大跨度地鐵暗挖車站圍巖穩定性分析及方案優選研究

□文 /李美群

對于交通導改、管線遷改難度較大，不具備明挖施工條件的地鐵車站一般采用淺埋暗挖法施工。淺埋暗挖施工由超前支護、超前加固、土體開挖、初噴混凝土、格柵支護、二次襯砌等主要施工歩序組成，特別是在砂層范圍內的大斷面暗挖施工具有開挖作業面小、施工工序復雜、施工難度大、施工風險大的特點。因此，暗挖施工方案的比選和論證是十分必要的。

目前國內地鐵在淺埋暗挖法方面積累了許多寶貴的經驗。王夢恕院士[1]基于多年的工程實踐和理論研究，創造并完善了地下工程淺埋暗挖法設計與施工配套技術；鄭穎人院士[2]完善了隧道圍巖破壞機理和隧洞設計計算方法；易小明等[3]從力學機制上分析隧道上覆土體沉降機理；姚明會等[4]采用有限元法模擬分析了淺埋暗挖法大跨度隧道沉降；時亞昕等[5]采用隨機介質理論法對地表沉降進行了預測分析；李志輝等[6]研究如何控制地表沉降；姚宣德[7]等對地表控制標準進行了統計分析。本文采取數值模擬方法對這一問題進行研究。

1 工程概況

某地鐵車站周邊建構筑物及市政管線分布密集。車站總長279.32 m，兩端為明挖2層三跨箱型框架結構，中間段為暗挖單層三跨聯拱結構。中間暗挖結構長68.76 m，開挖寬度22.6 m，高度9.37 m，頂拱埋深約9.67 m。開挖斷面大，結構形式復雜，圍巖穩定性較差，周邊建構筑物及市政管線分布多，沉降要求高，影響因素眾多。

2 圍巖穩定數值分析

2.1 圍巖穩定問題

結構施工范圍內土層主要為人工填土層、黃土狀粉質粘土②2層、黃土狀粉土③3層、黃土狀粉質粘土③1層、黃土狀粉土③2層和粉細砂④1層。由于地面的交通流量較大，車輛行駛產生的震動對隧洞拱頂土層有直接擾動作用，致使砂石層變得松散。同時，暗挖段上部人工填土層成分復雜，密實程度低，均勻性差，透水性強，當有管線滲漏或其他水體的意外補給時將會形成匯水通道，發生沉陷，易引發地表塌陷，當其下部土體開挖失去支撐后極易發生坍塌。黃土狀粉質粘土②2層、黃土狀粉土③3層、黃土狀粉質粘土③1層、黃土狀粉土③2層具有輕微濕陷性，當有管線滲漏或其他水體的意外補給時將會形成匯水通道，發生沉陷，易引發地表塌陷。土體整體自穩能力差，暗挖法施工時無法形成自然應力拱，易發生塌落現象，見表1。

表1 土的物理力學參數

2.2 施工方案模擬

經工程類比，初步判定該暗挖車站具有可行性的施工方案主要有中洞法、側洞法、柱洞法3種。

1）中洞法。中洞先行，建立起梁、柱支撐體系，然后施作側洞。該方法分塊多，多次擾動地層，但先建立起的梁柱體系對地面沉降起一定控制作用。

2）側洞法。兩個側洞先行，然后施作中洞。該方法分塊多，工序多，對地層擾動最大。

3）柱洞法。先挖柱洞完成中柱再開挖中洞。該方法分塊多，多次擾動地層，但先建立起的梁柱體系對地面沉降起一定控制作用。

2.3 數值模擬參數

計算采用美國It asca公司的Fl ac3D有限差分軟件進行平面模型計算。地層及初襯、二襯結構均采用實體單元進行模擬，除支護結構單元采用彈性模型外，地層結構單元均采用莫爾庫倫模型進行計算。根據圣維南原理，計算模型范圍為160 m×80 m（長×寬），節點數分別為 8 592個（柱洞法）、8 660個（中洞法）、8 914個（側洞法），單元數分別為4 176個（柱洞法）、4 220個（中洞法）、4 338個（側洞法），見圖1。

圖1 柱洞法、側洞法、中洞法模型對比

在模擬過程中，將地表施工載荷等效為20 kPa的均布載荷。模型邊界條件，對底部采用水平和豎直位移約束，兩側只有水平位移約束。巖土體均采用Mohr-Coul omb模型，混凝土襯砌采用彈性體材料。

3 結果分析及方案優選

3.1 位移分布分析

3種施工方案位移分布情況見圖2。

圖2 各施工方案豎向位移

由圖2可以看出，3種施工方案的土體和襯砌都要頂拱部位位移向下，底板部位位移向下的情況，整個暗挖隧道洞室徑向收斂。從總體上看，側洞法施工方案洞徑收斂情況最為嚴重。

3.2 地表沉降分析

地表沉降主要是由于施工引起的地層損失和施工過程中圍巖周圍受擾動或受剪切破壞的重塑土再固結所造成的。拱頂沉降是評價圍巖位移大小及穩定性的一個重要指標。隧道在分步施工時，沿隧道縱向軸線垂直斷面方向上會出現沉降槽。

經分析比較，柱洞法最大地表沉降值約26mm，側洞法最大地表沉降約32mm，中洞法最大地表沉降約29mm。工程位于城市主干道下方，對地表沉降有嚴格的控制要求。地表沉降為選擇施工方案的重要參考指標。柱洞法和中洞法方案滿足地表最大沉降量＜30mm的施工要求，優于側洞法方案。

