含軟弱夾層地鐵車站拱蓋-錨索-注漿組合支護體系研究

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)。

1 工程概況

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

2 拱蓋-錨索-注漿組合支護體系

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]。

3 拱蓋法與拱蓋-錨索-注漿組合法沉降分析

3.1 計算模型

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)

3.2 拱蓋法施工分析

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。

3.3 拱蓋-錨索-注漿組合法施工分析

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。

4 錨索、注漿支護參數(shù)對車站穩(wěn)定性的影響

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 注漿加固層厚度對車站穩(wěn)定性的影響

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 錨索位置與條數(shù)對車站穩(wěn)定性的影響

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。

4.3 錨索初始預應力對車站穩(wěn)定性的影響

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。

5 結論

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。