硬巖地層地鐵暗挖車站施工過程力學(xué)分析

王柯， 黃成， 蒲萬旭， 李為騰*， 李永順， 李洋

(1.山東科技大學(xué)， 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 青島 266590； 2.青島市西海岸軌道交通有限公司， 青島 266000； 3.中建八局軌道交通建設(shè)有限公司， 南京 210046)

隨著地下軌道交通事業(yè)的發(fā)展，隧道工程建設(shè)數(shù)量日益增多且工況越加豐富、復(fù)雜[1-2]。地鐵暗挖車站因其功能要求，一般屬于淺埋、大跨隧道范疇。有關(guān)學(xué)者在此方面做了大量研究，蔣亮等[3]采用數(shù)值軟件模擬臺階法施工，分析3種工況下淺埋隧道開挖引起的拱頂沉降和地表沉降的異同；徐劍波等[4]以沙子塘淺埋偏壓隧道為依托，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)值模擬等技術(shù)手段，詳細(xì)分析了典型監(jiān)測斷面圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用關(guān)系；朱苦竹等[5]采用FLAC3D研究了分別使用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、交叉中隔墻法和三臺階七步法的淺埋軟弱圍巖大跨度隧道開挖過程，以確定最優(yōu)的開挖工法；孔超等[6]以貴陽地鐵某單拱大跨隧道為背景，通過開展模型試驗(yàn)，結(jié)合有限元極限分析法，對比分析不同工況施工過程中圍巖變形規(guī)律以及拱蓋結(jié)構(gòu)極限承載能力。部分城市如青島、大連、重慶等為典型的“上軟下硬”地層，其地鐵車站因此具有淺埋、硬巖、大跨的鮮明特點(diǎn)。鄭世杰等[7]通過采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法對青島地區(qū)“上軟下硬”復(fù)合地層雙線平行隧道圍巖變形特征和地層移動規(guī)律進(jìn)行了研究；賈寶新[8]以大連地鐵5號線地區(qū)盾構(gòu)施工為背景，研究了在穿越上軟下硬地層時(shí)盾構(gòu)施工引起的地表沉降；Zhang等[9]通過數(shù)值分析推導(dǎo)了大斷面隧道開挖圍巖壓力的計(jì)算公式，并將該公式應(yīng)用于重慶某大斷面地鐵車站圍巖壓力的計(jì)算。

以上研究大多數(shù)是對淺埋隧道、大跨隧道、軟巖隧道及硬巖隧道的沉降規(guī)律、圍巖壓力、施工工法等探究，但對同時(shí)兼具淺埋、硬巖、大跨特點(diǎn)的隧道施工過程力學(xué)分析少有人研究?，F(xiàn)以青島地鐵暗挖車站淺埋硬巖大跨隧道為工程背景，在現(xiàn)場監(jiān)測基礎(chǔ)上采用三維數(shù)值模擬，研究淺埋硬巖大跨隧道施工過程力學(xué)特征，以期為類似工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 工程背景

青島地鐵6號線海港路站為暗挖島式車站，狀況如圖1所示。從圖1(b)可知，地層從上至下依次為素填土層、強(qiáng)、中、微風(fēng)化花崗巖層，圍巖等級為Ⅲ2～ⅠⅤ2級，該車站地下水類型主要為基巖裂隙水，地下水水量等級貧。車站拱部開挖跨度約22.4 m，高度約7.6 m，矢跨比約為0.34，主體下斷面開挖寬度21.1 m，高約10.2 m。車站均位于微風(fēng)化巖層內(nèi)，拱頂埋深約14.8～19.9 m，主體結(jié)構(gòu)型式為單拱大跨復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。

圖1 車站概況Fig.1 Station overview

車站施工工法采用初支拱蓋法[10-11]，通過單層(雙層)初期支護(hù)形成拱蓋結(jié)構(gòu)體系，在其保護(hù)下開挖下部巖體，開挖完成后再自下而上順筑二襯結(jié)構(gòu)。車站施工順序如圖1(c)所示，車站拱部中間分兩個(gè)臺階開挖，先開挖隧道拱部中間上臺階1部，并施作該部初支拱蓋11；與1部相差15.2 m開挖隧道拱部左側(cè)2部，在拱腳位置施作鎖腳錨桿12，接長拱頂初支拱蓋11，與2部相差15.2 m開挖右側(cè)3部，重復(fù)上述工序，完成初支拱蓋11施工；在初支拱蓋11的保護(hù)下，拉槽開挖車站下部巖體，分左、中、右三部分和上、中、下三臺階共9部開挖，并施作相應(yīng)段的邊墻初期支護(hù)13，直到開挖到底；自下而上順筑車站二襯及主體結(jié)構(gòu)，完成車站施工。車站主體結(jié)構(gòu)支護(hù)如表1所示。

