。車站穿越強(qiáng)風(fēng)化一微風(fēng)化花崗巖,拱頂埋深多在8～12 m,拱部圍巖多為Ⅳ-Ⅴ級(jí)。車站拱頂與洞底圍巖相差較大,具有典型上軟下硬特性。

暗挖車站采用的暗挖工法主要為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和拱蓋法。其中,拱蓋法系首次在青島地鐵工程中應(yīng)用。拱蓋法將隧道斷面分為上、下兩部分進(jìn)行開(kāi)挖,上半斷面分3個(gè)導(dǎo)洞開(kāi)挖,設(shè)立2道豎向臨時(shí)支撐用于減跨。由于下部圍巖為完整性較好微風(fēng)化花崗巖,模筑拱部二砌,將拱腳支撐于完整巖石上,形成可靠的支撐結(jié)構(gòu),待上部混凝土拱蓋澆筑完成后,再進(jìn)行下部斷面開(kāi)挖。具體的施工步序見(jiàn)圖2。

表1 暗挖車站概況

拱蓋法較雙側(cè)壁導(dǎo)坑法具有更大的工作空間,便于隧道斷面的開(kāi)挖和施工機(jī)械的進(jìn)出;同時(shí),拱蓋法將拱腳支撐于較好的圍巖上,可充分發(fā)揮車站下半斷面圍巖的支撐能力。

圖2 拱蓋法施工步序圖

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法將車站斷面劃分為左、中、右3個(gè)導(dǎo)洞,每個(gè)導(dǎo)洞分臺(tái)階開(kāi)挖,并施作初襯、臨時(shí)支撐與仰拱,整個(gè)斷面開(kāi)挖完畢后再進(jìn)行臨時(shí)支撐拆除與二襯施工,典型開(kāi)挖步序圖見(jiàn)圖3。

圖3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖步序圖

3 土巖組合地層淺埋暗挖車站的關(guān)鍵問(wèn)題

3.1 暗挖工法的地層適應(yīng)性與選用依據(jù)

土巖組合地層具有上軟下硬差異大、土巖界面起伏大等特點(diǎn),在該地層下的淺埋暗挖法應(yīng)用尚無(wú)成熟經(jīng)驗(yàn)。且拱蓋法系首次應(yīng)用,因此工法的地層適應(yīng)性與選用依據(jù)是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

因此,選取江西路站、萬(wàn)年泉路站與中山公園站為工程背景,以青島地鐵3號(hào)線暗挖車站主要采用的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法與拱蓋法為研究對(duì)象,綜合三維數(shù)值計(jì)算、工程實(shí)證分析等多種手段進(jìn)行研究。

三維計(jì)算表明：圍巖Ⅳ-Ⅴ級(jí)時(shí),拱蓋法導(dǎo)致的地表最大沉降及拱腳圍巖應(yīng)力大于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。Ⅳ-Ⅴ級(jí)圍巖條件下,雙側(cè)壁導(dǎo)坑法適應(yīng)性更強(qiáng)。對(duì)于拱蓋法,計(jì)算表明：拱腳部位為Ⅳ級(jí)圍巖時(shí),下半斷面開(kāi)挖導(dǎo)致沉降基本呈線性發(fā)展;Ⅲ級(jí)圍巖時(shí),拱蓋可有效抑制后續(xù)沉降的發(fā)展。拱腳圍巖條件對(duì)拱蓋控制沉降效果及隧道安全性起重要作用。

隨機(jī)選擇相應(yīng)車站地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明：開(kāi)挖階段拱蓋法與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法引起的地表沉降值相差不大,最大沉降量為35～ 40 mm。拱腳部位圍巖為Ⅲ級(jí)時(shí),實(shí)測(cè)地表沉降數(shù)據(jù)見(jiàn)圖4。工程實(shí)證分析表明：當(dāng)拱腳部位為Ⅲ級(jí)圍巖時(shí),拱蓋可有效抑制后續(xù)沉降的發(fā)展,與數(shù)值計(jì)算分析結(jié)論一致。

圖4 地表沉降發(fā)展曲線

拱蓋法適用于圍巖等級(jí)在Ⅳ級(jí)以上且含水量少,圍巖完整性較好的情況;爆破時(shí)可適當(dāng)在拱腳弱爆或炮眼適當(dāng)遠(yuǎn)離拱腳,人工處理拱腳托梁處圍巖,盡最大努力保護(hù)拱腳座落處的圍巖。同時(shí),工法的順利實(shí)施對(duì)關(guān)鍵部位勘察精度要求高。以拱蓋法為例,拱腳座落處巖層條件直接影響該工法的順利實(shí)施,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)車站部位邊墻地層條件的勘察。結(jié)合各工法計(jì)算分析、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析、青島地區(qū)地層特點(diǎn),各工法適應(yīng)地層條件與特點(diǎn)總結(jié)如表2所示。

