袁國棟,王渭明
(山東科技大學 山東省土木工程防災減災重點實驗室,山東 青島 266590)
拱蓋法作為一種淺埋暗挖大型地鐵車站施工方法,尤其適用于上軟下硬的巖土復合地層,具有環(huán)境影響小、效率高、安全性高等優(yōu)點[1],目前已在大連地鐵和青島地鐵車站施工中成功應用。董子龍等[2]以大連地鐵某車站施工為例研究了拱蓋法施工工藝;王丹等[3]通過數(shù)值模擬研究了青島地鐵某車站拱蓋法施工沉降規(guī)律及控制變形對策;杜子健[4]通過數(shù)值計算研究了拱蓋法不同施工步序下地表沉降,確定了拱蓋法施工過程中需要控制的重要環(huán)節(jié);王志杰等[5]運用ANSYS研究了地鐵車站圍護結構對主體結構內力與位移的影響。
上述文獻主要研究了拱蓋法施工的適用條件及施工工藝,對拱蓋法的推廣具有重要推動作用,但缺乏對拱蓋法施工中尤其是不良地質條件下車站主體支護參數(shù)及支護效果的研究。本文以青島地鐵2號線棗山路車站施工為例,結合現(xiàn)場的地質條件,研究車站下斷面含軟弱夾層時對車站主體結構穩(wěn)定性的影響,分析注漿加固層厚度、錨索位置及條數(shù)、錨索初始預應力對支護效果的影響,為該工程的快速施工及安全控制提供理論依據(jù)。
棗山路車站起點里程ZSK47+25.359,終點里程ZSK47+252.709,全長227.35 m,地處黑龍江路和棗山路交叉口。車站拱頂埋深11~15 m,主斷面開挖跨度22.7 m。站址內地下水主要為基巖裂隙水與第四系孔隙水。其中:基巖裂隙水主要賦存在風化巖層裂隙中,屬于弱透水層,其涌水量大小和透水性存在明顯的不均勻性;第四系孔隙水主要賦存在填土層,為中等透水層??傮w站內賦水量不大。
根據(jù)前期勘探情況,原設計將棗山站車站主體置于中風化花崗巖中,滿足車站主體結構的穩(wěn)定性。但在實際施工中,車站下斷面含有破碎夾層,其物理性質類似于強風化花崗巖,不能滿足大拱蓋結構持力要求。原地質勘探與開挖揭示的巖性對比如圖1所示。
圖1 原地質勘探及開挖揭示的巖性對比
針對青島地鐵棗山路車站下斷面存在軟弱夾層問題,為加強車站下斷面基巖的承載能力,提出了拱蓋-錨索-注漿組合支護體系。即首先對車站頂部作拱蓋結構,然后對車站的下斷面邊墻外側圍巖采用注漿錨桿進行注漿加固,注漿加固厚度為3 m,并采用型鋼加錨索的支護形式加固,錨索初始預應力為200 kN,由長12 m的4根7φ15.2的低松弛鋼絞線組成。拱蓋-錨索-注漿組合支護體系施工順序見表1。
表1 拱蓋-錨索-注漿組合支護體系施工順序
拱蓋-錨索-注漿組合支護體系力學機理如圖2所示。采用注漿錨桿對邊墻外側圍巖進行注漿加固,漿液首先對圍巖的空隙或縫隙進行充填,進而與圍巖固結形成一個完整的結石體。配合原有的支護方案,在拱頂及邊墻外側巖體中形成了一個多層有效組合拱,即超前加固拱、拱蓋、錨索及錨桿注漿加固區(qū)、噴網加固層,從而增強了支護結構的整體性,提高了支護結構的承載能力,擴大了支護結構的承載范圍[6]。
圖2 拱蓋-錨索-注漿組合支護體系力學機理
對于跨度較大的且存在不良地質情況的地鐵車站,由于受注漿加固范圍限制及組合拱效應不明顯,使得組合拱強度往往不能保持圍巖的穩(wěn)定。因此,利用錨索長度的優(yōu)勢對組合拱圍巖提供較大的側向應力和位移約束,提高組合拱的強度。錨索與注漿錨桿對圍巖形成多重連續(xù)的加固區(qū),從而使邊墻外側破碎圍巖形成一個有機的整體[7]。
在FLAC 3D中建立尺寸為120 m(長)×100 m(寬)×70 m(高)的計算模型,模型共有 73 675 個單元,79 040 個節(jié)點。模型上邊界為自由面,側面限制水平位移,底面限制豎向位移。隧道圍巖采用莫爾-庫倫彈塑性模型,初期支護、二次襯砌及車站托梁均采用實體彈性單元體,錨桿采用cable單元體,鋼支撐采用liner單元體。計算模型如圖3所示。變更設計后巖(土)層及支護結構物理力學參數(shù)見表2。
