硬巖地區(qū)暗挖車站不同開挖方法對地表沉降影響的模擬研究

劉詩群 郭家昊 岳 陽 申華偉

(1.青島地鐵集團有限公司， 266100， 青島； 2.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院， 266033， 青島∥第一作者， 工程師)

淺埋暗挖法在新奧法的基本原理上進行了創(chuàng)新，是目前國內(nèi)地鐵修建中較常用的方法。文獻[1]采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗方式對CRD(交叉中隔墻)法的開挖工序、開挖步距等關(guān)鍵技術(shù)進行研究，總結(jié)出一套完整的優(yōu)化開挖體系。文獻[2]基于復(fù)變函數(shù)法對重慶市軌道交通環(huán)線的華龍站—重慶西站區(qū)間隧道進行淺埋隧道力學(xué)行為理論研究，得出淺埋隧道復(fù)變函數(shù)解的計算方法，以用于隧道施工預(yù)測。文獻[3]采用數(shù)值模擬方法，針對不同臺階高度與長度分析開挖圍巖的穩(wěn)定性與受力情況，得出了上、下臺階開挖高度應(yīng)分別控制在隧道整體高度的25%～30%和30%～45%之間。因此，在淺埋暗挖法施工過程中，應(yīng)結(jié)合所在地區(qū)的地質(zhì)情況選擇合理的開挖方法，開挖過程中要嚴(yán)格控制相應(yīng)變形、減小開挖擾動。

本文以青島地鐵1號線某大跨度暗挖車站為工程背景，采用尺寸相似比為1:50的開挖面及模型箱，對全斷面法、臺階法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD(中隔壁)法、CRD法等不同開挖方法進行室內(nèi)模型試驗。在模擬試驗過程中連續(xù)監(jiān)測圍巖壓力和各種施工方法造成的地表沉降變化，并對圍巖受力和變形規(guī)律進行研究，為拱蓋法拱部開挖方式在青島土巖組合地層中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 工程背景

青島地鐵1號線某暗挖車站穿越土巖交界面，具有覆土薄(厚度為5.10～15.63 m)、跨度大、埋深淺和覆跨比小(0.26～0.65)等特征?；谇鄭u當(dāng)?shù)氐貙印吧宪浵掠病钡奶攸c，目前暗挖車站主要采用拱蓋法施工、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖。其中，拱蓋法包括“單層初支拱蓋”、“雙層初支拱蓋”及“單層初支+二襯拱蓋”等多種方式[4]，按開挖工序還可分為臺階法、CD法、CRD法及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等。拱蓋法的核心是通過拱腳將拱蓋上部荷載均勻地向周邊圍巖傳遞，從而充分利用巖石的承載能力[5]。但在實際施工過程中，根據(jù)實際監(jiān)測變形的大小，發(fā)現(xiàn)采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進行開挖時仍有較大的安全余量，這就需要對拱蓋開挖方式做進一步的優(yōu)化。

2 模型試驗

2.1 模型制作及布置

2.1.1 試驗主體

試驗主體主要包括模型箱、填料及襯砌結(jié)構(gòu)(見圖1)，選取的幾何相似常數(shù)為50。模型箱的底面及3個側(cè)面為1 cm厚鋼板，正視面為鋼化玻璃板，便于開挖支護與后期進行數(shù)字照相和圍巖變形規(guī)律觀察。模型箱尺寸為1 200 mm×600 mm×1 600 mm。鋼化玻璃板上有直徑400 mm的圓形孔洞，用于模擬隧道開挖。鋼化玻璃板在土體固結(jié)之后、開挖之前插入模型箱，并在土體固結(jié)之前用鋼板擋住防止土體變形。拱部襯砌和縱梁采用0.5 mm厚白鐵皮來模擬襯砌結(jié)構(gòu)，并按隧洞的尺寸加工成預(yù)期的形狀。臨時豎向支撐也采用0.5 mm厚白鐵皮預(yù)先制作成模型。

圖1 模型試驗箱

2.1.2 測試裝置

本次模型試驗的測試裝置由傳感器和采集器組成。其中：傳感器包括土體壓力計和反光片等；采集器(GECO-16A多路數(shù)據(jù)采集儀)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)動態(tài)實時采集；地表沉降采用高精度激光測距儀進行觀測。

