浅埋暗挖法在青岛地铁车站施工中的应用

（青岛地铁集团有限公司,266071,青岛∥高级工程师）

浅埋暗挖法在青岛地铁车站施工中的应用

迟建平

（青岛地铁集团有限公司,266071,青岛∥高级工程师）

结合青岛地铁3号线一期工程暗挖车站建设,分析浅埋暗挖法在青岛地区土岩组合地层中应用存在的关键问题。着重对暗挖车站工法的地层适应性与选用、土岩组合地层围岩压力计算及车站施工期安全性控制进行了研究,形成了拱盖法与双侧壁导坑法选用依据、围岩压力计算双指标方法,以及车站施工期安全性动态变化分析方法。对土岩组合地层后续暗挖车站建设具有指导意义。

地铁车站;浅埋暗挖法;围岩压力;安全性

Author’saddress Qingdao Metro Group Co.,Ltd., 266071,Qingdao,China

浅埋暗挖法早期应用于北京地铁复兴门折返线工程及长安街下方过街通道工程等,经多年完善,在北京、广州、重庆、深圳等城市地铁工程中得到了推广应用［1-3］。浅埋暗挖工法应用的地质条件逐渐从第四纪地层、无水、地面无建筑物等简单条件,拓展到非第四系、有水、大跨度、超浅埋等条件［4］。北京地铁众多暗挖车站主要处于第四纪冲积、洪积土层中,穿越地层为：粉质黏土、砂层、圆砾层及卵石层等［4-6］;广州地区上部多为人工填土、淤泥或淤泥质土、淤泥质砂,下部为上更新统陆相冲积洪积形成的砂、土层,底部为基岩残积形成的黏性土层,软硬相间的砂泥岩是地铁隧道施工的主要地层［7-8］;重庆地区地面覆土厚度0～5 m,下伏基岩为砂岩、砂质泥岩,浅埋暗挖法在重庆轨道3号线及6号线地铁车站中也得到了应用［9-11］。

地下工程中工法的选择具有很强的地域性。浅埋暗挖法虽已在我国多个城市地铁工程中使用,但应用的地层多为硬土、砂卵石、泥岩、砂岩、板岩等土质或沉积岩、变质岩地层。青岛地区是以花岗岩硬质岩为主,且呈明 显 上 软下硬特 征［12］,与其它地区地层有显著差别,不能直接照搬其它地区的工程经验。

本文针对浅埋暗挖法在土岩组合地层暗挖车站应用中遇到的关键问题进行分析,并结合青岛地区地层条件特点,对工法的地层适应性与选用依据、土岩组合地层围岩压力计算及车站施工期安全性动态变化进行研究,形成拱盖法与双侧壁导坑法选用依据、围岩压力计算双指标方法,以及车站施工期安全性动态变化分析方法,为青岛地铁后续工程建设提供有益的理论和技术支撑。

1 青岛地区土岩组合地层特性

根据地质勘察报告［13］,青岛地区主要分布有第四系松散堆积层和燕山晚期侵入花岗岩基岩以及燕山晚期侵入脉岩。第四系主要由全新统人工填土、全新统冲洪积层、上更新统冲洪积层组成;基岩主要为燕山晚期侵入花岗岩为主,部分燕山晚期侵入脉岩,岩性为煌斑岩、花岗斑岩呈脉状穿插其间,在不同岩性接触带见有糜棱岩、碎裂岩。对取自不同深度的205个土样与347个岩样的室内物理力学试验成果进行统计分析,取样点涵盖青岛地铁3号线一期工程全线,对地层的工程特性具有较好的代表性。以上试样共有87组土样（29组采用固结快剪、58组采用快剪）和46组岩样的直剪试验数据;共有179个土样和39个岩样弹性模量数据。由于土样与岩样黏聚力数值相差较大,因此按kPa为单位对黏聚力c取对数,黏聚力-深度分布图见图1（a）;图1（b）为摩擦角-深度分布图;对弹性模量E则按 MPa为单位取对数,不同深度下的分布图见图1（c）。

图1 土岩组合地层力学参数沿深度分布

由图1可见,青岛地区为土岩组合地层,地层强度与变形参数呈现明显“两层”特性,土岩界面变幅大。土岩强度参数差异约为3个数量级。在深度10 m以内,摩擦角大多小于30°,10 m 以下摩擦角多大于40°。该地层沿深度力学特性变化显著,对地铁3号线一期工程暗挖车站的拱顶埋深统计表明：暗挖车站拱顶埋深多在9～14 m 范围内,拱顶存在一定厚度风化岩,多为Ⅳ-Ⅴ级。

2 地铁3号线一期工程暗挖车站型式与工法

青岛地铁3号线一期工程8座全暗挖或半明半暗挖车站概况见表1。从表1可见,暗挖车站多采用单拱式车站结构,具有空间开阔利于客流集散、防水易施作、站台型式布置灵活等优点。车站穿越强风化一微风化花岗岩,拱顶埋深多在8～12 m,拱部围岩多为Ⅳ-Ⅴ级。车站拱顶与洞底围岩相差较大,具有典型上软下硬特性。

