地铁隧道穿越厚碎裂岩层的支护优化分析

2019-03-15李红英

城市轨道交通研究 2019年3期

王璐许霞李红英

(青岛黄海学院建筑工程学院，266427，青岛∥第一作者，讲师)

随着我国城市轨道交通的快速发展，地铁隧道穿越碎裂岩层段的情况也越发频繁。尤其是青岛地区属于典型的厚碎裂岩层地质条件，全、强风化花岗岩分布广泛，地铁沿线大部分地区厚度达5～25 m，岩体节理裂隙发育，整体性较差，围岩自稳能力弱。施工中支护不及时或支护措施不当，极易造成围岩失稳坍落，导致地表大范围沉降、地面建筑物倾斜沉陷以及地下管线破裂等工程灾害[1-2]，严重威胁施工安全与周边环境稳定。

目前，关于不良地质条件施工优化及支护设计方面的研究，众多学者已经开展了大量工作。文献[3]研究了青岛台东小净距交叠隧道在多种方案施工时的隧道结构相互影响规律及地表沉降漏斗特征；文献[4]优化了软弱岩层大跨地铁车站的开挖步序和关键工序；文献[5]将有限元强度折减法应用于隧道围岩稳定性分析中，且对改进的CRD法进行了安全评估。

上述研究成果对隧道施工工法优化及围岩稳定性分析具有较高的指导意义，但多数成果集中于施工技术对围岩稳定性的定性分析，而很少涉及碎裂岩层段隧道支护技术优化多指标定量分析。

本文以青岛地铁3号线某典型厚碎裂岩层区的区间隧道为工程依托，对比分析了4种隧道支护加固技术的地表沉降、初支主应力及围岩塑性发展情况，并采用灰色关联理论定量分析了5项评价指标的综合支护效果。研究成果对碎裂岩层地铁隧道的支护优化及稳定性评价具有重要指导作用和借鉴价值。

1 工程概况

青岛地铁3号线汇泉广场站—中山公园站区间(以下简为“汇中区间”)位于市南区香港西路下方，区间范围内文登路、武昌路、荣成路、韶关路与香港西路交汇，路面交通流量较大。区间起讫里程为K 2+996.809—K 3+584.178，采用钻爆法施工。区间隧道为复合衬砌暗挖结构,采用马蹄形断面，跨度为6.2 m，总高度为6.76 m，隧道间距为13～16 m。

隧道上部覆盖层主要为第四系以及全、强风化花岗岩，拱顶埋深14～18 m。围岩主要为强-微风化花岗岩、花岗斑岩和煌斑岩，级别为Ⅲ～Ⅴ级[6]。

隧道原支护方案如下：初期支护采用锚喷网支护，其中锚杆采用φ20 mm、长2.5 m的全长注浆砂浆锚杆，锚杆间距为1.0 m×1.0 m，采用梅花形布置，并在拱顶120°范围内垂直布置；喷射混凝土采用C25混凝土，厚度为250 mm；钢筋网采用φ8 mm@200 mm×200 mm。二次衬砌采用自防水C40钢筋混凝土，厚度为300 mm。

在实际施工中，发现区间K 3+283.5—K 3+342.6段，围岩基本为全、强风化花岗岩，岩层碎裂程度较高，节理裂隙较发育，围岩自稳能力较差，且该施工段地面多为商务楼及住宅别墅，由于建筑物安全等级较高，因此应严格控制地表沉降。若采用原支护方案，极易造成围岩失稳坍落、地表大范围沉降、周边建筑物倾斜开裂等工程事故，施工风险极大。厚碎裂岩层段地铁隧道原支护方案如图1所示。

图1 厚碎裂岩层段地铁隧道原支护方案示意图

2 碎裂岩层隧道支护加固技术

针对本区间K 3+283.5—K 3+342.6段的全、强风化花岗岩碎裂地层，为了确保隧道的施工安全和周边环境稳定，结合汇中区间隧道的施工环境，提出以下4种支护结构加固方案,如表1所示。

表1 汇中区间支护结构加固方案表

图2 全断面WSS超前帷幕注浆加固示意图

为分析汇中区间支护结构不同加固方案的围岩控制效果，通过数值模拟对各加固方案的地表变形、主应力分布及围岩塑性区发展进行分析，并对综合支护效果进行评价。

3 隧道加固控制模拟分析

3.1 建立计算模型

选取汇中区间隧道碎裂岩层段为建模对象，模型的长度、宽度、高度别为80 m、60 m、60 m。模型边界条件设定为上边界无约束、四周为水平约束、底面为竖向约束。隧道三维数值模型如图3所示。

图3 汇中区间隧道三维数值模型

隧道围岩选用莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)弹塑性模型。超前帷幕注浆与超前小导管支护通过提高加固圈围岩力学参数实现，锚杆采用cable单元，初期支护结构采用shell单元，二次衬砌结构采用实体弹性单元。模型中地层及支护结构物理力学参数如表2所示。

表2 模型中地层及支护结构物理力学参数表

3.2 计算结果分析

对上述4种方案下的隧道地表沉降、支护结构主应力分布及围岩塑性区发展情况进行对比分析。

3.2.1 地表沉降分析

图4为各支护结构加固方案下的横断面地表沉降曲线。由图4可知：

(1) 各方案地表沉降趋势相似，方案1的沉降值最小，仅为9.52 mm，比原方案减小了30.7%。这说明采用全断面WSS超前帷幕注浆对掌子面前方碎裂岩体进行预加固，显著改善了不良地质段围岩的力学特性，该方案对地层沉降的控制效果较好。

