含软弱夹层地铁车站拱盖-锚索-注浆组合支护体系研究
2018-11-07袁国栋王渭明
袁国栋,王渭明
(山东科技大学 山东省土木工程防灾减灾重点实验室,山东 青岛 266590)
拱盖法作为一种浅埋暗挖大型地铁车站施工方法,尤其适用于上软下硬的岩土复合地层,具有环境影响小、效率高、安全性高等优点[1],目前已在大连地铁和青岛地铁车站施工中成功应用。董子龙等[2]以大连地铁某车站施工为例研究了拱盖法施工工艺;王丹等[3]通过数值模拟研究了青岛地铁某车站拱盖法施工沉降规律及控制变形对策;杜子健[4]通过数值计算研究了拱盖法不同施工步序下地表沉降,确定了拱盖法施工过程中需要控制的重要环节;王志杰等[5]运用ANSYS研究了地铁车站围护结构对主体结构内力与位移的影响。
上述文献主要研究了拱盖法施工的适用条件及施工工艺,对拱盖法的推广具有重要推动作用,但缺乏对拱盖法施工中尤其是不良地质条件下车站主体支护参数及支护效果的研究。本文以青岛地铁2号线枣山路车站施工为例,结合现场的地质条件,研究车站下断面含软弱夹层时对车站主体结构稳定性的影响,分析注浆加固层厚度、锚索位置及条数、锚索初始预应力对支护效果的影响,为该工程的快速施工及安全控制提供理论依据。
1 工程概况
枣山路车站起点里程ZSK47+25.359,终点里程ZSK47+252.709,全长227.35 m,地处黑龙江路和枣山路交叉口。车站拱顶埋深11~15 m,主断面开挖跨度22.7 m。站址内地下水主要为基岩裂隙水与第四系孔隙水。其中:基岩裂隙水主要赋存在风化岩层裂隙中,属于弱透水层,其涌水量大小和透水性存在明显的不均匀性;第四系孔隙水主要赋存在填土层,为中等透水层。总体站内赋水量不大。
根据前期勘探情况,原设计将枣山站车站主体置于中风化花岗岩中,满足车站主体结构的稳定性。但在实际施工中,车站下断面含有破碎夹层,其物理性质类似于强风化花岗岩,不能满足大拱盖结构持力要求。原地质勘探与开挖揭示的岩性对比如图1所示。
图1 原地质勘探及开挖揭示的岩性对比
2 拱盖-锚索-注浆组合支护体系
针对青岛地铁枣山路车站下断面存在软弱夹层问题,为加强车站下断面基岩的承载能力,提出了拱盖-锚索-注浆组合支护体系。即首先对车站顶部作拱盖结构,然后对车站的下断面边墙外侧围岩采用注浆锚杆进行注浆加固,注浆加固厚度为3 m,并采用型钢加锚索的支护形式加固,锚索初始预应力为200 kN,由长12 m的4根7φ15.2的低松弛钢绞线组成。拱盖-锚索-注浆组合支护体系施工顺序见表1。
表1 拱盖-锚索-注浆组合支护体系施工顺序
拱盖-锚索-注浆组合支护体系力学机理如图2所示。采用注浆锚杆对边墙外侧围岩进行注浆加固,浆液首先对围岩的空隙或缝隙进行充填,进而与围岩固结形成一个完整的结石体。配合原有的支护方案,在拱顶及边墙外侧岩体中形成了一个多层有效组合拱,即超前加固拱、拱盖、锚索及锚杆注浆加固区、喷网加固层,从而增强了支护结构的整体性,提高了支护结构的承载能力,扩大了支护结构的承载范围[6]。
图2 拱盖-锚索-注浆组合支护体系力学机理
对于跨度较大的且存在不良地质情况的地铁车站,由于受注浆加固范围限制及组合拱效应不明显,使得组合拱强度往往不能保持围岩的稳定。因此,利用锚索长度的优势对组合拱围岩提供较大的侧向应力和位移约束,提高组合拱的强度。锚索与注浆锚杆对围岩形成多重连续的加固区,从而使边墙外侧破碎围岩形成一个有机的整体[7]。
3 拱盖法与拱盖-锚索-注浆组合法沉降分析
3.1 计算模型
在FLAC 3D中建立尺寸为120 m(长)×100 m(宽)×70 m(高)的计算模型,模型共有 73 675 个单元,79 040 个节点。模型上边界为自由面,侧面限制水平位移,底面限制竖向位移。隧道围岩采用莫尔-库伦弹塑性模型,初期支护、二次衬砌及车站托梁均采用实体弹性单元体,锚杆采用cable单元体,钢支撑采用liner单元体。计算模型如图3所示。变更设计后岩(土)层及支护结构物理力学参数见表2。