暗挖车站采用的暗挖工法主要为双侧壁导坑法和拱盖法。其中,拱盖法系首次在青岛地铁工程中应用。拱盖法将隧道断面分为上、下两部分进行开挖,上半断面分3个导洞开挖,设立2道竖向临时支撑用于减跨。由于下部围岩为完整性较好微风化花岗岩,模筑拱部二砌,将拱脚支撑于完整岩石上,形成可靠的支撑结构,待上部混凝土拱盖浇筑完成后,再进行下部断面开挖。具体的施工步序见图2。

表1 暗挖车站概况

拱盖法较双侧壁导坑法具有更大的工作空间,便于隧道断面的开挖和施工机械的进出;同时,拱盖法将拱脚支撑于较好的围岩上,可充分发挥车站下半断面围岩的支撑能力。

图2 拱盖法施工步序图

双侧壁导坑法将车站断面划分为左、中、右3个导洞,每个导洞分台阶开挖,并施作初衬、临时支撑与仰拱,整个断面开挖完毕后再进行临时支撑拆除与二衬施工,典型开挖步序图见图3。

图3 双侧壁导坑法开挖步序图

3 土岩组合地层浅埋暗挖车站的关键问题

3.1 暗挖工法的地层适应性与选用依据

土岩组合地层具有上软下硬差异大、土岩界面起伏大等特点,在该地层下的浅埋暗挖法应用尚无成熟经验。且拱盖法系首次应用,因此工法的地层适应性与选用依据是需要解决的关键问题之一。

因此,选取江西路站、万年泉路站与中山公园站为工程背景,以青岛地铁3号线暗挖车站主要采用的双侧壁导坑法与拱盖法为研究对象,综合三维数值计算、工程实证分析等多种手段进行研究。

三维计算表明：围岩Ⅳ-Ⅴ级时,拱盖法导致的地表最大沉降及拱脚围岩应力大于双侧壁导坑法。Ⅳ-Ⅴ级围岩条件下,双侧壁导坑法适应性更强。对于拱盖法,计算表明：拱脚部位为Ⅳ级围岩时,下半断面开挖导致沉降基本呈线性发展;Ⅲ级围岩时,拱盖可有效抑制后续沉降的发展。拱脚围岩条件对拱盖控制沉降效果及隧道安全性起重要作用。

随机选择相应车站地表沉降监测数据进行分析,实测数据表明：开挖阶段拱盖法与双侧壁导坑法引起的地表沉降值相差不大,最大沉降量为35～ 40 mm。拱脚部位围岩为Ⅲ级时,实测地表沉降数据见图4。工程实证分析表明：当拱脚部位为Ⅲ级围岩时,拱盖可有效抑制后续沉降的发展,与数值计算分析结论一致。

图4 地表沉降发展曲线

拱盖法适用于围岩等级在Ⅳ级以上且含水量少,围岩完整性较好的情况;爆破时可适当在拱脚弱爆或炮眼适当远离拱脚,人工处理拱脚托梁处围岩,尽最大努力保护拱脚座落处的围岩。同时,工法的顺利实施对关键部位勘察精度要求高。以拱盖法为例,拱脚座落处岩层条件直接影响该工法的顺利实施,应加强对车站部位边墙地层条件的勘察。结合各工法计算分析、实测数据分析、青岛地区地层特点,各工法适应地层条件与特点总结如表2所示。

表2 暗挖工法适用条件

3.2 土岩组合地层围岩压力计算

关于浅埋隧道围岩压力的计算,规范［14］将滑移岩柱分为两部分（一个等于隧道宽度的岩体,两个三棱岩体）,通过静立平衡计算侧阻力。在超浅埋情形,规范［14］建议按上覆自重计算围岩压力。以上计算方法在单一地层中较为适用,而在青岛土岩组合地层条件下,暗挖车站覆盖层土岩强度差异大,且土岩界面起伏大,因此在车站纵向范围内,覆盖层厚度及拱顶覆岩厚度均为变量。由于缺乏对覆盖层的合理分析方法,将覆盖层按土层或岩层考虑均不合适,此种情况下的围岩压力计算方法不明确。

为进行覆盖层的合理评价分析,在常用的覆跨比指标基础上引入岩跨比［15］,即车站覆盖层中岩层厚度与车站跨度的比值,参见图5。

式中：

f＇——岩跨比;

h2——拱顶上覆岩层厚度;

D——车站跨度。

图5 岩跨比示意图

在车站纵向范围内,覆跨比与f＇均为变量,有限元计算表明：f＇一定的情况下,覆跨比增加使隧道结构受力基本呈线性增大;在覆跨比一定的情况下,f＇逐渐减小会导致围岩塑性区范围显著增大,并当f＇小于某一限值时围岩无法自稳,该限值与围岩等级相关。算例表明Ⅳ级围岩条件下的f＇限值为0.05,当f＇小于0.05时,开挖后围岩不能自稳。f＇控制土岩组合地层暗挖车站的安全,因此,土岩组合地层围岩压力计算应首先对覆盖层进行合理的分析评价。

