节理带纵向贯穿异质地层地铁车站施工响应与控制分析

孙涛, 李浩, 吕显州*, 宋高锐, 李嘉诚, 张传军

(1.山东科技大学 地球科学与工程学院, 山东 青岛 266590;2.山东科技大学 土木工程与建筑学院, 山东 青岛 266590;3.青岛市勘察测绘研究院, 山东 青岛 266032)

0 引言

复杂地质条件下浅埋暗挖地铁车站的修建是当前我国城市地铁建设安全快速施工面临的关键问题,尤其是不同地质构造产生的各种罕见地层构造,对于城市地铁浅埋暗挖地铁的修建产生巨大的影响[1-3],如何应对复杂的地层条件是地铁安全快速施工的重要问题。

多种不同性质的岩石组合而成的复杂岩层,常常伴随着节理带的出现,这种复杂多变的地层情况对于地铁车站的施工具有巨大的影响。节理带与隧道存在着多种位置关系,不同的位置关系存在不同的相互影响,诸多学者研究了隧道完全处于节理带岩体的情况。Wang等[4]利用数值模拟研究了隧道周围节理岩体引起的各向异性变形,得出其主要影响是隧道开挖使得与隧道相切的节理的抗剪强度降低,导致节理的滑动破坏和剪切变形。仉文岗等[5]推导了考虑岩体节理摩擦角空间变异性的隧道拱顶楔形体安全系数积分表达式,并指出了岩体节理摩擦角的空间变异性对隧道拱顶楔形体失效概率有显著影响。李赤谋等[6]采用数值模拟分析不同层理角时的隧道变形问题,指出不同的层理倾角会影响围岩应力集中的位置,导致不同的变形破坏方式。王永甫等[7]对不同节理倾角时隧道的洞周变形和衬砌稳定性进行了研究,为穿越岩体节理的隧道工程的变形预测和稳定分析提供了有效的计算方法。蔡俊等[8]建立了考虑剪胀角影响的Mohr-Coulomb模型的隧道开挖数值模型,分析了其所依托工程的最优进尺,并且考虑剪胀角的数值模拟计算结果更为接近实际工程。Zhang等[9]依托实际工程,利用数值模拟研究了节理岩体中隧道的破坏形式,揭示了隧道周围的最大变形出现在节理处,其破坏是通过旋转、剪切和塌落的综合机制发生的。

对于隧道贯穿节理带的情况,杨忠民等[10]对节理岩体中隧道开挖后围岩的应力状态进行数值模拟,得到了节理岩体法向刚度与塌方范围呈反比,剪切刚度对隧道塌方范围的影响较小。Liu等[11]将节理岩体视为层状各向异性岩体带,建立层状各向异性岩体的力学模型,并提出一种地下开挖工程稳定性分析的节理建模与模拟方法。

在节理带贯穿隧道的位置关系下,诸多学者将节理带考虑为贯穿裂纹,刘邦等[12]利用模型试验与数值模拟相结合的方式分析出了不同倾角对隧道的影响以及在节理影响下的隧道破坏形式。陈锐等[13]研究了节理面与隧道的位置关系对于复合地层施工的影响,并修正了岩体稳定公式,指出节理穿越隧道时的安全系数最低。黄锋等[14]通过数值模拟结合现场监控量测技术,分析得出车站隧道群受陡倾节理的影响导致偏压现象显著。

综上所述,国内外学者对于节理岩体与隧道不同位置关系的相互影响进行了深入的探索,但是节理带贯穿地层时通常将其简化为裂纹或者隧道围岩均视为节理岩体的简化方式,忽略了节理带厚度及非节理围岩影响。由于国内外学者对异质地层发育有一定厚度节理带的复杂地层条件下地铁施工问题的研究较少,因此本文以青岛地铁6号线华山一路站节理带纵向贯穿异质地层地铁车站为背景,分析辉绿岩侵入花岗岩形成贯穿车站的节理带的施工响应,提出特殊地层下的针对性控制措施,对于日益复杂的地质条件下地铁施工具有重要的指导和借鉴意义。

1 工程概况

1.1 工程简介

青岛地铁6号线华山一路站位于华山一路与规划海岸大道交叉口,车站沿规划海岸大道南北敷设,因此站址地表无大型建筑,周边较为空旷。车站起止里程为YDK25+469.341～YDK25+674.341,标准段开挖宽度为23.40 m,高度为17.77 m,是青岛市目前跨度最大的地铁车站。

