火山角礫巖風(fēng)化層大跨淺埋硐室圍巖穩(wěn)定性分析

何壽迎，呂三和，姜德鴻，閆強(qiáng)剛，趙民

(1.青島市勘察測(cè)繪研究院，山東 青島 266032； 2.青島巖土工程技術(shù)中心，山東 青島 266032)

1 引 言

淺埋軟弱圍巖條件下的大跨度地鐵車(chē)站進(jìn)行暗挖施工時(shí)具有風(fēng)險(xiǎn)高，難度大的特點(diǎn)。初期支護(hù)變形過(guò)大、側(cè)壁垮塌、拱頂坍塌失穩(wěn)等工程險(xiǎn)情經(jīng)常出現(xiàn)。當(dāng)?shù)罔F車(chē)站上方為城市主干道路時(shí)，冒頂事故極易導(dǎo)致各類(lèi)重要市政管線(xiàn)破壞，進(jìn)而造成地面人員傷亡、帶來(lái)惡劣社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失。車(chē)站拱頂覆巖厚度薄、跨度大、拱頂圍巖穩(wěn)定性差等工程因素是暗挖施工險(xiǎn)情的基本原因。工法選擇是暗挖施工成敗的直接因素。

目前，針對(duì)花崗巖圍巖條件下的洞室開(kāi)挖研究較多，程韜等從數(shù)值分析及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)手段研究，硬巖條件下洞室采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)，初期支護(hù)采用格柵鋼架及系統(tǒng)錨桿，拱頂最大沉降較經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)偏小[1]；顏衛(wèi)東等通過(guò)工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)在拱頂圍巖較差時(shí)，采取較強(qiáng)的超前支護(hù)，強(qiáng)度高，剛度大的措施可較好地減少拱頂?shù)某两?，控制圍巖的變形[2]；王旭東等通過(guò)數(shù)值分析方法研究了在花崗巖為主上軟下硬的地層條件下，暗挖車(chē)站的覆跨比影響暗挖車(chē)站開(kāi)挖的穩(wěn)定性，合理的覆跨比有利于開(kāi)挖的穩(wěn)定性[3]。謝富東等總結(jié)分析了青島清江路地鐵車(chē)站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到隧道施工過(guò)程圍巖的變形特點(diǎn)和支護(hù)受力情況，并借助開(kāi)挖揭露巖體對(duì)圍巖等級(jí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正?；诒O(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)和圍巖等級(jí)修正結(jié)果對(duì)清江路站進(jìn)行施工全過(guò)程三維數(shù)值仿真，對(duì)掌子面前方先行位移和掌子面擠出變形的變化規(guī)律、掌子面前方塑性區(qū)影響范圍以及初期支護(hù)的受力特點(diǎn)進(jìn)行了較全面的分析[4～9]。以上均針對(duì)花崗巖圍巖條件下的圍巖應(yīng)力應(yīng)變分析，目前，對(duì)火山角礫巖風(fēng)化層條件下的大跨度淺埋洞室研究較少。

2 車(chē)站基本概況

2.1 場(chǎng)區(qū)環(huán)境條件

車(chē)站場(chǎng)區(qū)地形較為平緩，為交通繁忙的青島市主干道重慶路。該路埋設(shè)有青島市重要市政管線(xiàn)，地下管線(xiàn)埋設(shè)有寬 1 100 mm電力管溝、Φ400 mm的雨水、Φ1 200 mm給水管、通訊管廊等市政設(shè)施。

暗挖車(chē)站長(zhǎng)約240 m，洞室標(biāo)準(zhǔn)段開(kāi)挖跨度為 19.9 m，高度約為 17.4 m，覆巖厚度為 8.2 m～12.0 m，覆跨比為0.41～0.60，具有開(kāi)挖斷面大，拱頂埋深較淺的特點(diǎn)。車(chē)站輪廓如圖1所示。

圖1 車(chē)站輪廓

2.2 地質(zhì)條件

車(chē)站場(chǎng)區(qū)為剝蝕殘丘地貌，第四系較薄，且為人工填土，厚度小于 2 m；場(chǎng)區(qū)基巖為白堊系青山群八畝地組火山角礫巖，角礫粒徑多在 2 mm～64 mm之間，呈次棱角狀，礦物成分主要為英安質(zhì)(80%)，火山灰膠結(jié)(15%)。長(zhǎng)石、石英和黑云母為主要礦物成分，正交偏光圖像如圖2所示。受風(fēng)化作用影響，基巖內(nèi)形成了強(qiáng)風(fēng)化帶、中風(fēng)化帶及微風(fēng)化帶。場(chǎng)區(qū)內(nèi)中風(fēng)化火山角礫巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度為 18.04 MPa，微風(fēng)化火山角礫巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度為 35.64 MPa。