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 模型及參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告結(jié)果，取隧道及四倍跨度的圍巖作分析對象，模型尺寸為100 m×75.9 m×45.6 m(寬×高×厚)，對Ⅳ2級圍巖地層進(jìn)行簡化，進(jìn)行網(wǎng)格剖分如圖2(a)所示，單元數(shù)為668 513個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為640 434個(gè)。模型的法向位移在前后面和左右面均受約束，底面全位移受約束，上面位移不受約束。圍巖采用摩爾-庫倫理想彈塑性模型，圍巖物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。采用beam單元模擬格柵鋼架，采用cable單元模擬預(yù)應(yīng)力錨桿，采用實(shí)體單元模擬噴射混凝土，厚度為200 mm，考慮鋼筋網(wǎng)對噴射混凝土的增強(qiáng)效應(yīng)[12]，斷面支護(hù)體系見圖2(b)，支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)如表3所示。為記錄隧道全過程施工，選取沿隧道縱向16.4 m處作為監(jiān)測斷面并布置數(shù)據(jù)監(jiān)測點(diǎn)，以此來分析隧道施工過程中圍巖應(yīng)力和位移的變化規(guī)律[13]。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型Fig.2 Numerical calculation model

表1 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)表Table 1 Parameters of tunnel support structure

表2 Ⅳ2級圍巖物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of grade Ⅳ2 surrounding rock

2.2 模擬過程

隧道模型開挖方式和支護(hù)方式與現(xiàn)場施工保持一致。隧道模型每步開挖進(jìn)尺0.8 m，并安裝預(yù)應(yīng)力錨桿、立架、噴混，隧道模型完全貫通共需288個(gè)開挖步序，具體開挖順序詳見1節(jié)。隧道代表性施工步序如表4所示。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 圍巖主應(yīng)力

圖3為監(jiān)測斷面各測點(diǎn)[圖2(b)]圍巖主壓力隨隧道開挖過程變化曲線，下半部分標(biāo)識了隧道各部開挖步序。

如圖3所示，隨著①部導(dǎo)洞掘進(jìn)逐步靠近監(jiān)測斷面，圍巖荷載重分布使得拱頂測點(diǎn)主應(yīng)力明顯增加，其他測點(diǎn)也受影響主應(yīng)力逐步增加。①部導(dǎo)洞開挖至監(jiān)測斷面時(shí)，拱頂測點(diǎn)大、小主應(yīng)力達(dá)到最大值0.72、0.28 MP；斷面開挖后，荷載瞬間釋放，大、小主應(yīng)力減少至0.47、0.06 MP；經(jīng)過斷面繼續(xù)向前推進(jìn)后，大、小主應(yīng)力緩慢增加。拱腰測點(diǎn)主應(yīng)力整體變化規(guī)律與拱頂相似。隧道拱部全貫通后，斷面拱部各測點(diǎn)主應(yīng)力無明顯變化。

監(jiān)測斷面⑤a部開挖前，受其他導(dǎo)洞開挖影響邊墻測點(diǎn)小主應(yīng)力已緩慢減少，而大主應(yīng)力快速增加高于初始值。⑤a部開挖后，邊墻測點(diǎn)大、小主應(yīng)力驟減為1.43、0.12 MPa。當(dāng)⑦a和⑨a部導(dǎo)洞開挖先后通過斷面時(shí)均會引起邊墻測點(diǎn)大主應(yīng)力顯著減小。

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 3 Support structure parameters

表4 隧道代表性施工步序表Table 4 Typical construction steps of tunnel

圖3 隧道開挖過程監(jiān)測斷面各部主應(yīng)力變化歷程Fig.3 Variation history of principal stress at each part of monitoring section during tunnel excavatio

通過以上分析可得：監(jiān)測斷面各測點(diǎn)圍巖主應(yīng)力在開挖過程中表現(xiàn)出先增加超過初始應(yīng)力達(dá)到應(yīng)力峰值，后釋放減小趨于平穩(wěn)。拱部圍巖主應(yīng)力變化過程受①部導(dǎo)洞開挖影響顯著。②、③部開挖對拱頂圍巖主應(yīng)力影響較低。

3.2 圍巖強(qiáng)度儲備

為了更直觀地分析圍巖在不同時(shí)刻的應(yīng)力狀態(tài)，判別圍巖是否達(dá)到破壞極限[14-15]，引入圍巖強(qiáng)度儲備K，表達(dá)式為

(1)