华山一路站车站主体大部分位于微风化岩中,围岩级别为Ⅳ1～Ⅳ2级。车站主体结构型为单拱直墙平底板复合式衬砌结构,主体采用初支拱盖法施工,采用预应力锚杆支护-格栅钢架喷射混凝土的主动支护结构。车站平面示意图如图1所示。

图1 车站平面示意图Fig.1 Station view

1.2 地质概况

车站所处地区区域性构造活动强烈,曾发生过大规模、区域性酸性岩浆侵入,在车站区域形成了稳固的花岗岩岩基。随后,酸性-中基性岩浆沿岩基内薄弱面入侵,形成煌斑岩、细晶岩和辉绿岩等浅成相岩脉,与花岗岩岩基组成复合岩体,造成了车站左线花岗岩、右线辉绿岩的特殊地层情况,并且由于侵入的原因,因此在部分不同岩体之间产生了一定宽度的节理带。车站掌子面岩石分布如图2所示。从左至右分别为花岗岩、节理带、辉绿岩。

图2 掌子面岩石分布图Fig.2 Rock distribution map of tunnel face

2 数值模拟

2.1 模型建立

根据施工设计图纸以及地勘报告信息,建立辉绿岩侵入花岗岩地层且交界面处发育有节理带的数值模拟模型,模型地层示意图如图3所示。

图3 模型地层示意图Fig.3 Schematic diagram of model strata

所建立的模型尺寸为100 m×54 m×72 m(长度×宽度×高度)。模型地层由上到下分为填土层(2.4 m)、强风化岩层(6.4 m)、中风化岩层(3.0 m)、节理带(宽1.5 m)和微风化岩层(60.2 m),其中微风化岩层分为左侧的微风化花岗岩岩层和右侧的微风化辉绿岩岩层。

由于霍克-布朗模型可以很好的弥补摩尔-库伦强度准则在节理岩石方面计算的不足,能够很好地计算揭示破碎岩体和各向异性岩体的情况,因此在数值模拟中,节理带采用霍克-布朗模型模拟。其余围岩采用摩尔-库伦模型,支护结构采用弹性模型。

通过在开挖模拟中通过设置空模型来模拟车站主体开挖,将格栅钢架支护-喷射混凝土等效为刚度均匀的实体单元;由于超前小导管注浆目的是为了加固周围岩体,因此通过等效提升岩体参数来模拟强度,可近似满足宏观弹性一致。

2.2 参数确定

围岩物理力学参数根据地质勘查报告和相关规范选取。初期支护的模拟参数采用等效刚度法[15]进行近似模拟,可得出初期支护的弹性模量为23 GPa;锚杆支护参数根据施工选取;对于超前注浆,采用围岩强化的等效模拟方法,其弹性模量通过公式(1)确定。

(1)

式中:E为折算后地层的弹性模量, GPa;E0为原地层的弹性模量, GPa;Eg为小导管弹性模量,GPa;Sg为小导管支护等效截面积,m2;S为支护断面截面积, m2。

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霍克布朗强度准则将影响岩石强度的各种因素归结到2个经验参数m、s中。经验参数m、s可以通过岩石的三轴试验确定[16]。

假定X=σ3,Y=σ1-σ3,则有

(2)

(3)

(4)

其中,n为σ1、σ2、～σ3的组数,组数一般大于5。

最终所获得的围岩及支护力学参数见表1。

表1 围岩及支护力学参数表Tab.1 Mechanical parameters of surrounding rock and support

2.3 开挖模拟

模拟计算中严格按照施工顺序进行,开挖步序示意图如图4所示,#①、#②、#③导洞相互错开8 m,开挖进尺为2 m,#④导洞与#③导洞间隔15 m以模拟施工中沉降稳定后#④导洞的施工措施。待开挖完成后立即施加预应力锚杆及初期支护,并在每一次开挖之后进行模拟计算。模型上部开挖贯通之后进行下断面开挖,根据分区依次进行开挖,每步间隔5 m。监测点布置图如图5所示,为了避免边界影响,选取模型中部距初始界面32 m的断面为监测分析断面。