圖2 火山角礫巖正交偏光圖像

受青島區(qū)域斷裂帶李滄斷裂的影響，場(chǎng)區(qū)內(nèi)發(fā)育多處剪切破碎帶，且形成了多處風(fēng)化凹槽。巖體節(jié)理發(fā)育，且節(jié)理多泥質(zhì)膠結(jié)，粘結(jié)強(qiáng)度較差。洞身穿越的巖土層主要為中風(fēng)化的火山角礫巖、微風(fēng)化火山角礫巖，局部為強(qiáng)風(fēng)化的火山角礫巖、剪切破碎帶。車(chē)站拱頂揭露巖性大部為中風(fēng)化火山角礫巖，局部拱頂為強(qiáng)風(fēng)化火山角礫巖，穿插數(shù)條剪切破碎帶。剪切破碎帶寬約 0.5 m～2 m不等，破碎帶內(nèi)巖體碎散，礦物蝕變強(qiáng)烈，局部為構(gòu)造泥。場(chǎng)區(qū)內(nèi)地下水埋深約 3 m，為基巖裂隙水。Ⅳ圍巖段隧道拱頂中風(fēng)化火山角礫厚度約為 7 m～10 m，其上為強(qiáng)風(fēng)化巖及第四系填土層。Ⅴ級(jí)圍巖段拱頂為厚度 13 m強(qiáng)風(fēng)化火山角礫巖及 2 m厚第四系填土層。車(chē)站主體圍巖等級(jí)為Ⅳ～Ⅴ級(jí)，如圖3所示。各巖土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖3 地質(zhì)剖面圖及圍巖分級(jí)

各巖土層物理力學(xué)參數(shù) 表1

2.3 施工工法

車(chē)站圍巖呈典型的“上軟下硬”特點(diǎn)，其側(cè)壁圍巖相對(duì)完整，具有實(shí)施拱蓋法的地質(zhì)條件，因此車(chē)站采用拱蓋法施工。車(chē)站拱頂圍巖整體較差，拱部采用分區(qū)分段方式開(kāi)挖，為便于組織施工，Ⅳ級(jí)圍巖擬采用中隔壁法(CD法)，初期支護(hù)采用 300 mm型格柵鋼架，0.75 m每榀。Ⅴ級(jí)圍巖段擬采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，格柵鋼架間距為 0.5 m，且采用超前小導(dǎo)管作為超前支護(hù)措施。計(jì)算參數(shù)如表2所示。

支護(hù)材料參數(shù) 表2

3 各級(jí)圍巖條件下的穩(wěn)定性分析

3.1 平衡拱概念

俄國(guó)學(xué)者普氏(簡(jiǎn)稱(chēng))于1907年提出普氏理論，即自然平衡拱理論，認(rèn)為在具有一定粘結(jié)力的松散介質(zhì)中開(kāi)挖洞室后，其上方會(huì)形成一個(gè)拋物線(xiàn)形的自然平衡拱，而作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力是自然平衡拱以?xún)?nèi)的松動(dòng)巖體的重力。自然平衡拱上方的一部分巖體承受著上覆地層的全部重力。在巖體中，由于巖體自身的強(qiáng)度及完整性，拱部按一定覆跨比施工開(kāi)挖后，可以自身形成或在初期支護(hù)的共同作用下，在拱部形成平衡拱。在此類(lèi)條件下，初期支護(hù)的作用是為巖體形成平衡拱創(chuàng)造必要的條件，如限制圍巖的變形，增強(qiáng)拱部圍巖的剛度等。初期支護(hù)與巖體組合形成的平衡拱稱(chēng)為組合平衡拱。平衡拱承擔(dān)覆巖荷載，并通過(guò)拱結(jié)構(gòu)向兩側(cè)傳遞，其應(yīng)力特征為主應(yīng)力方向與平衡拱形態(tài)一致。在數(shù)值分析中，可通過(guò)判別主應(yīng)力分布特征，初步判斷平衡拱的厚度。