K越大圍巖強(qiáng)度儲備越高，當(dāng)K=1時(shí)圍巖處于極限狀態(tài)。圖5為監(jiān)測斷面各測點(diǎn)圍巖強(qiáng)度儲備K隨隧道開挖過程變化曲線，圖中下半部分標(biāo)識了隧道各部開挖步序。

如圖4所示，拱部各測點(diǎn)K在開挖過程中表現(xiàn)出先逐步下降達(dá)到最小值，各部開挖并施加初期支護(hù)后上升，最后逐漸降低趨于平穩(wěn)。受①部導(dǎo)洞開挖影響，各測點(diǎn)圍巖大主應(yīng)力增幅較大、小主應(yīng)力增幅較小，圍巖受力狀態(tài)變差使得K值下降，且越靠近監(jiān)測斷面越加明顯，拱頂尤其突出。斷面①部開挖后，開挖面附近圍巖由雙軸受力轉(zhuǎn)化為近乎單軸受力[16]，拱頂K下降到最小值1.55。施加支護(hù)結(jié)構(gòu)后，拱頂圍巖大、小主應(yīng)力逐步接近，圍巖又轉(zhuǎn)變?yōu)殡p軸受力，K上升明顯并在開挖后第5步達(dá)到峰值。導(dǎo)洞繼續(xù)推進(jìn)后，拱頂K逐步下降趨于穩(wěn)定。拱腰測點(diǎn)K變化規(guī)律與拱頂相似。隧道拱部全貫通后，拱部各測點(diǎn)K再無明顯變化。

與拱部測點(diǎn)變化規(guī)律不同，⑤a部開挖、施加初期支護(hù)后，邊墻測點(diǎn)K下降逼近極限狀態(tài)，后緩慢增加趨于平穩(wěn)。由于邊墻只有少數(shù)預(yù)應(yīng)力錨桿和噴射混凝土支護(hù)，圍巖的三向應(yīng)力狀態(tài)未得到足夠補(bǔ)償，導(dǎo)致邊墻圍巖大、小主應(yīng)力相差較大，K低于其他部位，需加強(qiáng)邊墻支護(hù)。

由圖5可知，監(jiān)測斷面①部開挖會引起開挖面附近圍巖K顯著降低，但未有塑性區(qū)產(chǎn)生；②部開挖后，右拱腰處產(chǎn)生塑性區(qū)，拱腰徑向圍巖K減小，拱頂K高于其他部位；③部開挖后未產(chǎn)生塑性區(qū)，但拱腰徑向圍巖K繼續(xù)減小且范圍逐步增大；⑤a部開挖后，右拱腳處出現(xiàn)塑性區(qū)，此刻邊墻位置K已接近極限。隧道全部貫通后，拱頂部位K有所減小，拱腰、邊墻部位K有所增大但仍低于拱頂。邊墻部位K接近極限，影響深度約為8.9 m。

3.3 隧道位移

圖6上半部分為監(jiān)測斷面沉降和水平位移隨隧道開挖過程變化曲線，下半部分標(biāo)識了隧道各部開挖步序。

監(jiān)測斷面拱頂沉降累積過程大致分為3個(gè)階段。①部開挖前，拱頂沉降為增長速率逐步減小的凹曲線；①部開挖后，增長速率開始增大，沉降曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，此時(shí)拱頂沉降為4.42 mm占最終值的54.4%；拱部全貫通后，拱頂沉降為8.31 mm占最終值的98.3%，拱頂沉降最終穩(wěn)定到8.45 mm。

圖4 隧道開挖過程監(jiān)測斷面各部圍巖強(qiáng)度儲備變化Fig.4 Strength reserve change of surrounding rock at each monitoring section during tunnel excavation

圖5 監(jiān)測斷面各部塑性區(qū)、圍巖強(qiáng)度儲備K云圖Fig.5 Cloud chart of plastic zone and surrounding rock strength reserve K at each part of the monitoring section

圖6 隧道開挖過程斷面各部位移模擬數(shù)據(jù)Fig.6 Displacement simulation data of each section during tunnel excavation

地表沉降主要受隧道拱部開挖影響，整體表現(xiàn)為一條增長速率減少的凹曲線。①部導(dǎo)洞第1次開挖后，地表沉降增至1.55 mm；監(jiān)測斷面①部開挖后，地表沉降為4.03 mm占最終值的57%；拱部全貫通后，地表沉降為6.60 mm占最終值的93.2%，地表沉降最終穩(wěn)定至7.07 mm。