图4 开挖步序示意图Fig.4 Excavation sequence diagram

图5 监测点布置图Fig.5 Layout of survey points

2.4 针对性控制方式

由于华山一路站穿越多种复杂地层,因此车站施工过程中采用了多种不同支护,本文只针对岩性交界面处节理带纵向分割车站主体的区段所采用的加强支护方式进行模拟分析。对于节理带纵向穿越车站开挖区域的情况下,为了满足工程安全要求,确定合理加固方案,设计3种不同工况进行分析,施工工况方案见表2。

表2 施工工况方案Tab.2 Construction conditions

3 模拟结果分析

3.1 应力分析

对于节理发育岩体,最大主应力和最大剪应力是衡量地铁车站是否稳定的重要参考依据[17]。图6为工况1的最大主应力及最大剪应力云图。由图可知,洞周最大主应力主要分布在节理带处,最大值为-0.65 MPa;最大剪应力主要分布在左拱脚处,最大值为5.9 MPa。

(a) 最大主应力云图

(b) 最大剪应力云图

为了确定施工过程中各工况对于节理带处最大主应力的控制情况,绘制节理带最大主应力时程曲线如图7所示。由图可见,应力释放后工况1的应力为-0.55 MPa,工况2的为0.1 MPa,工况3的为0.05 MPa;工况2与工况3变化趋势相同,在掌子面到达监测断面时应力呈突减趋势,最终呈现较小的拉应力并趋于稳定;工况1同样在到达监测断面时应力突增,原因主要是节理带未进行加固支护,岩石受施工扰动破坏,导致应力在开挖之后急速增加。

同样,为了确定各工况对左拱腰处(稳定性控制关键点)最大剪应力的控制效果,绘制的左拱腰最大剪应力时程曲线如图8所示。由图可知,开挖完成后工况1的拱腰处最大剪应力为4.5 MPa,工况2的为1.75 MPa,工况3的为1.0 MPa。3种工况变化趋势一致,均为掌子面开挖后应力增大,不同的是工况1增长速率最大,其次为工况2,工况3增长速率最小。工况1最大剪应力持续增大的原因为节理带处无加强支护,变形过大,支护无法提供足够的支护能力引起的。

3种工况对于最大主应力和最大剪应力的控制效果方面,工况3效果最优,其次为工况2,2种工况下应力均在控制范围之内,工况1应力变化速率过快,开挖扰动明显,车站的稳定性差。

图7 节理带最大主应力时程曲线Fig.7 Time history curves of the maximum principal stress at the joint band

图8 左拱腰最大剪应力时程曲线Fig.8 Time history curves of the maximum shear stress at the left arched waist

3.2 位移分析

模拟开挖完成后在监测断面处的各工况沉降云图如图9所示,监测断面处各监测点变形数据见表3。由图9和表3可以看出:①未施加超前支护的工况1最大沉降区域正位于节理带,工况2最大位移略微偏向于拱顶方向,工况3最大沉降点位于拱顶处。超前支护对于节理带变形的控制作用显著,并且超前支护的覆盖范围与控制变形的作用成正比。②最大沉降值方面由大到小的顺序为工况1(21.9 mm)、工况2(7.13 mm)、工况3(4.78 mm)。工况3与工况2相比于工况1最大沉降分别下降了78%、67%。③围岩左右线异质,导致车站主体左线花岗岩区域变形小于右线辉绿岩区域。④节理带影响区域主要在拱顶和车站底部区域,直墙段受节理带影响较小。

(a) 工况1

(b) 工况2

(c) 工况3

表3 各监测点变形数据Tab.3 Deformation data table of each monitoring point mm

图10 地表沉降图Fig.10 Surface settlement map

3种工况地表沉降图如图10所示。由图可清晰看出工况1的沉降最大为5.7 mm,工况2的为3 mm,工况3的为2.4 mm。由于车站整体围岩左侧花岗岩强度大于右侧辉绿岩,因此地表沉降最大值点偏向于辉绿岩一侧。地表沉降最大值并未位于拱顶正上方或者受节理带影响偏向于节理带方向,节理带对于地表沉降的影响相较于左右侧围岩岩性的差异影响较小,辉绿岩与花岗岩强度的差异对于地表沉降的沉降范围具有决定性的影响,而节理带对于沉降大小有着较大的影响。