3.3 結構應力分析

暗挖隧道開挖主要由初期支護承受應力釋放，二襯作為安全儲備。隨著開挖進行，初期支護上出現應力集中，見表2。

施工方案 應力集中工況最大拉應力/MPa出現位置最大壓應力/MPa出現位置中洞法 開挖最下層邊導洞 9.88最下層邊導洞初支外表面-13.32最下層邊導洞初支內表面側洞法 開挖最下層邊導洞 12.54第二層邊導洞初支外表面-15.72第二層邊導洞初支內表面柱洞法 開挖最下層邊導洞 9.23最下層邊導洞初支外表面-12.95最下層邊導洞初支內表面

由表2可以看出，初支上的應力都比較大。其中柱洞法方案與中洞法方案應力最大位置相同，而側洞法最大應力位置不同，這與施工工序對應的最大應力釋放區是對應的。整體上看，柱洞法應力值最小，應力集中區最小。

3.4 施工難度、速度、安全與工程造價分析

柱洞法方案中洞施工支撐多、拆除量大、造價最高。中洞法方案由于中洞和側洞開挖采用3層6步，分塊較多，工期最長，見表3。

表3 3種施工工法比較

3.5 方案優選

對模擬得到的數據分析結果和工程類比調查統計得到的數據分析結果進行模糊評判[8]。首先確定評判對象集U={地表沉降、結構應力、凈空收斂、施工難度、施工速度、安全性、工程造價}，然后建立評判集V={很好、較好、一般、較差、很差}。邀請各相關領域的專家對評判對象集進行評分，得到單因素評判向量Ri，進而建立評判向量矩陣R，以便量化分析。接著通過不同因素的權重分配得到權重集A。最后，利用Fuzzy綜合評判B=AoR（o為模糊合成算子）。

通過模糊評判方法得到最優方案為柱洞法方案。

4 施工專項措施

通過數值模擬分析，可以發現暗挖施工存在安全隱患主要在于拱頂的塌落及最下層邊導洞拱腳位置應力集中。故應特別注意加強以下針對性的專項處理措施。

4.1 掌子面注漿

掌子面遇砂層時在上導洞設置超前導管并注漿加固地層（超前導管單根長度3 m，搭接1 m；相鄰導管間距600mm×600mm，最外圈的超前導管距離初襯內輪廓200mm）。砂層中注漿漿液為改性水玻璃漿液。

4.2 超前小導管注漿

為改良工作面前方地層，保證開挖工作面的穩定，隧道開挖時須采用超前小導管注漿加固地層。小導管每榀設置長度2.0 m，環向間距300mm。主體結構下層小導洞拱頂采用單排小導管注漿超前支護。打設范圍：上層導洞在拱部180°設置，下層導洞在拱部120°范圍設置，初襯扣拱拱部全部設置。小導管漿液材料根據地層情況選擇，粘土、粉土一般情況下不注漿，砂層一般采用改性水玻璃。

注漿量、配比、注漿壓力根據現場試驗確定，小導管超前注漿形成的加固圈厚度≮2.0 m。注漿結束后，必須對注漿效果進行檢查并對注漿的薄弱部位，重新補充注漿。

4.3 鎖腳錨管

拱腳鎖腳錨管采用φ42mm×3.25mm小導管，單根長度3.0 m，每榀每拱腳處設2根，水平傾角15°～30°；注漿漿液采用水泥-水玻璃漿液，注漿壓力一般控制在0.3～0.5 MPa（粉質粘土層可適當加大至0.5～0.8 MPa）。鎖腳錨管與鋼格柵焊接連接牢固。

4.4 深孔注漿及地面注漿加固

車站暗挖段拱部采用深層注漿方式加固，加固范圍為初襯外輪廓向外2.5 m、內輪廓向內0.5 m。暗挖車站上方的大斷面雨污合流方溝采取兩排小導管地面注漿加固，小導管長度6 m，間距1 m，加固范圍延伸至車站兩側各10 m。

4.5 超前地質探孔

掌子面開挖前打設超前地質探孔并分析地層狀況，若存在滲漏水嚴重、地層情況與勘察報告不符、土層較差時應封閉掌子面，通知設計并修正設計參數后方可繼續施工。加強監控量測，切實做到洞內與地面監測同步并做到信息化施工。

5 結論

本文對施工方案及對比方案進行了模擬計算，從得出的模擬數據進行分析，總體得出結論，認為柱洞法方案地表沉降小于中洞法和側洞法方案且滿足工程要求；結構應力也小于另2種施工方案；位移分布3種方案各有特點，但均在施工允許范圍之內。綜合考慮各影響因素，模糊評判結果認為，柱洞法施工方案更優。

針對拱頂塌落和邊導洞拱腳應力集中問題，施工時應注意加強專項措施，做好超前支護和超前注漿加固，嚴格規范鎖腳錨桿施工并實時監測工程各施工歩序支護應力、變形及圍巖穩定性，做到信息化設計和施工。

［1］王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術通論［M］.合肥：安徽教育出版社，2004．

［2］鄭穎人，朱合華，方正昌，等.地下工程圍巖穩定分析與設計理論［M］.北京：人民交通出版社，2012．

［3］易小明，張頂立，逢鐵錚，等.城市隧道上覆地層整體下沉的力學機制分析［J］.巖石力學與工程學報，2009，（S1）：2860-2867．

［4］姚明會.淺埋暗挖大跨度地鐵隧道地表沉降分析［D］.上海：同濟大學，2007．

［5］時亞昕，陶德敬，王明年.大斷面淺埋暗挖隧道施工引起的地表移動及變形預測［J］.巖土力學，2008，（2）：465-469．

［6］李志輝.城市隧道淺埋暗挖地表沉降規律及控制研究［D］.長沙：中南大學，2008．

［7］姚宣德，王夢恕.地鐵淺埋暗挖法施工引起的地表沉降控制標準的統計分析［J］.巖石力學與工程學報，2006，25(10)：2030-2035．