土巖組合地層淺埋隧道埋深確定方法研究

胡智民

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

0 引言

隨著城市基礎設施建設的不斷深化，淺埋暗挖法由于其不影響交通、占地拆遷少等優點在我國城市地下工程中的應用日趨廣泛［1－4］。城市地鐵隧道建設引起的管線破裂、地表建(構)筑物的傾斜和開裂等安全事故時有發生，這些安全事故和環境問題，都是由隧道開挖后地層應力變化及地層變形引起的。隧道的埋置深度是隧道開挖引起地面變形的重要影響因素;因此，確定合理的埋深對預防安全事故、控制環境影響及降低成本具有重要意義。

在隧道埋深問題方面，國內很多學者進行了研究，目前大多數是針對山嶺隧道與海底隧道。徐則民等［5］對不同埋深下巖體初始的應力特征、圍巖壓力及圍巖穩定性進行了初步討論;胡學兵等［6］討論了不同埋深和跨度對隧道穩定性的影響;趙占廠等［7］以數值仿真技術為手段，對不同埋深下的圍巖壓力性質進行了分析;汪成兵等［8］對不同埋深下圍巖壓力拱形態進行了模型試驗研究;梁曉丹等［9］對隧道壓力拱與圍巖變形的關系等方面做了研究;李倩倩等［10］對北京地鐵區間暗挖隧道開挖后不同埋深下的地層應力、塑性區分布及地層變形3個方面進行分析研究;茅為中等［11］分析了地鐵隧道覆跨比和高跨比對地表沉降的影響;李樹忱等［12］運用斷裂損傷有限元數值軟件對海底隧道最小巖石覆蓋厚度進行了研究，建立了確定海底隧道最小巖石覆蓋厚度的位移收斂法。

對于在土巖組合特殊地層中進行淺埋暗挖施工的研究相對較少。張先鋒［13］通過青島地鐵試驗段工程施工數據對地鐵車站結構埋深進行了研究;王旭東等［14］對淺埋暗挖隧道的覆跨比進行了研究。在土巖組合特殊地層中不同圍巖等級下，即使隧道尺寸、開挖工法和覆蓋層厚度都一樣，也會出現差異很大的施工后果。因此，單一采用覆跨比僅能將隧道的跨度和覆蓋層厚度進行量化的衡量，卻無法對覆蓋層的不同成分做出區分。為了進一步對隧道的覆蓋層做出評價和定量的衡量，本研究引入巖跨比來進一步對覆蓋層的性質進行評價。

青島地鐵工程中暗挖車站普遍埋置于風化程度不同的花崗巖地層中，地層條件從上到下為典型的土巖組合地層。車站結構的埋深選擇會影響到施工開挖的難易程度、輔助施工工法的選擇、地下管線和周邊建(構)筑物的保護、長期運營期車站的便利性及成本等。綜合考慮上述因素，在確定埋深時引入車站隧道跨度對埋深的影響，采用2個無量綱的指標(覆跨比和巖跨比)來進行合理埋深確定方法的研究。本文應用數值方法對覆跨比、巖跨比與地表位移的關系以及開挖穩定性進行分析。對不同覆跨比及巖跨比下淺埋暗挖隧道的開挖進行模擬，對背景工程的合理埋深進行了確定，并對多指標進行敏感性分析。

1 隧道埋深確定指標——覆跨比、巖跨比

覆跨比是進行淺埋暗挖隧道初步設計中用到的一個重要參數，合理的覆跨比是保證淺埋暗挖隧道施工的安全性和經濟性的重要前提。覆跨比是一個無量綱的指標，其定義的示意圖見圖1。

圖1 覆跨比、巖跨比示意圖Fig.1 Schematic diagram of cover-span ratio and rock-span ratio

式中d為車站隧道結構的跨度，m。

隧道上覆蓋層可根據地質勘查分為巖層和土層2種，對于青島土巖組合特殊地層，可將各種風化程度不同的花崗巖等列入巖層范疇，其上的諸如填土、黏土、沙層等列入土層來考慮。巖跨比:

式中h2為拱頂上覆巖體厚度，m。

2 有限元模擬

2.1 工程概況

選取青島地鐵江西路車站結構，為地下2層島式站臺車站。該車站為采用雙側壁導坑法施工的淺埋暗挖車站，位于強風化－微風化花崗巖過渡巖層中，拱頂位于強風化巖層，場地巖土層情況及厚度情況見表1。初步設計的雙側壁導坑法施工工序見圖2。車站初設覆跨比為0.465(埋深10 m)，洞室跨度為21.5 m，采用復合式襯砌結構形式。初期支護設計采用高性能防滲噴射混凝土、濕噴混凝土工藝，噴層厚0.3 m。

表1 各層巖土體模型計算參數Table 1 Calculation parameters of rock and soil

圖2 設計施工工序Fig.2 Designed construction process

2.2 有限元分析模型

考慮圍巖與結構的共同作用和分步施工過程，采用有限元數值計算模型進行模擬計算。

本研究使用PLAXIS建立有限元幾何模型。依照圖紙尺寸，模型中隧道高度取15.5 m，跨度為21.5 m，墻高8.5 m。有限元分析模型網格圖見圖3，共1 788個單元。

圖3 有限元分析模型圖Fig.3 Finite element analysis model

模型內容包括場地巖土體、初期支護、加固土體和錨桿。在數值模擬計算中，可認為預支護措施在洞室圍巖中形成一定厚度的加固區。因此，管棚法和小導管注漿法預支護效果的模擬可以采用提高加固區范圍內圍巖參數的等效辦法來實施。

2.3 材料參數

對于場地土采用Mohr－Coulomb屈服準則進行模擬。從開挖到車站結構建造過程較整個地鐵的服役期短，因此按照土體的不排水行為進行分析，分析采用土體的有效應力參數。巖土體相關參數取值見表1。

2.4 模擬計算過程

考慮到隧道的開挖過程中應力釋放的時間效應與噴射混凝土隨時間的硬化和強度增長，在設計隧道施工步時分3步釋放應力，一個完整的開挖過程包括連續的3個施工步驟，應力釋放比例分別為0.50，0.25和0.25，其中第1步為開挖區域的開挖。噴射混凝土的早期強度增長通過模量的變化模擬，在一個完整開挖過程的第2，3個步驟中模擬，在第2步中施作初期支護只考慮30%的模量，第3步使其強度達到100%。隧道的整個施工流程見圖4。

從對限時訓練剩余題目處理情況的問卷調查數據發現，69.02%的學生面對限時訓練剩下的做錯題目想老師去解決，也看出了學生整體知識和能力還是不夠，雖然我們給出了詳細的解題過程，但是依然無法自己突破，也看出了課后小組成員的交流還不夠。

圖4 施工步流程圖Fig.4 Flowchart of construction

3 覆跨比確定埋深的方法

3.1 分析模型設計

3.1.1 模型1:提高隧道結構減小埋深來變動覆跨比

通過保持地層參數及支護設計參數等因素不變，研究不同覆跨比對應的地表位移，在數值模型中抬高車站結構和加固區一直計算到模型不收斂為止。背景工程覆跨比為0.465，按10%的覆跨比為單位減小，即每個工況將覆跨比減小0.046 5，進行施工開挖的模擬。

模型計算了 0.465，0.419，0.372 和 0.326 這 4 種覆跨比下的施工過程，直至在覆跨比0.326下模型計算不滿足收斂條件時終止計算。

3.1.2 模型2:一定巖跨比下增加覆蓋層厚度來變動覆跨比

研究上覆巖土體質量對埋深確定的影響時保持巖跨比不變，通過對背景工程第1層土(素填土)增加和減小厚度來模擬不同埋深下隧道承擔的覆蓋層質量，每次增減幅度為1 m。模型的上覆巖層厚度變化過程見表2。

表2 上覆巖層厚度變化表Table 2 Variation of thickness of rock cover

3.2 計算結果分析

3.2.1 模型 1

圖5 不同覆跨比下地表最終沉降曲線Fig.5 Final ground surface settlement under different coverspan ratios