图3 计算模型
表2 变更设计后岩(土)层及支护结构物理力学参数
3.2 拱盖法施工分析
在原地勘条件下(车站主体均位于中风化岩层中)采用拱盖法施工时,车站开挖完成后的地表沉降曲线见图4。可知:地表最大沉降为12.34 mm,满足沉降小于30 mm的要求,说明中风化岩层具有足够的稳定性及承载力。
图4 车站开挖后地表沉降曲线
按照开挖揭示的岩性,采用原支护方案进行支护,地表最大沉降量为54.07 mm,远远超过地表沉降允许值30 mm。拱肩处的塑性区已发展到地面,可能导致地面建筑物的破坏,车站侧墙围岩处于塑性流动状态,不能保证车站主体的稳定。托梁下卧软弱夹层,岩石风化及裂隙发育程度高,物理力学性质差,降低了其承载力,使其无法保证车站主体的稳定性。
3.3 拱盖-锚索-注浆组合法施工分析
由图4可知:采用拱盖-锚索-注浆组合法施工,地表最大沉降减小到22.15 mm。塑性区面积明显减少,只有拱脚外侧上方、托梁下侧围岩处于塑性剪切状态,说明对边墙外侧围岩注浆加固提高了围岩的承载能力,锚索约束了锚杆、拱盖形成的多层组合拱的侧向位移,提高了围岩的稳定性。
4 锚索、注浆支护参数对车站稳定性的影响
运用FLAC 3D有限差分软件分别研究边墙注浆厚度、锚索位置及条数、锚索初始预应力对车站主体结构稳定性的影响,运用稳定性增量方法评价各工况下支护效果,进而确定拱盖-锚索-注浆组合支护体系的最优支护参数。
4.1 注浆加固层厚度对车站稳定性的影响
4.1.1 模拟计算结果分析
依据注浆加固层厚度划分为5个工况,见表3。工况2、工况4的塑性区分布情况见图5,各工况下地表沉降随施工步变化曲线见图6。
分析图5和图6可知:①随着车站下断面侧墙注浆加固层厚度的增大,车站拱顶和侧墙塑性区面积逐渐减小。当注浆加固层厚度为1 m时,车站边墙大部分区域处于塑性状态,容易引起边墙破坏,导致车站拱盖失稳;当注浆加固层厚度为3 m时,只在注浆范围以外区域出现塑性区,塑性区面积显著减小。②随着注浆加固层厚度的增大,地表沉降曲线逐渐变缓;当注浆加固层厚度为3 m和4 m时,地表沉降曲线基本相同,说明注浆范围存在一个合理值,超过这个合理值,注浆效果优化不明显。
表3 不同注浆厚度时各项指标值
图5 工况2、工况4塑性区分布
图6 各工况下地表沉降随施工步变化曲线
4.1.2 车站稳定性分析
由上述分析可知,注浆加固层厚度很大程度上影响车站围岩稳定性。选取地表沉降、拱顶沉降、衬砌水平位移、最大主应力和塑性区面积5项指标,来判别不同注浆加固层厚度对车站稳定性的影响[8]。不同注浆范围时各项指标值参见表3。表中各项指标取值均为最大值。
稳定性增量:各工况相对于工况1的某一指标的指标优化率乘以该指标的影响权重,所得结果累加得到的优化参数。其数学表达式为
(1)
式中:bj为第j项指标的影响权重,j=1,2,3,…,n;ci,j为第i工况的第j项指标相对于工况1的指标优化率,其数学表达式为
(2)
式中:ai,j为第i工况的第j项指标值,i=1,2,3,…,n。
影响车站主体稳定性的因素众多,各因素的影响权重亦不相同。综合国内学者关于多因素风险评价及参数敏感性分析的研究成果[9-10],结合本工程的实际情况,确定各风险评价指标影响权重,见表4。根据式(1)和式(2)计算不同注浆加固层厚度时车站的各项指标优化率及稳定性增量,结果见表5。
表4 各项指标的影响权重
表5 不同注浆加固层厚度时各项指标优化率及稳定性增量
