火山角礫巖風化層大跨淺埋硐室圍巖穩定性分析

何壽迎，呂三和，姜德鴻，閆強剛，趙民

(1.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032； 2.青島巖土工程技術中心，山東 青島 266032)

1 引 言

淺埋軟弱圍巖條件下的大跨度地鐵車站進行暗挖施工時具有風險高，難度大的特點。初期支護變形過大、側壁垮塌、拱頂坍塌失穩等工程險情經常出現。當地鐵車站上方為城市主干道路時，冒頂事故極易導致各類重要市政管線破壞，進而造成地面人員傷亡、帶來惡劣社會影響和經濟損失。車站拱頂覆巖厚度薄、跨度大、拱頂圍巖穩定性差等工程因素是暗挖施工險情的基本原因。工法選擇是暗挖施工成敗的直接因素。

目前，針對花崗巖圍巖條件下的洞室開挖研究較多，程韜等從數值分析及現場監控量測手段研究，硬巖條件下洞室采用雙側壁導坑法施工時，初期支護采用格柵鋼架及系統錨桿，拱頂最大沉降較經驗認識偏小[1]；顏衛東等通過工程實踐發現在拱頂圍巖較差時，采取較強的超前支護，強度高，剛度大的措施可較好地減少拱頂的沉降，控制圍巖的變形[2]；王旭東等通過數值分析方法研究了在花崗巖為主上軟下硬的地層條件下，暗挖車站的覆跨比影響暗挖車站開挖的穩定性，合理的覆跨比有利于開挖的穩定性[3]。謝富東等總結分析了青島清江路地鐵車站的監測數據，得到隧道施工過程圍巖的變形特點和支護受力情況，并借助開挖揭露巖體對圍巖等級進行動態修正。基于監控量測數據和圍巖等級修正結果對清江路站進行施工全過程三維數值仿真，對掌子面前方先行位移和掌子面擠出變形的變化規律、掌子面前方塑性區影響范圍以及初期支護的受力特點進行了較全面的分析[4～9]。以上均針對花崗巖圍巖條件下的圍巖應力應變分析，目前，對火山角礫巖風化層條件下的大跨度淺埋洞室研究較少。

2 車站基本概況

2.1 場區環境條件

車站場區地形較為平緩，為交通繁忙的青島市主干道重慶路。該路埋設有青島市重要市政管線，地下管線埋設有寬 1 100 mm電力管溝、Φ400 mm的雨水、Φ1 200 mm給水管、通訊管廊等市政設施。

暗挖車站長約240 m，洞室標準段開挖跨度為 19.9 m，高度約為 17.4 m，覆巖厚度為 8.2 m～12.0 m，覆跨比為0.41～0.60，具有開挖斷面大，拱頂埋深較淺的特點。車站輪廓如圖1所示。

圖1 車站輪廓

2.2 地質條件

車站場區為剝蝕殘丘地貌，第四系較薄，且為人工填土，厚度小于 2 m；場區基巖為白堊系青山群八畝地組火山角礫巖，角礫粒徑多在 2 mm～64 mm之間，呈次棱角狀，礦物成分主要為英安質(80%)，火山灰膠結(15%)。長石、石英和黑云母為主要礦物成分，正交偏光圖像如圖2所示。受風化作用影響，基巖內形成了強風化帶、中風化帶及微風化帶。場區內中風化火山角礫巖飽和單軸抗壓強度為 18.04 MPa，微風化火山角礫巖飽和單軸抗壓強度為 35.64 MPa。

圖2 火山角礫巖正交偏光圖像

受青島區域斷裂帶李滄斷裂的影響，場區內發育多處剪切破碎帶，且形成了多處風化凹槽。巖體節理發育，且節理多泥質膠結，粘結強度較差。洞身穿越的巖土層主要為中風化的火山角礫巖、微風化火山角礫巖，局部為強風化的火山角礫巖、剪切破碎帶。車站拱頂揭露巖性大部為中風化火山角礫巖，局部拱頂為強風化火山角礫巖，穿插數條剪切破碎帶。剪切破碎帶寬約 0.5 m～2 m不等，破碎帶內巖體碎散，礦物蝕變強烈，局部為構造泥。場區內地下水埋深約 3 m，為基巖裂隙水。Ⅳ圍巖段隧道拱頂中風化火山角礫厚度約為 7 m～10 m，其上為強風化巖及第四系填土層。Ⅴ級圍巖段拱頂為厚度 13 m強風化火山角礫巖及 2 m厚第四系填土層。車站主體圍巖等級為Ⅳ～Ⅴ級，如圖3所示。各巖土層物理力學參數如表1所示。