2.1.3 傳感器布設(shè)圖

傳感器布設(shè)如圖2所示。反光片粘貼在木棒上，插入模型上層表面，進行地表豎向位移的觀測。如圖2 b)所示，在隧道開挖方向上共布設(shè)3個觀測斷面，每個斷面布設(shè)7個監(jiān)測點。每個斷面上的測點編號分別為An、Bn、Cn、Dn、En、Fn、Gn(n為斷面編號1、2、3)，共計21個監(jiān)測點。如圖2 c)所示，在中間測線的正下方埋設(shè)5個土壓力計，其中：拱頂埋設(shè)3個，邊墻左右各1個。

圖2 模型試驗監(jiān)測點布設(shè)

2.2 模擬地層的材料配比

室內(nèi)模型試驗?zāi)M該站主體結(jié)構(gòu)所在的地層條件，其拱頂巖層平均埋深約10 m，圍巖級別為 Ⅳ2級。車站采用單拱大跨暗挖斷面，大拱腳拱蓋法施工、鉆爆法開挖，開挖斷面最寬為24.3 m，高為18.2 m。車站地表以素填土為主，基巖整體性較好，地層從上到下依次為：素填土、雜填土、強風(fēng)化花崗斑巖、微風(fēng)化花崗斑巖、中風(fēng)化花崗斑巖、微風(fēng)化花崗斑巖。土層以黏性土為主，地層大多以燕山晚期粗?；◢弾r為主，少量煌斑巖與花崗斑巖充填其中，部分地區(qū)還能見到糜棱巖、碎屑巖等構(gòu)造巖。車站主體基本分布于中風(fēng)化花崗巖-微風(fēng)化花崗巖，偶見構(gòu)造破碎帶分布。節(jié)理裂隙發(fā)育密集，呈 “井”字狀交叉節(jié)理，開挖過程中隧洞易掉塊及坍塌。

根據(jù)前人[6-7]研究，模型試驗對地層相似材料進行一定的簡化。簡化原則如下：① 模擬的地層材料關(guān)鍵物理力學(xué)性質(zhì)與原型材料相似；② 相似材料在較短時間內(nèi)能凝結(jié)易于成型，制作方便；③ 相似材料和易性好，材料屬性不受溫度等因素干擾：④ 考慮室內(nèi)模擬條件，模擬地層材料獲取簡單，成本低，且對人的身體無副作用。綜上所述，基于以上原則并參考國內(nèi)外試驗經(jīng)驗，本次試驗最終選用水泥、石膏為膠結(jié)材料，河砂為主要填料，通過一定的比例混合來模擬地層(見表1)。

2.3 模型試驗步驟

根據(jù)試驗需要和室內(nèi)試驗條件，試驗步驟設(shè)計如下：

表1 模型試驗的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)

1) 傳感器率定。

2) 進行模型箱填充材料的配比和填筑。按照地層順序往模型箱內(nèi)填相似材料，并以5 cm/層進行分層夯實?？紤]到試驗操作的可行性，本次模擬試驗采用水平分層填筑，以便與實際的地質(zhì)情況更加接近。

3) 監(jiān)測點布置及埋設(shè)。將預(yù)埋的土壓力傳感器放置于設(shè)計位置處，采用挖槽埋設(shè)法對監(jiān)測元件進行埋設(shè)，注意小心壓實，防止壓壞應(yīng)變磚。

4) 用千斤頂頂住開挖面，地層固結(jié)48 h，待土體固結(jié)穩(wěn)定后進行模擬試驗。

5) 將千斤頂架卸下，采集傳感器初始值。開始試驗，觀察開挖面地層情況。

6) 模擬全斷面法、臺階法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法、CD法的施工工序(見表2)進行開挖。其中，試驗中每種施工方法的模擬均需要新填相似材料，并養(yǎng)護等待地層固結(jié)。洞室開挖后立即涂抹水泥+石膏模擬噴層，相應(yīng)厚度為2 mm，并用臨時豎撐支撐導(dǎo)洞。

表2 不同開挖方法的模型試驗施工工序

7) 在試驗過程中進行圍巖壓力、拱頂沉降等方面的動態(tài)監(jiān)測，并用數(shù)碼相機拍攝開挖面圍巖正面的變形情況。

8) 在模型試驗前、中、后階段分別進行地表沉降與拱頂應(yīng)力的觀測。

3 模型試驗結(jié)果與分析

3.1 地表沉降分析

為分析該站地表沉降與拱頂壓力隨開挖過程的變化，即按沿開挖方向第2循環(huán)開挖時的地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，對不同開挖方法監(jiān)測點的地表沉降曲線進行分析。本文選擇開挖深度20 cm時的監(jiān)測斷面進行分析，如圖3所示。選取圖2的3個觀測斷面在20 cm開挖深度處的相交線作為3條觀測線。以圖3 c)為例，“1-工序1”表示采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法模擬時第1條測線的第1步工序開挖完成，“3-工序2”表示第3條測線的第2步工序完成，余類推。