表2 暗挖工法適用條件

3.2 土巖組合地層圍巖壓力計(jì)算

關(guān)于淺埋隧道圍巖壓力的計(jì)算,規(guī)范［14］將滑移巖柱分為兩部分（一個(gè)等于隧道寬度的巖體,兩個(gè)三棱巖體）,通過(guò)靜立平衡計(jì)算側(cè)阻力。在超淺埋情形,規(guī)范［14］建議按上覆自重計(jì)算圍巖壓力。以上計(jì)算方法在單一地層中較為適用,而在青島土巖組合地層條件下,暗挖車站覆蓋層土巖強(qiáng)度差異大,且土巖界面起伏大,因此在車站縱向范圍內(nèi),覆蓋層厚度及拱頂覆巖厚度均為變量。由于缺乏對(duì)覆蓋層的合理分析方法,將覆蓋層按土層或巖層考慮均不合適,此種情況下的圍巖壓力計(jì)算方法不明確。

為進(jìn)行覆蓋層的合理評(píng)價(jià)分析,在常用的覆跨比指標(biāo)基礎(chǔ)上引入巖跨比［15］,即車站覆蓋層中巖層厚度與車站跨度的比值,參見(jiàn)圖5。

式中：

f＇——巖跨比;

h2——拱頂上覆巖層厚度;

D——車站跨度。

圖5 巖跨比示意圖

在車站縱向范圍內(nèi),覆跨比與f＇均為變量,有限元計(jì)算表明：f＇一定的情況下,覆跨比增加使隧道結(jié)構(gòu)受力基本呈線性增大;在覆跨比一定的情況下,f＇逐漸減小會(huì)導(dǎo)致圍巖塑性區(qū)范圍顯著增大,并當(dāng)f＇小于某一限值時(shí)圍巖無(wú)法自穩(wěn),該限值與圍巖等級(jí)相關(guān)。算例表明Ⅳ級(jí)圍巖條件下的f＇限值為0.05,當(dāng)f＇小于0.05時(shí),開(kāi)挖后圍巖不能自穩(wěn)。f＇控制土巖組合地層暗挖車站的安全,因此,土巖組合地層圍巖壓力計(jì)算應(yīng)首先對(duì)覆蓋層進(jìn)行合理的分析評(píng)價(jià)。

在對(duì)常用圍巖壓力計(jì)算方法（巖柱法、規(guī)范法與修正巖柱法等）分析比較的基礎(chǔ)上,結(jié)合對(duì)土巖組合地層暗挖車站覆跨比與巖跨比計(jì)算,提出應(yīng)用于土巖組合地層條件圍巖壓力計(jì)算的雙指標(biāo)方法。即：假設(shè)滑移巖柱與隧道寬度相等,按朗肯主動(dòng)土壓力公式計(jì)算兩側(cè)圍巖對(duì)滑移巖柱的側(cè)阻力,不考慮上覆巖層的強(qiáng)度折減,圍巖壓力計(jì)算雙指標(biāo)方法計(jì)算公式如下：

式中：

G——每延米上覆層自重,k N;

T——每延米側(cè)阻力,k N;

B——隧道寬度,m。

計(jì)算流程圖如圖6所示。

圖6 圍巖壓力計(jì)算流程

應(yīng)注意的是,對(duì)不同的圍巖等級(jí),相應(yīng)的f＇限值不同;同時(shí),應(yīng)用中考慮到硬巖地層鉆爆法開(kāi)挖的超挖影響,將計(jì)算極限f＇適當(dāng)放大。以3號(hào)線江西路站某斷面地層為背景,采用不同計(jì)算方法所得的圍巖壓力結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 圍巖壓力計(jì)算結(jié)果 kPa

幾種計(jì)算方法圍巖壓力為上覆巖土自重的83%～94%,規(guī)范中方法計(jì)算值最大,雙指標(biāo)法約為上覆層自重的85%;雙指標(biāo)法圍巖壓力值與修正巖柱法接近。