圖3 計算模型
表2 變更設計后巖(土)層及支護結構物理力學參數(shù)
在原地勘條件下(車站主體均位于中風化巖層中)采用拱蓋法施工時,車站開挖完成后的地表沉降曲線見圖4??芍旱乇碜畲蟪两禐?2.34 mm,滿足沉降小于30 mm的要求,說明中風化巖層具有足夠的穩(wěn)定性及承載力。
圖4 車站開挖后地表沉降曲線
按照開挖揭示的巖性,采用原支護方案進行支護,地表最大沉降量為54.07 mm,遠遠超過地表沉降允許值30 mm。拱肩處的塑性區(qū)已發(fā)展到地面,可能導致地面建筑物的破壞,車站側墻圍巖處于塑性流動狀態(tài),不能保證車站主體的穩(wěn)定。托梁下臥軟弱夾層,巖石風化及裂隙發(fā)育程度高,物理力學性質差,降低了其承載力,使其無法保證車站主體的穩(wěn)定性。
由圖4可知:采用拱蓋-錨索-注漿組合法施工,地表最大沉降減小到22.15 mm。塑性區(qū)面積明顯減少,只有拱腳外側上方、托梁下側圍巖處于塑性剪切狀態(tài),說明對邊墻外側圍巖注漿加固提高了圍巖的承載能力,錨索約束了錨桿、拱蓋形成的多層組合拱的側向位移,提高了圍巖的穩(wěn)定性。
運用FLAC 3D有限差分軟件分別研究邊墻注漿厚度、錨索位置及條數(shù)、錨索初始預應力對車站主體結構穩(wěn)定性的影響,運用穩(wěn)定性增量方法評價各工況下支護效果,進而確定拱蓋-錨索-注漿組合支護體系的最優(yōu)支護參數(shù)。
4.1.1 模擬計算結果分析
依據(jù)注漿加固層厚度劃分為5個工況,見表3。工況2、工況4的塑性區(qū)分布情況見圖5,各工況下地表沉降隨施工步變化曲線見圖6。
分析圖5和圖6可知:①隨著車站下斷面?zhèn)葔ψ{加固層厚度的增大,車站拱頂和側墻塑性區(qū)面積逐漸減小。當注漿加固層厚度為1 m時,車站邊墻大部分區(qū)域處于塑性狀態(tài),容易引起邊墻破壞,導致車站拱蓋失穩(wěn);當注漿加固層厚度為3 m時,只在注漿范圍以外區(qū)域出現(xiàn)塑性區(qū),塑性區(qū)面積顯著減小。②隨著注漿加固層厚度的增大,地表沉降曲線逐漸變緩;當注漿加固層厚度為3 m和4 m時,地表沉降曲線基本相同,說明注漿范圍存在一個合理值,超過這個合理值,注漿效果優(yōu)化不明顯。
表3 不同注漿厚度時各項指標值
圖5 工況2、工況4塑性區(qū)分布
圖6 各工況下地表沉降隨施工步變化曲線
4.1.2 車站穩(wěn)定性分析
由上述分析可知,注漿加固層厚度很大程度上影響車站圍巖穩(wěn)定性。選取地表沉降、拱頂沉降、襯砌水平位移、最大主應力和塑性區(qū)面積5項指標,來判別不同注漿加固層厚度對車站穩(wěn)定性的影響[8]。不同注漿范圍時各項指標值參見表3。表中各項指標取值均為最大值。
穩(wěn)定性增量:各工況相對于工況1的某一指標的指標優(yōu)化率乘以該指標的影響權重,所得結果累加得到的優(yōu)化參數(shù)。其數(shù)學表達式為
(1)
式中:bj為第j項指標的影響權重,j=1,2,3,…,n;ci,j為第i工況的第j項指標相對于工況1的指標優(yōu)化率,其數(shù)學表達式為
(2)
式中:ai,j為第i工況的第j項指標值,i=1,2,3,…,n。
影響車站主體穩(wěn)定性的因素眾多,各因素的影響權重亦不相同。綜合國內學者關于多因素風險評價及參數(shù)敏感性分析的研究成果[9-10],結合本工程的實際情況,確定各風險評價指標影響權重,見表4。根據(jù)式(1)和式(2)計算不同注漿加固層厚度時車站的各項指標優(yōu)化率及穩(wěn)定性增量,結果見表5。
表4 各項指標的影響權重
表5 不同注漿加固層厚度時各項指標優(yōu)化率及穩(wěn)定性增量