由表3和表5可知:①随着注浆加固层厚度的增加,地表沉降、拱顶沉降及塑性区面积明显减小,稳定性增量逐渐提高,说明注浆加固有效地提高了边墙外侧基岩的整体性与承载力。②随着注浆加固层厚度的增大,稳定性增量呈现先增长较快、后增长减缓的趋势,说明存在一个合理的注浆范围。③注浆加固层厚度为4 m时稳定性增量比注浆加固层厚度为3 m时仅增加了1.71%。因此综合考虑各因素的影响确定合理的注浆加固层厚度为3 m。
4.2 锚索位置与条数对车站稳定性的影响
4.2.1 模拟计算结果分析
车站边墙外注浆加固层厚度为3 m,锚索初始预应力设为200 kN时,比较不同的锚索位置与条数对车站稳定性的影响。各工况锚索位置见表6。
分析模拟计算结果可知:①车站下断面边墙未打设锚索时,拱脚出现应力集中。在拱脚打设1根锚索(工况2)时应力明显减小。这是因为托梁锚索分担了锁脚锚杆的应力,使支护体系受力更均衡,稳定性提高。②未打设锚索时在边墙下部出现应力集中,因此必须同时对拱脚和边墙打设锚索以保证车站的稳定。在车站拱脚及下断面中部打设锚索(工况4)时,地表最终沉降为22.15 mm,小于地表沉降允许值30 mm。
4.2.2 车站稳定性分析
同样选取地表沉降、拱顶沉降、衬砌水平位移、最大主应力和塑性区面积5项指标,来判别不同工况下车站的稳定性。不同工况下各项指标值及稳定性增量参见表6。
表6 不同工况下各项指标值及稳定性增量
由表6可知:①工况2相较于工况1稳定性增量增加了16.97%,说明拱脚锚索分担了锁脚锚杆的应力,确保锁脚锚杆正常发挥维护拱盖稳定的作用,对防止围岩塑性区进一步增大,确保支护体系的整体稳定性具有重要作用。②工况3相较于工况2稳定性增量没有明显提高,说明边墙上部锚索未发挥应有的作用,对支护体系的稳定性提升效果不明显。③工况6相较于工况4增加了边墙底部锚索,其稳定性增量未明显增加,说明车站下部处于中风化花岗岩中时,围岩具有一定的承载力和稳定性,对车站下断面下部打设锚索对稳定性的提升效果不明显。最终确定在拱脚及下断面中部各打设1根锚索。
4.3 锚索初始预应力对车站稳定性的影响
边墙注浆厚度3 m,拱脚及下断面中部各打设1根锚索,通过改变锚索初始预应力来分析初始预应力对车站稳定性的影响。不同锚索初始预应力时各项指标值及稳定性增量见表7。
表7 不同锚索初始预应力时各项指标值及稳定性增量
由表7可知:①随着锚索初始预应力的不断增大,地表沉降、拱顶沉降、塑性区面积等指标均不断减小。②随着锚索初始预应力的线性增加,稳定性增量先较快增长,继而缓慢增加,表明锚索初始预应力达到一定值后,继续增加预应力对车站主体稳定性的提升效果不明显,而且预应力越大,最终锚索承受的应力亦越大,一定程度上增加了锚索失效的风险。综合考虑各因素的影响,确定锚索初始预应力为 200 kN。
5 结论
针对施工揭示的地质情况与原地质勘探结果不符,原支护体系无法满足地表沉降、拱顶沉降及主体结构受力的要求,提出含软弱夹层地铁车站拱盖-锚索-注浆组合支护体系。经有限元分析得出以下结论:
1)含软弱夹层大型地铁车站采用拱盖法施工时,相较于原有的支护体系,拱盖-锚索-注浆组合支护体系能有效提高围岩及主体结构的稳定性。
2)随着注浆加固层厚度的增大,围岩的塑性区范围逐渐减小,车站稳定性增量先增长较快、后缓慢增长。注浆加固层厚度宜取3 m。
3)拱脚锚索分担了锁脚锚杆的应力,确保了锁脚锚杆正常发挥维护拱盖平衡与稳定的作用。在拱脚及下断面中部打设锚索车站稳定性明显提高。下断面下部围岩为中风化花岗岩,具有一定的承载力,下断面下部打设锚索对维护车站稳定性作用不大。宜在拱脚打设1根,在下断面中部打设1根,共2根锚索。
4)随着锚索初始预应力的不断增大,车站稳定性增量呈先快后慢非线性增长,且过大的预应力容易造成锚索失效。综合考虑锚索初始预应力宜设为200 kN。