大跨度地铁暗挖车站围岩稳定性分析及方案优选研究

2014-07-25李美群

天津建设科技 2014年2期

□文 /李美群

对于交通导改、管线迁改难度较大，不具备明挖施工条件的地铁车站一般采用浅埋暗挖法施工。浅埋暗挖施工由超前支护、超前加固、土体开挖、初喷混凝土、格栅支护、二次衬砌等主要施工歩序组成，特别是在砂层范围内的大断面暗挖施工具有开挖作业面小、施工工序复杂、施工难度大、施工风险大的特点。因此，暗挖施工方案的比选和论证是十分必要的。

目前国内地铁在浅埋暗挖法方面积累了许多宝贵的经验。王梦恕院士[1]基于多年的工程实践和理论研究，创造并完善了地下工程浅埋暗挖法设计与施工配套技术；郑颖人院士[2]完善了隧道围岩破坏机理和隧洞设计计算方法；易小明等[3]从力学机制上分析隧道上覆土体沉降机理；姚明会等[4]采用有限元法模拟分析了浅埋暗挖法大跨度隧道沉降；时亚昕等[5]采用随机介质理论法对地表沉降进行了预测分析；李志辉等[6]研究如何控制地表沉降；姚宣德[7]等对地表控制标准进行了统计分析。本文采取数值模拟方法对这一问题进行研究。

1 工程概况

某地铁车站周边建构筑物及市政管线分布密集。车站总长279.32 m，两端为明挖2层三跨箱型框架结构，中间段为暗挖单层三跨联拱结构。中间暗挖结构长68.76 m，开挖宽度22.6 m，高度9.37 m，顶拱埋深约9.67 m。开挖断面大，结构形式复杂，围岩稳定性较差，周边建构筑物及市政管线分布多，沉降要求高，影响因素众多。

2 围岩稳定数值分析

2.1 围岩稳定问题

结构施工范围内土层主要为人工填土层、黄土状粉质粘土②2层、黄土状粉土③3层、黄土状粉质粘土③1层、黄土状粉土③2层和粉细砂④1层。由于地面的交通流量较大，车辆行驶产生的震动对隧洞拱顶土层有直接扰动作用，致使砂石层变得松散。同时，暗挖段上部人工填土层成分复杂，密实程度低，均匀性差，透水性强，当有管线渗漏或其他水体的意外补给时将会形成汇水通道，发生沉陷，易引发地表塌陷，当其下部土体开挖失去支撑后极易发生坍塌。黄土状粉质粘土②2层、黄土状粉土③3层、黄土状粉质粘土③1层、黄土状粉土③2层具有轻微湿陷性，当有管线渗漏或其他水体的意外补给时将会形成汇水通道，发生沉陷，易引发地表塌陷。土体整体自稳能力差，暗挖法施工时无法形成自然应力拱，易发生塌落现象，见表1。

表1 土的物理力学参数

2.2 施工方案模拟

经工程类比，初步判定该暗挖车站具有可行性的施工方案主要有中洞法、侧洞法、柱洞法3种。

1）中洞法。中洞先行，建立起梁、柱支撑体系，然后施作侧洞。该方法分块多，多次扰动地层，但先建立起的梁柱体系对地面沉降起一定控制作用。

2）侧洞法。两个侧洞先行，然后施作中洞。该方法分块多，工序多，对地层扰动最大。

3）柱洞法。先挖柱洞完成中柱再开挖中洞。该方法分块多，多次扰动地层，但先建立起的梁柱体系对地面沉降起一定控制作用。

2.3 数值模拟参数

计算采用美国It asca公司的Fl ac3D有限差分软件进行平面模型计算。地层及初衬、二衬结构均采用实体单元进行模拟，除支护结构单元采用弹性模型外，地层结构单元均采用莫尔库伦模型进行计算。根据圣维南原理，计算模型范围为160 m×80 m（长×宽），节点数分别为 8 592个（柱洞法）、8 660个（中洞法）、8 914个（侧洞法），单元数分别为4 176个（柱洞法）、4 220个（中洞法）、4 338个（侧洞法），见图1。

图1 柱洞法、侧洞法、中洞法模型对比

在模拟过程中，将地表施工载荷等效为20 kPa的均布载荷。模型边界条件，对底部采用水平和竖直位移约束，两侧只有水平位移约束。岩土体均采用Mohr-Coul omb模型，混凝土衬砌采用弹性体材料。