为了分析节理带对施工开挖过程的影响,选取监测断面中节理带监测点以及拱顶监测点沉降数据,绘制出节理带累计沉降图和拱顶累计沉降图分别如图11、12所示。由图11、12对比可知,节理带围岩强度过低,所以在工况1条件下节理带沉降远大于拱顶处沉降,相差6 mm,节理带沉降速率更大;超前支护的施加使得工况2和工况3节理带沉降速率与拱顶处一致。节理带区域和拱顶处沉降具有同样的规律。相对于工况2,工况3超前支护的范围更大,因此在拱部开挖过程中工况3的沉降小于工况2的沉降。在沉降速率方面,3种工况下的沉降速率依次减小,说明注浆区域的增加减小了沉降变化的速率,控制了围岩的变形。节理带区域,工况1在监测面前5 m时就受到扰动,而工况2和工况3则在监测面前3 m时受到扰动,证明了超前支护的施加对于节理带围岩沉降有着很好的支护作用,并且拱部全断面支护相较于仅在节理带处支护对于沉降的限制作用也较为明显。下断面开挖至监测断面之后,拱顶和节理带工况2和工况3的沉降速率相同,其原因是初期支护在拱部的及时封闭,使得下断面开挖的并不会受到节理带的影响。

图11 节理带累计沉降图Fig.11 Cumulative settlement diagram at join

图12 拱顶累计沉降图Fig.12 Vault accumulative settlement diagram

在围岩变形控制方面,工况1的效果最差,无法保证施工的安全,工况2和工况3可以很好地控制节理带以及围岩的变形,能够保证施工的安全进行,并且工况3的控制效果要好于工况2的。针对于围岩变形方面,工况2、3均具有良好的性能。

3.3 塑性变形分析

车站开挖完成后,监测断面处各工况塑性变形区分布图如图13所示。3种工况下节理带区域处均发生了塑性变形,并且延节理带方向扩展,在节理带与车站接触的区域塑性变形区域较大。在车站底部同样在节理带与车站相交处出现塑性变形区域,车站右线辉绿岩区域塑性变形区域比花岗岩区域大。3种支护情况下,工况1产生的塑性变形区域最大,且最大区域除节理带外产生于辉绿岩区域的拱腰处,工况2产生塑性变形区相较于工况1塑性变形区范围减小,最大区域存在于节理带处和辉绿岩区域内处。由于工况3拱部全部施作超前注浆支护,因此其不仅节理带处塑性区稍小于工况1和工况2,右拱腰处的塑性变形区更加小于其他2种工况。超前支护对于塑性变形区范围的控制效果较好,对于车站洞周与节理带接触区域的控制效果明显,减小了塑性变形区的范围;并且对于辉绿岩一侧的拱腰塑性变形区的控制效果也较为明显。

(a) 工况1

(b) 工况2

(c) 工况3

综上分析,从应力、位移和塑性变形区发展三方面对3 种支护方案进行比对,发现仅采用初期支护、节理无针对性控制下车站开挖产生的塑性破坏范围很大,对于大跨度的地铁车站稳定性控制极其不利。而节理带范围内超前小导管注浆支护及全断面注浆支护下隧道开挖产生的塑性破坏均得到较好控制,未对岩体产生较大的扰动,维持了岩体的稳定性,而且2种支护方式下车站开挖产生的拱顶沉降和应力均小于仅有初期支护的工况,两者控制下的地铁车站变形均在控制范围之内,且在围岩条件较好的情况下时左、右线岩性差异所造成的变形与应力差异均在设计允许范围之内,因此利用超前支护对岩性差异的影响进行控制并非必须要求,仅依靠初期支护即可安全支护。全断面超前小导管注浆施工的施工周期长,施工所需器械及注浆材料的消耗较多,需要投入大量资金、时间和人力,因此虽然全断面超前小导管注浆在应力、位移和塑性变形区发展等方面略具优势,但是从经济及隧道快速施工方面考虑,3种支护方案在实际工程施工时需要根据围岩状态状况对工况2与工况3择优选用,即围岩破碎且强度过低时采用工况3施工,围岩状态良好强度足够时采用工况2进行施工。

4 注浆区宽度确定

当左、右两侧岩石强度足够,不需要进行全断面超前小导管注浆支护时,在施工中就仅需要对节理带进行超前注浆支护,对于注浆范围的大小,则需要注浆区域既能够提供足够的支护能力,并且在施工方面具有一定优势。现通过数值模拟在仅节理带注浆支护(工况1),节理带区域左、右两侧各2 m范围(工况2),各3 m范围(工况3)以及左侧拱顶注浆支护(工况4)进行分析。