由表3和表5可知:①隨著注漿加固層厚度的增加,地表沉降、拱頂沉降及塑性區(qū)面積明顯減小,穩(wěn)定性增量逐漸提高,說明注漿加固有效地提高了邊墻外側基巖的整體性與承載力。②隨著注漿加固層厚度的增大,穩(wěn)定性增量呈現(xiàn)先增長較快、后增長減緩的趨勢,說明存在一個合理的注漿范圍。③注漿加固層厚度為4 m時穩(wěn)定性增量比注漿加固層厚度為3 m時僅增加了1.71%。因此綜合考慮各因素的影響確定合理的注漿加固層厚度為3 m。
4.2.1 模擬計算結果分析
車站邊墻外注漿加固層厚度為3 m,錨索初始預應力設為200 kN時,比較不同的錨索位置與條數(shù)對車站穩(wěn)定性的影響。各工況錨索位置見表6。
分析模擬計算結果可知:①車站下斷面邊墻未打設錨索時,拱腳出現(xiàn)應力集中。在拱腳打設1根錨索(工況2)時應力明顯減小。這是因為托梁錨索分擔了鎖腳錨桿的應力,使支護體系受力更均衡,穩(wěn)定性提高。②未打設錨索時在邊墻下部出現(xiàn)應力集中,因此必須同時對拱腳和邊墻打設錨索以保證車站的穩(wěn)定。在車站拱腳及下斷面中部打設錨索(工況4)時,地表最終沉降為22.15 mm,小于地表沉降允許值30 mm。
4.2.2 車站穩(wěn)定性分析
同樣選取地表沉降、拱頂沉降、襯砌水平位移、最大主應力和塑性區(qū)面積5項指標,來判別不同工況下車站的穩(wěn)定性。不同工況下各項指標值及穩(wěn)定性增量參見表6。
表6 不同工況下各項指標值及穩(wěn)定性增量
由表6可知:①工況2相較于工況1穩(wěn)定性增量增加了16.97%,說明拱腳錨索分擔了鎖腳錨桿的應力,確保鎖腳錨桿正常發(fā)揮維護拱蓋穩(wěn)定的作用,對防止圍巖塑性區(qū)進一步增大,確保支護體系的整體穩(wěn)定性具有重要作用。②工況3相較于工況2穩(wěn)定性增量沒有明顯提高,說明邊墻上部錨索未發(fā)揮應有的作用,對支護體系的穩(wěn)定性提升效果不明顯。③工況6相較于工況4增加了邊墻底部錨索,其穩(wěn)定性增量未明顯增加,說明車站下部處于中風化花崗巖中時,圍巖具有一定的承載力和穩(wěn)定性,對車站下斷面下部打設錨索對穩(wěn)定性的提升效果不明顯。最終確定在拱腳及下斷面中部各打設1根錨索。
邊墻注漿厚度3 m,拱腳及下斷面中部各打設1根錨索,通過改變錨索初始預應力來分析初始預應力對車站穩(wěn)定性的影響。不同錨索初始預應力時各項指標值及穩(wěn)定性增量見表7。
表7 不同錨索初始預應力時各項指標值及穩(wěn)定性增量
由表7可知:①隨著錨索初始預應力的不斷增大,地表沉降、拱頂沉降、塑性區(qū)面積等指標均不斷減小。②隨著錨索初始預應力的線性增加,穩(wěn)定性增量先較快增長,繼而緩慢增加,表明錨索初始預應力達到一定值后,繼續(xù)增加預應力對車站主體穩(wěn)定性的提升效果不明顯,而且預應力越大,最終錨索承受的應力亦越大,一定程度上增加了錨索失效的風險。綜合考慮各因素的影響,確定錨索初始預應力為 200 kN。
針對施工揭示的地質情況與原地質勘探結果不符,原支護體系無法滿足地表沉降、拱頂沉降及主體結構受力的要求,提出含軟弱夾層地鐵車站拱蓋-錨索-注漿組合支護體系。經有限元分析得出以下結論:
1)含軟弱夾層大型地鐵車站采用拱蓋法施工時,相較于原有的支護體系,拱蓋-錨索-注漿組合支護體系能有效提高圍巖及主體結構的穩(wěn)定性。
2)隨著注漿加固層厚度的增大,圍巖的塑性區(qū)范圍逐漸減小,車站穩(wěn)定性增量先增長較快、后緩慢增長。注漿加固層厚度宜取3 m。
3)拱腳錨索分擔了鎖腳錨桿的應力,確保了鎖腳錨桿正常發(fā)揮維護拱蓋平衡與穩(wěn)定的作用。在拱腳及下斷面中部打設錨索車站穩(wěn)定性明顯提高。下斷面下部圍巖為中風化花崗巖,具有一定的承載力,下斷面下部打設錨索對維護車站穩(wěn)定性作用不大。宜在拱腳打設1根,在下斷面中部打設1根,共2根錨索。
4)隨著錨索初始預應力的不斷增大,車站穩(wěn)定性增量呈先快后慢非線性增長,且過大的預應力容易造成錨索失效。綜合考慮錨索初始預應力宜設為200 kN。