3.2 Ⅳ級(jí)圍巖雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖穩(wěn)定性分析

如圖4～圖7所示，開(kāi)挖右側(cè)導(dǎo)洞時(shí)，洞室圍巖的變形特征是：導(dǎo)洞拱頂下沉，最大值位于導(dǎo)坑中間拱頂：最大沉降約為 0.7 cm。圍巖僅出現(xiàn)零星的塑性區(qū)，圍巖整體穩(wěn)定。開(kāi)挖左側(cè)導(dǎo)洞時(shí)，洞頂圍巖沉降主要集中在導(dǎo)坑拱頂附近，最大沉降約為 0.7 cm，在拱腳處出現(xiàn)零星剪切塑性區(qū)。兩側(cè)導(dǎo)洞拱頂圍巖均能形成平衡拱，平衡拱厚度約為 1.5 m。當(dāng)開(kāi)挖其核心土部分時(shí)，圍巖拱頂沉降增大明顯，最大沉降位于拱頂中部，沉降值為 1.25 cm，地面沉降約 0.97 cm，圍巖塑性區(qū)主要位于拱角處。開(kāi)挖全斷面后，拱頂沉降已趨于穩(wěn)定，未再明顯發(fā)展。圖6表明，在上軟下硬的條件下，硬巖層承擔(dān)了上覆巖土層荷載，主應(yīng)力方向與拱形斷面呈近似平行狀。在該條件下，初期支護(hù)措施主要作用為避免拱部局部掉塊引起的拱部硬巖層應(yīng)力傳遞失效，確保自然平衡拱的形成。

圖4 雙側(cè)壁開(kāi)挖豎向位移云圖

圖5 豎向位移云圖

圖6 有效主應(yīng)力矢量圖

圖7 計(jì)算單元塑形區(qū)分布圖

3.3 Ⅳ級(jí)圍巖CD法開(kāi)挖穩(wěn)定性分析

如圖8～圖11所示，開(kāi)挖右側(cè)半幅時(shí)，洞室圍巖的變形特征是：拱頂沉降最大值位于中間偏左位置：最大沉降約為 1.25 cm。圍巖僅出現(xiàn)零星的塑性區(qū)，圍巖整體穩(wěn)定。開(kāi)挖左半幅時(shí)，洞頂圍巖沉降主要集中在導(dǎo)坑拱頂附近，最大沉降約為 22.25 cm，地面沉降約 12 cm。圍巖塑性區(qū)主要位于上覆拱頂處。開(kāi)挖全斷面后，拱頂中部出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)域，塑性區(qū)域較雙側(cè)壁導(dǎo)坑法明顯增大。采用CD法開(kāi)挖時(shí)的拱頂沉降明顯大于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法時(shí)的拱頂沉降。采用CD法時(shí)，加強(qiáng)初期支護(hù)剛度，使支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖共同承擔(dān)上覆巖土層荷載是CD法施工時(shí)控制拱頂沉降的關(guān)鍵。

圖8 CD法開(kāi)挖豎向位移云圖

圖9 豎向位移云圖

圖10 有效主應(yīng)力矢量圖

圖11 計(jì)算單元塑形區(qū)分布圖

3.4 Ⅴ級(jí)圍巖雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖穩(wěn)定性分析

如圖12～圖16所示，開(kāi)挖右側(cè)導(dǎo)洞時(shí)，洞室圍巖的變形特征是：導(dǎo)洞拱頂下沉，最大值位于導(dǎo)坑中間拱頂：最大沉降約為 0.8 cm。圍巖僅出現(xiàn)零星的塑性區(qū)，圍巖整體穩(wěn)定。開(kāi)挖左側(cè)導(dǎo)洞時(shí)，洞頂圍巖沉降主要集中在導(dǎo)坑拱頂附近，最大沉降約為0.8 cm，在拱腳處出現(xiàn)零星塑性區(qū)。兩側(cè)導(dǎo)洞拱頂圍巖均能形成平衡拱，平衡拱厚度約為 2 m。當(dāng)開(kāi)挖其核心土部分時(shí)，圍巖拱頂沉降發(fā)生突變，無(wú)法收斂，拱頂圍巖塑性區(qū)由導(dǎo)坑上部拱頂處不斷發(fā)展擴(kuò)大，最終發(fā)展至隧道大部分拱頂覆巖，預(yù)計(jì)形成地面塌陷。根據(jù)開(kāi)挖過(guò)程模擬計(jì)算結(jié)果，在開(kāi)挖跨度較小的側(cè)壁導(dǎo)洞時(shí)，拱頂較薄的硬巖可形成自然平衡拱，在開(kāi)挖大斷面時(shí)，拱頂較薄的硬巖層無(wú)法有效地將上覆荷載向兩側(cè)傳遞，在剪應(yīng)力集中區(qū)形成了塑形區(qū)，繼而向拱頂上方擴(kuò)展，繼而向洞頂塌陷方向發(fā)展。在該種條件下，拱頂初期支護(hù)措施則需要有較高的強(qiáng)度與剛度，承擔(dān)一部分上覆荷載，初支結(jié)構(gòu)與拱部硬巖層形成組合平衡拱共同承擔(dān)上覆荷載，并將荷載向兩側(cè)拱角處傳遞。