在对常用围岩压力计算方法（岩柱法、规范法与修正岩柱法等）分析比较的基础上,结合对土岩组合地层暗挖车站覆跨比与岩跨比计算,提出应用于土岩组合地层条件围岩压力计算的双指标方法。即：假设滑移岩柱与隧道宽度相等,按朗肯主动土压力公式计算两侧围岩对滑移岩柱的侧阻力,不考虑上覆岩层的强度折减,围岩压力计算双指标方法计算公式如下：

式中：

G——每延米上覆层自重,k N;

T——每延米侧阻力,k N;

B——隧道宽度,m。

计算流程图如图6所示。

图6 围岩压力计算流程

应注意的是,对不同的围岩等级,相应的f＇限值不同;同时,应用中考虑到硬岩地层钻爆法开挖的超挖影响,将计算极限f＇适当放大。以3号线江西路站某断面地层为背景,采用不同计算方法所得的围岩压力结果见表3。

表3 围岩压力计算结果 kPa

几种计算方法围岩压力为上覆岩土自重的83%～94%,规范中方法计算值最大,双指标法约为上覆层自重的85%;双指标法围岩压力值与修正岩柱法接近。

3.3 车站施工期安全性动态变化

浅埋暗挖车站断面大,工法工序多;同时车站多位于城市中心区,站址周边建筑物较多,地下管线复杂,施工期车站安全性控制是工程关注的重点。目前对隧道安全性的研究多集中于隧道整体安全性,并由定性分析逐渐向定量分析发展［16-17］。实际上,在大跨暗挖车站施工中,围岩应力随着开挖进尺的增加不断释放;作为支护结构组成部分的喷射混凝土属于多孔材料,早期性能随时间发展。隧道安全性是一个随工况动态变化的过程,是围岩与支护结构相互作用的结果。因此,车站施工期安全性动态变化是浅埋暗挖暗挖车站施工的关键问题之一。

为定量分析土岩组合地层车站施工期安全性的动态变化过程,应用有限元强度折减法,基于掌子面推进与沉降发展的实测数据考虑围岩应力释放的空间效应,并通过喷射混凝土弹性模量随时间发展的时变过程来考虑支护结构性能随时间的变化。以双侧壁导坑法为分析对象,计算3号线江西路站整个施工期车站各工况的安全系数见图7。

将断面分成6个区域（见图3）。一个完整的开挖过程包括三个施工步：第一步为导洞开挖,第二步中施做初期支护,第三步使支护结构弹性模量与围岩应力释放达到100%。6个区域共18个施工步。

图7 施工步安全系数［18］

结合图7可见,在青岛土岩组合地层中采用双侧壁导坑法进行地铁车站的施工,现有设计能满足隧道的安全要求,各开挖步施工过程中岩土体强度均有一定的强度储备。施工期隧道安全性随开挖区域的增加呈下降趋势,初期支护闭合可提高隧道安全性,上导洞初期支护闭合后进行下部导洞开挖过程中,隧道安全性基本不变。部分工况下的安全系数及失稳形式见表4。

表4 各工况安全系数及失稳形式

由表4可见,双侧壁导坑法开挖过程中,左右侧导坑开挖时若围岩强度不足最先引起的破坏出现在洞顶部位,失稳形式为隧道内的局部坍塌;开挖中导洞时,围岩强度不足所造成的破坏发生在拱顶围岩,此时洞顶塑性区将贯通地表,其失稳形式为从拱顶至地表的整体坍塌,同时已施做的初期支护则起到了稳定左右导洞的作用。

4 结语

（1）青岛地区为土岩组合地层,沿深度强度与刚度差异显著,具有上软下硬特征,且土岩界面起伏大。

（2）浅埋暗挖法在青岛地铁3号线一期工程中得到了成功应用,其中暗挖车站工法的地层适应性与选用、土岩组合地层围岩压力计算及车站施工期安全性为工程的关键问题。

（3）以工程实践为基础,结合相关研究形成的拱盖法与双侧壁导坑法选用依据、围岩压力计算双指标方法及车站施工期安全性动态变化分析方法,对土岩组合地层后续暗挖车站建设具有指导意义。

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Application of Shallow Excavation Tunnelling Method at Qingdao Metro Station

Chi Jianping

Combined with the construction of Qingdao metro Line 3,the application of shallow excavation tunnelling method and the key problems of the project in soil-rock combination stratum are analyzed.By focusing on the adaptability and the selection of construction method,a calculation of surrounding rock pressure in soil-rock combination stratum is made and the safety control in metro station construction is studied,which becomes the basis for the selection of arch-cover method,double-side-drift method, double-index method for surrounding rock pressure calculation,and the analytic method for safety dynamic change at metro station during the construction.This research has a guiding significance for the following construction of metro stations in soil-rock combination stratum.

metro station;shallow excavation tunnelling method;surrounding rock pressure;safety

U 455.4

2013-10-09）