根据数值模拟结果可得出车站开挖时各工况拱部沉降示意图如图14所示。

图14 拱部沉降示意图Fig.14 Schematic diagram of arch settlement

根据图14可知,节理带处的沉降随着超前小导管支护的范围的增加而减小,支护范围为两侧各3 m以及3 m以上注浆范围之后的最大沉降点位于与拱顶处沉降点重合,支护范围为两侧各2 m时,节理带虽然沉降大于拱顶处,但是影响均在控制范围之内。由于初支拱盖法施工,拱部分区开挖,以两侧各3 m工况进行施工,则会存在已支护区域重复扰动,此举不仅会造成支护结构的支护性能降低,并且会拖慢施工进度,造成人力与资源的浪费,因此,在节理带区域左、右两侧2 m范围内施工为最佳的支护范围。

5 工程应用

5.1 现场施工

青岛地铁六号线华山一路站车站主体节理带纵向穿越区段,施工设计在围岩强度较差的区段采用全断面超前注浆加固的方式进行加强支护,其余区域采用节理带范围施加超前注浆支护,加固措施示意图如图15所示。在施工中利用地质雷达、超前水平钻孔等手段进行的综合预报,有针对性地指导超前小导管的注浆支护的施设。

图15 加固措施示意图Fig.15 Reinforcement plan

小导管施工采用直径为42 mm、厚度为3.5 mm的热轧无缝钢管,管长度为3.0 m,环向间距为40 cm,纵向间距为1.5 m一环布置,小导管安装完毕后用注浆机注浆。

5.2 现场监测分析

在现场施工过程中,对于车站开挖过程中的围岩变形要进行严格的监控量测。选取节理带区段的监测断面进行监测。

由于围岩性质特殊,因此在施工过程中,对于拱顶的现场沉降监测项目为拱顶、拱腰,统计整理所选取监测断面监测数据,对比数值模拟,绘制的节理带区域支护监测数据图以及拱部全断面支护监测数据分别如图16、17所示。

由图16、17可以看出,拱顶沉降趋势与模拟趋势一致,实测数值与现场监测数值相差0.45 mm左右,即模拟值与监测值相差10%左右,说明数值模拟结果具有一定可靠性,其误差产生原因为数值模拟未考虑围岩的非均质因素的影响。

2种支护方式下拱顶沉降最大约为4.5 mm,说明2种支护均对节理带的不利影响产生了良好的控制作用;在仅在节理带范围支护的区域,左、右拱腰沉降不均,其原因为左、右线岩性不一,强度不同,因此产生了沉降差异,在拱部全断面支护的情况下,超前小导管注浆支护抵消了这部分沉降,因此左、右拱腰的沉降一致。

监测结果表明,超前小导管注浆支护对于节理带的支护作用显著,并且在施加全断面超前小导管注浆支护的区域,也更好地限制了左、右不均地质带来的沉降影响。

图16 节理带区域支护监测数据Fig.16 Surface subsidence monitoring value

图17 拱部全断面支护监测数据Fig.17 Surface subsidence monitoring value

6 结语

① 左、右两侧岩性不一致且存在节理带的地质情况下的地铁车站在开挖过程中,围岩施工力学响应主要受到左、右两侧岩性差异的影响,节理带对其影响较小,净空收敛同样受左、右两侧岩性差异影响;拱顶变形受节理带影响最大;节理带以及左、右两侧岩石性质的差异对塑性变形区均有较大的影响。

② 拱部全断面超前小导管注浆支护(工况3)、节理带范围超前小导管注浆支护(工况2)和无加强支护(工况1)3种工况,最大沉降分别为 4.78、7.13、21.9 mm,最大主应力分别为 -0.55、0.10、 0.05 MPa,最大剪应力分别为1.00、1.75、4.50 MPa;沉降以及应力变化速率由小到大的排序均为工况3、工况2、工况1;工况2、3均可以限制塑性变形区发展,工况3在左、右异质产生的塑性变形区发展方面具有更大作用。

③ 施工中可根据围岩强度分别采用工况2与工况3,超前小导管的注浆范围对节理带影响的限制作用随着的范围的增加而增大,结合拱盖法的施工要求,确定节理带左右2 m范围为最佳支护范围。现场监测数据表明应用效果良好。