圖12 雙側(cè)壁開(kāi)挖豎向位移云圖

圖13 豎向位移云圖

圖14 有效主應(yīng)力矢量圖

圖15 計(jì)算單元塑形區(qū)分布圖

圖16 Ⅴ級(jí)圍巖剪應(yīng)力分布云圖

3.5 洞室初期支護(hù)形式

本段洞室Ⅳ級(jí)圍巖段采用了格柵鋼架 0.75 m每榀，φ42超前小導(dǎo)管，L=4.5 m，環(huán)向@0.4 m，縱向 1.5 m，噴射C25早強(qiáng)混凝土 350 mm。采用了CD法施工。

中端Ⅴ級(jí)圍巖采用了格柵鋼架0.5 m每榀，拱部φ42超前小導(dǎo)管，L=4.5 m，環(huán)向@0.4 m，縱向 1.5 m，噴射C25早強(qiáng)混凝土 350 mm。采用了雙側(cè)壁法開(kāi)挖。

右側(cè)Ⅴ段圍巖采用CD法開(kāi)挖，初期支護(hù)采用了了格柵鋼架 0.75 m每榀，φ42超前小導(dǎo)管，L=4.5 m，環(huán)向@0.4 m，縱向 1.5 m，噴射C25早強(qiáng)混凝土350 mm。

3.6 洞室開(kāi)挖后沉降監(jiān)測(cè)分析

在Ⅳ級(jí)圍巖段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)，拱頂沉降最大 10 mm，采用CD法施工時(shí)，拱頂沉降過(guò)大，出現(xiàn)了初期支護(hù)格柵鋼架與洞頂圍巖脫離現(xiàn)象，拱頂沉降最大近 40 mm，地面沉降最大近 20 mm，Ⅴ級(jí)圍巖雙側(cè)壁導(dǎo)坑開(kāi)挖段，拱頂沉降最大為 17 mm。

4 結(jié)論及建議

本文以青島地鐵1號(hào)線(xiàn)軟弱圍巖條件下的淺埋暗挖大跨度地鐵車(chē)站為研究背景，分析了火山角礫巖圍巖的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖條件的車(chē)站主體開(kāi)挖數(shù)值試驗(yàn)，研究揭示了中隔壁法及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的適用性及洞室開(kāi)挖引起的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及塑性區(qū)的變化規(guī)律，并對(duì)其施工方法進(jìn)行優(yōu)選。

(1)在Ⅴ級(jí)圍巖條件下，中隔壁法施工風(fēng)險(xiǎn)較大，拱頂沉降明顯超標(biāo)。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工可較好的控制大跨度硐室初期開(kāi)挖的變形，明顯減少地面沉降。

(2)在圍巖條件較差時(shí)，加強(qiáng)初期支護(hù)的剛度與強(qiáng)度，有利于充分發(fā)揮圍巖的自承能力，形成初期支護(hù)體系與圍巖一體的組合平衡拱體系。

(3)在硐室開(kāi)挖時(shí)，隨著硐室開(kāi)挖跨度的逐步加大，硐室圍巖巖體應(yīng)力，應(yīng)變呈現(xiàn)跳躍式變化，拱頂覆巖變形表現(xiàn)為緩慢累積到突然增大的特征。

(4)在上軟下硬的圍巖條件下，拱頂硬巖的厚度對(duì)圍巖的自穩(wěn)性影響明顯，在綜合圍巖分級(jí)時(shí)，需要合理的考慮拱頂硬巖的厚度及洞室的跨度。

(5)拱頂硬巖厚度對(duì)大跨度硐室開(kāi)挖初期穩(wěn)定性起到?jīng)Q定性作用，查明其厚度變化狀態(tài)可減少后期施工風(fēng)險(xiǎn)。

(6)大跨度硐室施工中，施工工法對(duì)硐室開(kāi)挖初期穩(wěn)定性影響明顯，應(yīng)加強(qiáng)施工工法選擇的論證。