圖3 地質剖面圖及圍巖分級

各巖土層物理力學參數 表1

2.3 施工工法

車站圍巖呈典型的“上軟下硬”特點，其側壁圍巖相對完整，具有實施拱蓋法的地質條件，因此車站采用拱蓋法施工。車站拱頂圍巖整體較差，拱部采用分區分段方式開挖，為便于組織施工，Ⅳ級圍巖擬采用中隔壁法(CD法)，初期支護采用 300 mm型格柵鋼架，0.75 m每榀。Ⅴ級圍巖段擬采用雙側壁導坑法施工，格柵鋼架間距為 0.5 m，且采用超前小導管作為超前支護措施。計算參數如表2所示。

支護材料參數 表2

3 各級圍巖條件下的穩定性分析

3.1 平衡拱概念

俄國學者普氏(簡稱)于1907年提出普氏理論，即自然平衡拱理論，認為在具有一定粘結力的松散介質中開挖洞室后，其上方會形成一個拋物線形的自然平衡拱，而作用在支護結構上的圍巖壓力是自然平衡拱以內的松動巖體的重力。自然平衡拱上方的一部分巖體承受著上覆地層的全部重力。在巖體中，由于巖體自身的強度及完整性，拱部按一定覆跨比施工開挖后，可以自身形成或在初期支護的共同作用下，在拱部形成平衡拱。在此類條件下，初期支護的作用是為巖體形成平衡拱創造必要的條件，如限制圍巖的變形，增強拱部圍巖的剛度等。初期支護與巖體組合形成的平衡拱稱為組合平衡拱。平衡拱承擔覆巖荷載，并通過拱結構向兩側傳遞，其應力特征為主應力方向與平衡拱形態一致。在數值分析中，可通過判別主應力分布特征，初步判斷平衡拱的厚度。

3.2 Ⅳ級圍巖雙側壁導坑法開挖穩定性分析

如圖4～圖7所示，開挖右側導洞時，洞室圍巖的變形特征是：導洞拱頂下沉，最大值位于導坑中間拱頂：最大沉降約為 0.7 cm。圍巖僅出現零星的塑性區，圍巖整體穩定。開挖左側導洞時，洞頂圍巖沉降主要集中在導坑拱頂附近，最大沉降約為 0.7 cm，在拱腳處出現零星剪切塑性區。兩側導洞拱頂圍巖均能形成平衡拱，平衡拱厚度約為 1.5 m。當開挖其核心土部分時，圍巖拱頂沉降增大明顯，最大沉降位于拱頂中部，沉降值為 1.25 cm，地面沉降約 0.97 cm，圍巖塑性區主要位于拱角處。開挖全斷面后，拱頂沉降已趨于穩定，未再明顯發展。圖6表明，在上軟下硬的條件下，硬巖層承擔了上覆巖土層荷載，主應力方向與拱形斷面呈近似平行狀。在該條件下，初期支護措施主要作用為避免拱部局部掉塊引起的拱部硬巖層應力傳遞失效，確保自然平衡拱的形成。

圖4 雙側壁開挖豎向位移云圖

圖5 豎向位移云圖

圖6 有效主應力矢量圖

圖7 計算單元塑形區分布圖

3.3 Ⅳ級圍巖CD法開挖穩定性分析

如圖8～圖11所示，開挖右側半幅時，洞室圍巖的變形特征是：拱頂沉降最大值位于中間偏左位置：最大沉降約為 1.25 cm。圍巖僅出現零星的塑性區，圍巖整體穩定。開挖左半幅時，洞頂圍巖沉降主要集中在導坑拱頂附近，最大沉降約為 22.25 cm，地面沉降約 12 cm。圍巖塑性區主要位于上覆拱頂處。開挖全斷面后，拱頂中部出現拉應力區域，塑性區域較雙側壁導坑法明顯增大。采用CD法開挖時的拱頂沉降明顯大于雙側壁導坑法時的拱頂沉降。采用CD法時，加強初期支護剛度，使支護結構與圍巖共同承擔上覆巖土層荷載是CD法施工時控制拱頂沉降的關鍵。