由圖5可見，拱頂位于強風化地層的車站覆跨比在0.465～0.372(拱頂埋深10 ～8 m)時，地表位移逐漸增大，最大地表位移約14～43 mm。當覆跨比繼續減小至0.326(拱頂埋深7 m)拱頂所處地層條件已由強風化層變為粗砂粒層，此時塑性區已貫通，模型無法收斂。

3.2.2 模型 2

選取不同覆蓋層厚度，那么覆跨比也相應變化，不同覆跨比下的拱頂最大沉降與地表最大沉降量如圖6所示。

圖6 不同覆跨比下拱頂及地表最大沉降Fig.6 Maximum crown settlement and maximum ground surface settlement under different cover-span ratios

由圖6可見，當覆蓋層厚度由8 m增至12 m，即覆跨比由0.372增至0.558時，拱頂最大豎向位移基本成線性增加的趨勢，表明拱頂承擔的荷載也隨之增大，說明上覆土層雖然可以承擔荷載，但同時也是荷載的來源。可見在確定埋深時，覆巖厚度對圍巖的穩定有一定影響，一定巖跨比下，巖層上方的土體厚度越大，對拱頂的變形控制越不利。另外，不同拱頂覆土厚度下當隧道施工完畢后，拱頂下沉均大于地表沉降，說明隨著隧道施工完畢，支護完成，拱頂處重新達到應力平衡，變形趨于穩定，但由于變形是由拱頂逐漸傳遞到地表，因而地表變形相對較小。

本節著重于不同覆跨比下對于隧道埋深的研究，通過2種不同的方法來改變覆跨比，一為整體提高隧道埋深，覆跨比改變同時巖跨比也在改變;二為保證巖跨比不變，增減第1層雜填土層厚度來改變覆跨比。兩者側重點不同，前者側重于壓力拱的成拱，即在施工完成后隧道上方有足夠巖層厚度形成壓力拱以承擔荷載，據此確定隧道的合理埋深。通過數值計算得到的結論是:當隧道埋深減至7 m，覆跨比大小僅為0.326，即隧道拱頂位于粗礫砂層時隧道上方無法形成壓力拱，計算無法收斂，以此方法可確定隧道埋深的下界。后者側重于隧道上覆巖土體質量，但條件是巖跨比保持不變，這意味著隧道上方始終有足夠厚度的巖層來形成壓力拱，土層厚度增減意味著拱頂承擔荷載也隨之增減，拱頂的豎向位移會隨之進行同等趨勢的變化，若土層厚度過大，拱頂會因承擔荷載超過限值，內力過大而破壞，據此可確定隧道埋深的上界。

4 巖跨比確定埋深的方法

4.1 計算方案設計

本研究通過將計算模型中的強風化花崗巖用黏土替代，在不改變覆跨比的情況下計算隧道拱頂上覆巖層厚度逐漸減小時的施工過程，計算進行至當一定巖層覆蓋厚度下模型不滿足收斂條件為止。考慮到背景工程隧道上方強風化花崗巖厚度為3 m，拱頂加固區等效厚度為0.5 m，模型的上覆巖層厚度變化過程見表3。

表3 上覆巖層厚度變化表Table 3 Variation of thickness of rock cover

本研究共計算了3個不同巖層覆蓋厚度下的隧道開挖施工過程，其中當模型覆巖厚度減小至0.5 m時計算不收斂，此時巖跨比為0.023。

4.2 計算結果分析

通過減小巖跨比的模擬計算，結果顯示當巖跨比減小到0.023時計算不收斂。表4列出了巖跨比為0.093，0.047 和 0.023 時的地表最大沉降量。

表4 不同巖跨比的地表最大沉降量Table 4 Maximum ground surface settlement under different rockspan ratios