3 结果分析及方案优选

3.1 位移分布分析

3种施工方案位移分布情况见图2。

图2 各施工方案竖向位移

由图2可以看出，3种施工方案的土体和衬砌都要顶拱部位位移向下，底板部位位移向下的情况，整个暗挖隧道洞室径向收敛。从总体上看，侧洞法施工方案洞径收敛情况最为严重。

3.2 地表沉降分析

地表沉降主要是由于施工引起的地层损失和施工过程中围岩周围受扰动或受剪切破坏的重塑土再固结所造成的。拱顶沉降是评价围岩位移大小及稳定性的一个重要指标。隧道在分步施工时，沿隧道纵向轴线垂直断面方向上会出现沉降槽。

经分析比较，柱洞法最大地表沉降值约26mm，侧洞法最大地表沉降约32mm，中洞法最大地表沉降约29mm。工程位于城市主干道下方，对地表沉降有严格的控制要求。地表沉降为选择施工方案的重要参考指标。柱洞法和中洞法方案满足地表最大沉降量＜30mm的施工要求，优于侧洞法方案。

3.3 结构应力分析

暗挖隧道开挖主要由初期支护承受应力释放，二衬作为安全储备。随着开挖进行，初期支护上出现应力集中，见表2。

施工方案应力集中工况最大拉应力/MPa出现位置最大压应力/MPa出现位置中洞法开挖最下层边导洞 9.88最下层边导洞初支外表面-13.32最下层边导洞初支内表面侧洞法开挖最下层边导洞 12.54第二层边导洞初支外表面-15.72第二层边导洞初支内表面柱洞法开挖最下层边导洞 9.23最下层边导洞初支外表面-12.95最下层边导洞初支内表面

由表2可以看出，初支上的应力都比较大。其中柱洞法方案与中洞法方案应力最大位置相同，而侧洞法最大应力位置不同，这与施工工序对应的最大应力释放区是对应的。整体上看，柱洞法应力值最小，应力集中区最小。

3.4 施工难度、速度、安全与工程造价分析

柱洞法方案中洞施工支撑多、拆除量大、造价最高。中洞法方案由于中洞和侧洞开挖采用3层6步，分块较多，工期最长，见表3。

表3 3种施工工法比较

3.5 方案优选

对模拟得到的数据分析结果和工程类比调查统计得到的数据分析结果进行模糊评判[8]。首先确定评判对象集U={地表沉降、结构应力、净空收敛、施工难度、施工速度、安全性、工程造价}，然后建立评判集V={很好、较好、一般、较差、很差}。邀请各相关领域的专家对评判对象集进行评分，得到单因素评判向量Ri，进而建立评判向量矩阵R，以便量化分析。接着通过不同因素的权重分配得到权重集A。最后，利用Fuzzy综合评判B=AoR（o为模糊合成算子）。

通过模糊评判方法得到最优方案为柱洞法方案。

4 施工专项措施

通过数值模拟分析，可以发现暗挖施工存在安全隐患主要在于拱顶的塌落及最下层边导洞拱脚位置应力集中。故应特别注意加强以下针对性的专项处理措施。

4.1 掌子面注浆

掌子面遇砂层时在上导洞设置超前导管并注浆加固地层（超前导管单根长度3 m，搭接1 m；相邻导管间距600mm×600mm，最外圈的超前导管距离初衬内轮廓200mm）。砂层中注浆浆液为改性水玻璃浆液。

4.2 超前小导管注浆

为改良工作面前方地层，保证开挖工作面的稳定，隧道开挖时须采用超前小导管注浆加固地层。小导管每榀设置长度2.0 m，环向间距300mm。主体结构下层小导洞拱顶采用单排小导管注浆超前支护。打设范围：上层导洞在拱部180°设置，下层导洞在拱部120°范围设置，初衬扣拱拱部全部设置。小导管浆液材料根据地层情况选择，粘土、粉土一般情况下不注浆，砂层一般采用改性水玻璃。

注浆量、配比、注浆压力根据现场试验确定，小导管超前注浆形成的加固圈厚度≮2.0 m。注浆结束后，必须对注浆效果进行检查并对注浆的薄弱部位，重新补充注浆。