1) 全斷面法模擬試驗。如圖3 a)所示，隨著開挖深度的增加，監(jiān)測斷面上各測點沉降值逐漸增大，呈現(xiàn)出“中間大、兩邊小”的趨勢。開挖至設(shè)計深度20 cm時，最大沉降值達到3.42 mm。

2) 臺階法模擬試驗。如圖3 b)所示，不同測線的變化趨勢基本一致。同1條測線在不同開挖步驟下的地表沉降會發(fā)生變化。其中，第1條測線在不同開挖步驟下的地表沉降最為明顯，當(dāng)開挖至設(shè)計深度20 cm后，其最大沉降達到了3.27 mm。

3) 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法模擬試驗。如圖3 c)所示，隨著不同開挖工序的進行，同1條測線的地表沉降量有明顯的變化。第1道開挖工序完成后隧道拱肩(圖2的C2處)的沉降明顯，拱肩部位為最大沉降點。第2道開挖工序完成后拱肩處明顯下沉，開挖20 cm結(jié)束后的最大沉降達到了3.16 mm。

4) CD法模擬試驗。如圖3 d)所示，第1、2道開挖工序完成后，隧道中線左向測點沉降明顯，開挖20 cm結(jié)束后地表沉降達到最大值。在進行第3道開挖工序時，拱肩處和中間測點(圖2的D2)處沉降加劇，開挖20 cm結(jié)束后的最大沉降達到了3.12 mm。

5) CRD法模擬試驗。如圖3 e)所示，由于CRD法在開挖過程中及時施作了豎撐和橫撐臨時支護，地表沉降值相對較小，最大地表沉降值僅為2.98 mm。

a) 全斷面法

b) 臺階法

c) 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

d) CD法

e) CRD法

f) 各開挖工法的最大沉降值及沉降優(yōu)化情況對比

綜上所述，各施工方法的最大沉降值對比如圖3 f)所示。以全斷面開挖方法引起的最大沉降值為比較對象，其他各施工方法在最大沉降值上的優(yōu)化率如下：臺階法為4.39%，雙側(cè)壁法為7.60%，CD法為8.77%，CRD法為12.87%?？梢姡捎肅D法和CRD法開挖時地表沉降控制效果較好。

3.2 拱頂應(yīng)力分析

本文選取隧道中線的壓力盒數(shù)據(jù)為例進行分析。圖4為各施工方法拱頂應(yīng)力變化曲線，其中：x軸的負值表示未到達監(jiān)測面時，開挖面距監(jiān)測面的距離；x軸的正值表示通過監(jiān)測面后，開挖面距監(jiān)測面的距離。從圖4可以看出，試驗?zāi)Ｐ凸绊斕幍某跏紤?yīng)力約為4.5 kPa。隨著隧洞的開挖，拱頂應(yīng)力逐漸得到釋放并緩慢下降，趨于穩(wěn)定。在開挖面距離監(jiān)測面-2～+12 cm期間為快速沉降降段，此時因隧道開挖破壞了土層的穩(wěn)定性，應(yīng)力迅速釋放，拱頂應(yīng)力迅速降低；其后，由于土層的自穩(wěn)性和支護的及時施作，拱頂應(yīng)力變化逐漸減緩，再次趨于穩(wěn)定。

圖4 各種施工方法中拱頂應(yīng)力變化曲線圖

4 結(jié)論

1) 青島屬于典型的硬巖地區(qū)，以全斷面開挖法的最大沉降值為比較對象，其他方法在最大沉降值上的優(yōu)化率分別為：臺階法為4.39%，雙側(cè)壁法為7.60%，CD法為8.77%，CRD法為12.87%，可見采用CD法和CRD法開挖對地表沉降控制效果較好。

2) 各種開挖方法的拱頂應(yīng)力變化趨勢基本一致：在模型試驗中表明，隧道開挖會破壞土層的穩(wěn)定性，開挖面距監(jiān)測面-20～-2 cm時，為緩慢變形階段；在開挖面距離監(jiān)測面-2～+12 cm期間，受隧洞開挖影響，應(yīng)力迅速釋放，拱頂應(yīng)力迅速降低，此時地表沉降響應(yīng)較敏感，為快速沉降階段；之后由于土層的自穩(wěn)性與臨時支護的及時施作，拱頂應(yīng)力變化逐漸減緩并趨于穩(wěn)定，進入穩(wěn)定變形階段。