3.3 車站施工期安全性動(dòng)態(tài)變化

淺埋暗挖車站斷面大,工法工序多;同時(shí)車站多位于城市中心區(qū),站址周邊建筑物較多,地下管線復(fù)雜,施工期車站安全性控制是工程關(guān)注的重點(diǎn)。目前對(duì)隧道安全性的研究多集中于隧道整體安全性,并由定性分析逐漸向定量分析發(fā)展［16-17］。實(shí)際上,在大跨暗挖車站施工中,圍巖應(yīng)力隨著開(kāi)挖進(jìn)尺的增加不斷釋放;作為支護(hù)結(jié)構(gòu)組成部分的噴射混凝土屬于多孔材料,早期性能隨時(shí)間發(fā)展。隧道安全性是一個(gè)隨工況動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程,是圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用的結(jié)果。因此,車站施工期安全性動(dòng)態(tài)變化是淺埋暗挖暗挖車站施工的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

為定量分析土巖組合地層車站施工期安全性的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,應(yīng)用有限元強(qiáng)度折減法,基于掌子面推進(jìn)與沉降發(fā)展的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)考慮圍巖應(yīng)力釋放的空間效應(yīng),并通過(guò)噴射混凝土彈性模量隨時(shí)間發(fā)展的時(shí)變過(guò)程來(lái)考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)性能隨時(shí)間的變化。以雙側(cè)壁導(dǎo)坑法為分析對(duì)象,計(jì)算3號(hào)線江西路站整個(gè)施工期車站各工況的安全系數(shù)見(jiàn)圖7。

將斷面分成6個(gè)區(qū)域（見(jiàn)圖3）。一個(gè)完整的開(kāi)挖過(guò)程包括三個(gè)施工步：第一步為導(dǎo)洞開(kāi)挖,第二步中施做初期支護(hù),第三步使支護(hù)結(jié)構(gòu)彈性模量與圍巖應(yīng)力釋放達(dá)到100%。6個(gè)區(qū)域共18個(gè)施工步。

圖7 施工步安全系數(shù)［18］

結(jié)合圖7可見(jiàn),在青島土巖組合地層中采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行地鐵車站的施工,現(xiàn)有設(shè)計(jì)能滿足隧道的安全要求,各開(kāi)挖步施工過(guò)程中巖土體強(qiáng)度均有一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備。施工期隧道安全性隨開(kāi)挖區(qū)域的增加呈下降趨勢(shì),初期支護(hù)閉合可提高隧道安全性,上導(dǎo)洞初期支護(hù)閉合后進(jìn)行下部導(dǎo)洞開(kāi)挖過(guò)程中,隧道安全性基本不變。部分工況下的安全系數(shù)及失穩(wěn)形式見(jiàn)表4。

表4 各工況安全系數(shù)及失穩(wěn)形式

由表4可見(jiàn),雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖過(guò)程中,左右側(cè)導(dǎo)坑開(kāi)挖時(shí)若圍巖強(qiáng)度不足最先引起的破壞出現(xiàn)在洞頂部位,失穩(wěn)形式為隧道內(nèi)的局部坍塌;開(kāi)挖中導(dǎo)洞時(shí),圍巖強(qiáng)度不足所造成的破壞發(fā)生在拱頂圍巖,此時(shí)洞頂塑性區(qū)將貫通地表,其失穩(wěn)形式為從拱頂至地表的整體坍塌,同時(shí)已施做的初期支護(hù)則起到了穩(wěn)定左右導(dǎo)洞的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）青島地區(qū)為土巖組合地層,沿深度強(qiáng)度與剛度差異顯著,具有上軟下硬特征,且土巖界面起伏大。

（2）淺埋暗挖法在青島地鐵3號(hào)線一期工程中得到了成功應(yīng)用,其中暗挖車站工法的地層適應(yīng)性與選用、土巖組合地層圍巖壓力計(jì)算及車站施工期安全性為工程的關(guān)鍵問(wèn)題。

（3）以工程實(shí)踐為基礎(chǔ),結(jié)合相關(guān)研究形成的拱蓋法與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法選用依據(jù)、圍巖壓力計(jì)算雙指標(biāo)方法及車站施工期安全性動(dòng)態(tài)變化分析方法,對(duì)土巖組合地層后續(xù)暗挖車站建設(shè)具有指導(dǎo)意義。

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Application of Shallow Excavation Tunnelling Method at Qingdao Metro Station

Chi Jianping

Combined with the construction of Qingdao metro Line 3,the application of shallow excavation tunnelling method and the key problems of the project in soil-rock combination stratum are analyzed.By focusing on the adaptability and the selection of construction method,a calculation of surrounding rock pressure in soil-rock combination stratum is made and the safety control in metro station construction is studied,which becomes the basis for the selection of arch-cover method,double-side-drift method, double-index method for surrounding rock pressure calculation,and the analytic method for safety dynamic change at metro station during the construction.This research has a guiding significance for the following construction of metro stations in soil-rock combination stratum.

metro station;shallow excavation tunnelling method;surrounding rock pressure;safety

U 455.4

2013-10-09）