圖7為覆跨比不變時，改變拱頂上覆巖層厚度時地表沉降量的變化曲線圖。可見當覆跨比不變，逐漸減小拱頂上覆巖層的厚度時，地表最大沉降量有增加的趨勢。

從表4可見，拱頂位于強風化地層的車站巖跨比在0.140 ～0.047(拱頂覆巖3 ～1.0 m)時，地表位移基本呈線性變化，最大地表位移14～30 mm。當巖跨比繼續減小至0.023(拱頂覆巖0.5 m)地表位移呈現突變，圍巖失穩，結構產生破壞。

圖7 不同巖跨比下地表沉降量Fig.7 Ground surface settlement under different rock-span ratios

由以上對于不同巖跨比下模型計算結果的分析可見，在確定地鐵車站埋深時應在考慮覆跨比的同時考慮隧道拱頂覆巖厚度，通過分析拱頂覆蓋層的巖層和土層的厚度來確定隧道在該埋深下的巖跨比。

算例表明:當拱頂穿越強風化花崗巖地層時，在覆跨比(0.465)一定的情況下，巖跨比減小到0.023時圍巖在開挖過程中會破壞，施工無法完成，說明依靠單一的覆跨比并不能確保施工的安全，需要綜合考慮覆跨比和巖跨比，避免采用單一指標(覆跨比)衡量埋深。

5 雙指標確定埋深時的敏感性分析

本文選用了3個模型來模擬覆跨比和巖跨比對于隧道埋深的影響，結果表明:隧道施工過程中上覆巖體和土體對圍巖的穩定貢獻程度不同，所選背景工程上覆巖體更有利于隧道的穩定，當隧道覆跨比在0.465～0.372范圍內(即隧道拱頂埋深在 10～8 m)時，隧道開挖后沉降呈線性變化，進一步減小覆跨比，施工的安全性將無法保證;模型計算不收斂時，拱頂上方覆巖厚度已小于1 m，雖然拱頂上方依然有7 m厚的土層，但此時隧道已無法穩定。表明在土巖組合地層中進行淺埋暗挖施工時，隧道頂部的巖層是確保安全施工的保證，隧道施工的安全性對上覆巖層厚度的變化更加敏感。

通過對一定巖跨比下改變上覆土層的厚度來實現對隧道上覆巖土體質量變化的模擬，計算結果表明覆蓋層自重的增加不利于隧道的受力和變形控制，但基本不會對隧道的安全造成大的威脅。

不同覆巖厚度下的模型計算結果表明，即使覆跨比不變，巖跨比的變化仍然能極大影響隧道施工的安全和施工后沉降。因此，在進行埋深確定時應優先保證隧道上覆巖層厚度，在此基礎上根據隧道跨度確定埋深。

綜上，在青島典型土巖組合地層中確定地鐵車站埋深時，隧道的安全性對上覆巖層的厚度最為敏感，其次為覆跨比，覆蓋層自重荷載影響隧道的工后變形及受力。在考慮增加隧道巖跨比以保證安全性時應考慮自重荷載的不利影響，可通過對隧道拱腳和拱頂圍巖的預加固來增加圍巖承載力。

6 結論與建議

本文通過采用覆跨比與巖跨比對土巖組合地層淺埋隧道進行合理埋深確定的研究，得到以下結論:

1)對土巖組合地層，采用單一的覆跨比指標難以較好的對覆蓋層做出評價，應采用覆跨比、巖跨比雙指標進行地鐵車站的合理埋深確定。

2)在強風化－微風化花崗巖地層隧道施工過程中，上覆巖體和土體對圍巖的穩定貢獻程度不同，上覆巖體更有利于隧道的穩定。

3)在青島典型土巖組合地層中確定地鐵車站埋深時，隧道的安全性對上覆巖層的厚度最為敏感，其次為覆跨比，覆蓋層自重荷載影響隧道的工后變形及受力。

4)確定埋深時，要綜合考慮增大覆巖厚度對隧道安全性的有利影響以及附加巖土自重荷載對隧道受力和變形的不利影響。

本文以青島地鐵某車站為依托，研究結論對青島地鐵淺埋隧道埋深的確定提供了思路與方法，但今后仍需進一步結合不同施工工法、巖土體性質等因素對埋深確定進行更具體、深入、全面的研究。

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