圖8 CD法開挖豎向位移云圖

圖9 豎向位移云圖

圖10 有效主應力矢量圖

圖11 計算單元塑形區分布圖

3.4 Ⅴ級圍巖雙側壁導坑法開挖穩定性分析

如圖12～圖16所示，開挖右側導洞時，洞室圍巖的變形特征是：導洞拱頂下沉，最大值位于導坑中間拱頂：最大沉降約為 0.8 cm。圍巖僅出現零星的塑性區，圍巖整體穩定。開挖左側導洞時，洞頂圍巖沉降主要集中在導坑拱頂附近，最大沉降約為0.8 cm，在拱腳處出現零星塑性區。兩側導洞拱頂圍巖均能形成平衡拱，平衡拱厚度約為 2 m。當開挖其核心土部分時，圍巖拱頂沉降發生突變，無法收斂，拱頂圍巖塑性區由導坑上部拱頂處不斷發展擴大，最終發展至隧道大部分拱頂覆巖，預計形成地面塌陷。根據開挖過程模擬計算結果，在開挖跨度較小的側壁導洞時，拱頂較薄的硬巖可形成自然平衡拱，在開挖大斷面時，拱頂較薄的硬巖層無法有效地將上覆荷載向兩側傳遞，在剪應力集中區形成了塑形區，繼而向拱頂上方擴展，繼而向洞頂塌陷方向發展。在該種條件下，拱頂初期支護措施則需要有較高的強度與剛度，承擔一部分上覆荷載，初支結構與拱部硬巖層形成組合平衡拱共同承擔上覆荷載，并將荷載向兩側拱角處傳遞。

圖12 雙側壁開挖豎向位移云圖

圖13 豎向位移云圖

圖14 有效主應力矢量圖

圖15 計算單元塑形區分布圖

圖16 Ⅴ級圍巖剪應力分布云圖

3.5 洞室初期支護形式

本段洞室Ⅳ級圍巖段采用了格柵鋼架 0.75 m每榀，φ42超前小導管，L=4.5 m，環向@0.4 m，縱向 1.5 m，噴射C25早強混凝土 350 mm。采用了CD法施工。

中端Ⅴ級圍巖采用了格柵鋼架0.5 m每榀，拱部φ42超前小導管，L=4.5 m，環向@0.4 m，縱向 1.5 m，噴射C25早強混凝土 350 mm。采用了雙側壁法開挖。

右側Ⅴ段圍巖采用CD法開挖，初期支護采用了了格柵鋼架 0.75 m每榀，φ42超前小導管，L=4.5 m，環向@0.4 m，縱向 1.5 m，噴射C25早強混凝土350 mm。

3.6 洞室開挖后沉降監測分析

在Ⅳ級圍巖段采用雙側壁導坑法施工時，拱頂沉降最大 10 mm，采用CD法施工時，拱頂沉降過大，出現了初期支護格柵鋼架與洞頂圍巖脫離現象，拱頂沉降最大近 40 mm，地面沉降最大近 20 mm，Ⅴ級圍巖雙側壁導坑開挖段，拱頂沉降最大為 17 mm。

4 結論及建議

本文以青島地鐵1號線軟弱圍巖條件下的淺埋暗挖大跨度地鐵車站為研究背景，分析了火山角礫巖圍巖的特點，通過對Ⅳ級、Ⅴ級圍巖條件的車站主體開挖數值試驗，研究揭示了中隔壁法及雙側壁導坑法的適用性及洞室開挖引起的位移場、應力場及塑性區的變化規律，并對其施工方法進行優選。

(1)在Ⅴ級圍巖條件下，中隔壁法施工風險較大，拱頂沉降明顯超標。雙側壁導坑法施工可較好的控制大跨度硐室初期開挖的變形，明顯減少地面沉降。

(2)在圍巖條件較差時，加強初期支護的剛度與強度，有利于充分發揮圍巖的自承能力，形成初期支護體系與圍巖一體的組合平衡拱體系。

(3)在硐室開挖時，隨著硐室開挖跨度的逐步加大，硐室圍巖巖體應力，應變呈現跳躍式變化，拱頂覆巖變形表現為緩慢累積到突然增大的特征。

(4)在上軟下硬的圍巖條件下，拱頂硬巖的厚度對圍巖的自穩性影響明顯，在綜合圍巖分級時，需要合理的考慮拱頂硬巖的厚度及洞室的跨度。

(5)拱頂硬巖厚度對大跨度硐室開挖初期穩定性起到決定性作用，查明其厚度變化狀態可減少后期施工風險。

(6)大跨度硐室施工中，施工工法對硐室開挖初期穩定性影響明顯，應加強施工工法選擇的論證。