(2) 方案2、3的沉降控制效果基本一致，说明通过超前小导管支护提高拱顶围岩强度，以及提过提高初期支护刚度来抵抗地层变形，其原理都是为了增强围岩及支护结构的弹性抗力。

(3) 方案4的支护效果较其它方案略差，说明增大拱顶锚杆长度和增设拱肩及拱脚锚杆需要与其它支护结构有机结合，才能发挥出更好的加固效果。

3.2.2 结构主应力分析

图5为右线隧道初期支护结构最大主应力分布情况。由图5可知：

(1) 不同加固方案下，初期支护结构主应力分布趋势类似；隧道轴线(180°)两侧主应力呈不对称分布，左帮明显大于右帮，这是由于左线隧道开挖对右线围岩起到扰动叠加作用；拱肩处压应力最大，表现为拱肩初期支护结构压应力集中。因此，针对厚碎裂岩层隧道，应重点加强拱顶与拱肩的支护强度。

(2) 方案1中拱顶及拱肩处的主应力明显较小，说明全断面WSS超前帷幕注浆能够有效提高隧道开挖范围内碎裂岩体的自稳性，从而减小围岩扰动及减缓压应力集中。

图4 各支护结构加固方案下隧道横断面地表沉降曲线

图5 各支护结构加固方案下隧道结构最大主应力曲线

3.2.3 围岩塑性区分析

图6为各支护结构方案的围岩塑性区分布情况。由图6可知：

(1) 方案1：采用全断面WSS超前帷幕注浆加固后，隧道拱顶围岩塑性区明显减小，相较于原方案，塑性区仅出现在拱肩以下，这说明通过超前注浆加固能够显著改善开挖范围内碎裂岩体的力学性质；且通过该措施碎裂岩体可胶结融合为整体，使其抗剪强度明显增强，加固效果良好。

(2) 方案2：超前小导管支护能够提高拱顶围岩的强度和稳定性，从而减小拱顶围岩的塑性发展，对抑制隧道两帮变形具有重要作用。

(3) 方案3：提高初期支护刚度后，原方案的塑性区略小，加固效果并不显著，这说明仅提高初期支护刚度对抑制围岩塑性发展效果并不明显。

4 基于灰色关联的支护优化分析

4.1 多指标灰色关联分析

灰色关联分析是研究系统中各影响因素关联程度的定量性评价方法[7]。对于隧道施工中的支护优化问题，通过对各支护结构加固方案进行多指标关联度分析，得到综合支护效果最佳的加固方案。

基于灰色关联的多指标综合支护效果具体计算过程如下：首先确定支护效果评价参考序列A0，记A0={x0(k)|k=1,2,…,n}，其中n为每个支护方案的评价指标个数；然后确定比较数列Ai,记Ai={xi(k)|k=1,2,…,n}(i=1,2,…,m)，其中m为支护方案个数。

则Ai(k)对A0(k)的关联系数ξ0，i(k)为：

(1)

考虑不同评价指标对支护效果的重要程度具有较大差异，因此，通过各评价指标的权重乘以其关联系数得到各支护结构方案的关联度，即：

(2)

式中：

4.2 各支护结构加固方案支护效果综合评价

结合本区间工程的施工条件及周边环境特点进行风险敏感性分析[8-9]，确定地表沉降量、拱顶沉降值、拱顶初期支护结构最大主应力、隧道两帮水平收敛位移、围岩塑性区发展水平等5项指标，并将其作为支护效果评价指标。其中，围岩塑性区发展水平为隧道开挖后围岩塑性区面积与开挖断面面积之比，用来描述隧道围岩塑性区随开挖面的发展趋势[12]。结合国内外研究成果[10-11]和专家调查法确定各评价指标权重，如表3所示。各支护结构加固方案对5项指标的支护效应评价如表4所示。

表3 各评价指标权重

表4 支护结构加固各方案下评价指标的支护效应

对于隧道的支护优化问题，选取原方案各指标量为参考序列，即A0=[13.74，18.14，1.854，4.82，1.26]，则支护影响效应矩阵A为：

(3)

为了消除各评价指标数值范围和量纲的差异，对支护影响效应矩阵A进行归一化处理，得到无量纲规范矩阵B。

(4)

根据式(1)、(4)计算得到关联系数矩阵为：

(5)

根据式(2)和表3计算得到比较序列关联度为：

(6)

由于该关联度求解过程中选取的原支护方案为参考序列，致使其关联性与综合支护效果呈负相关，因此定义支护效果水平s0，i为：

(7)

将式(7)带入式(6)计算得到：

(8)

由式(8)可知，加固方案1的综合支护效果水平比原方案提高了116.5%，比方案2、3、4分别提高了66.1%、49.7%、65.8%，这说明方案1的综合加固效果最好，方案2、4的加固效果相近，方案3的加固效果略差。

综上所述，各支护结构加固方案的支护效果为方案1>方案2>方案4>方案3。

结合经济性、施工便捷性和工期风险等因素，对4种加固方案进行比较可知:全断面WSS超前帷幕注浆施工速度较慢、造价较高、对施工队伍水平要求亦较高，而其他3种加固方案则施工速度较快、经济性较好、地层适应性较强、施工更为便捷。因此，现场施工中需结合具体地质条件合理选择加固方案，在岩层碎裂、岩体风化程度较高或地表密布建筑物地段采用全断面WSS超前帷幕注浆支护；在地质条件较好地段，可采用超前小导管支护或增大拱顶锚杆长度或增设拱肩及拱脚锚杆等措施。