邊墻水平位移變化幅度不大。斷面⑤a部開挖后，水平位移增加至0.31 mm，又經(jīng)過兩次階梯型增加最終穩(wěn)定在1.70 mm。

拱頂、地表沉降與凈空收斂的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖7所示，隨時(shí)間推移，現(xiàn)場沉降、凈空收斂與模擬所得曲線趨勢大致相似，位移增長速率發(fā)展呈“迅速→平緩”變化特征。由于沉降影響至地表，第80天后，現(xiàn)場隧道拱部至地表呈整體沉降，已充分變形，變化趨勢表現(xiàn)一致。監(jiān)測與模擬數(shù)據(jù)相差不大，數(shù)值與規(guī)律比較貼近，拱部開挖完后現(xiàn)場監(jiān)測和模擬所得曲線均會趨于平穩(wěn)，后續(xù)開挖步序影響較低。

圖7 現(xiàn)場監(jiān)測位移數(shù)據(jù)Fig.7 Displacement data monitored on site

隧道施工過程中圍巖壓力的釋放規(guī)律關(guān)系到圍巖的穩(wěn)定性，也決定了隧道位移變化過程的特點(diǎn)。如表5所示，拱頂圍巖強(qiáng)度儲備最高，其次是拱腰，邊墻最低并且有較多塑性區(qū)。隧道①部導(dǎo)洞開挖過程引起的拱頂沉降量占比最大；監(jiān)測斷面②、③部擴(kuò)挖對拱頂沉降影響依次減弱；拱部全貫通后后續(xù)開挖基本無影響；地表沉降亦是如此。對于大跨淺埋硬巖隧道，沉降影響至地表，但由于硬巖地層圍巖強(qiáng)度高而幾乎沒有產(chǎn)生塑性區(qū)，錨噴格柵初期支護(hù)可使隧道達(dá)到較高穩(wěn)定狀態(tài)。

3.4 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力

圖8為暗挖車站所使用監(jiān)測儀器及車站現(xiàn)場施工。取監(jiān)測斷面拱頂拱架和錨桿進(jìn)行掘進(jìn)過程中受力分析。如圖9所示，數(shù)值模擬所得的拱架軸力曲線受各部開挖影響明顯，各部開挖通過監(jiān)測斷面并施加支護(hù)后，拱架軸力上升明顯，錨桿軸力無較大變化。拱架軸力穩(wěn)定在30.74 kN，錨桿軸力穩(wěn)定在102.17 kN。結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，兩者拱架、錨桿軸力曲線變化趨勢大致相同，各部開挖通過監(jiān)測斷面時(shí)均會造成拱架軸力發(fā)生突變，但對錨桿軸力無明顯影響，現(xiàn)場圍巖側(cè)和臨空側(cè)拱架軸力分別為12.55、17.92 kN，錨桿軸力為108.22 kN?？傮w上看，兩者拱架軸力在同一數(shù)量級，錨桿軸力相差較小，拱架受力小，錨桿預(yù)應(yīng)力損失小。斷面各部開挖時(shí)均會造成拱架軸力發(fā)生增加，但增量隨掘進(jìn)過程逐漸降低。

表5 監(jiān)測斷面各部圍巖強(qiáng)度儲備、塑性區(qū)、沉降對比Table 5 Comparison of strength reserve, plastic zone and settlement of surrounding rock at each monitored section

圖8 現(xiàn)場監(jiān)測儀器及車站施工圖Fig.8 Site monitoring instrument diagram and station construction drawing

圖9 數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測支護(hù)結(jié)構(gòu)受力圖Fig.9 stress diagram of support structure through numerical simulation and field monitoring

4 結(jié)論

(1)監(jiān)測斷面各測點(diǎn)圍巖主應(yīng)力在開挖過程中表現(xiàn)出先增加超過初始應(yīng)力達(dá)到應(yīng)力峰值，后釋放減小趨于平穩(wěn)。①部導(dǎo)洞開挖造成的圍巖主應(yīng)力變化最為明顯，使開挖面附近圍巖強(qiáng)度儲備顯著降低。②、③部導(dǎo)洞開挖對拱頂主應(yīng)力擾動較小。

(2)①部導(dǎo)洞引起拱頂及地表沉降量占最終值的54%和56%，②、③部導(dǎo)洞開挖對拱頂及地表沉降影響依次減弱，后續(xù)施工影響更小。從總體過程來看，①部導(dǎo)洞開挖對隧道沉降控制最為關(guān)鍵。

(3)隧道全貫通后，拱頂圍巖強(qiáng)度儲備為3.1，拱腰為1.78，邊墻為1.1接近極限狀態(tài)。從隧道各部位圍巖強(qiáng)度儲備角度上看，邊墻最為關(guān)鍵需支護(hù)。

(4)地鐵暗挖車站雖跨度大、埋深淺，但由于硬巖地層圍巖強(qiáng)度高而幾乎沒有產(chǎn)生塑性區(qū)，錨噴格柵初期支護(hù)即可使隧道達(dá)到較高的穩(wěn)定狀態(tài)。