基于青島地鐵三號線實測數據的不同地層條件下變形規(guī)律研究

代鎮(zhèn)洋

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

青島市于1987年開始籌建地鐵，1995年開始試驗段及火車站的施工，后因國家政策調整，地鐵項目擱淺。2009年8月，青島市城市軌道交通規(guī)劃獲國家批準，目前地鐵三號、二號線已基本建成，一號、十一號、十三號線正在建設。但在已開工建設的四號、二號、藍色硅谷三條地鐵線路施工過程中，暴露出了一些問題，主要表現(xiàn)在兩個方面：強風化花崗巖等軟弱圍巖中支護措施、支護強度、支護時機不當導致塌方；微風化花崗巖等堅硬圍巖中支護過強，不經濟，不低碳。當下研究不同地層下的變形規(guī)律，對優(yōu)化支護參數，控制地表變形有著極為重大又深遠的意義。

1 青島地鐵三號線工程概況

青島地鐵三號線西起自市南區(qū)的青島火車站，向東沿廣西路、太平路、文登路、香港路，至市政府拐入南京路向北，經江西路、寧夏路、遼陽西路，后進入哈爾濱路、308國道(黑龍江路)、萬年泉路至李村，向西沿京口路、振華路至終點鐵路青島北站。總體呈“西-東-北-西”走向，全長約25.925 km，全部為地下線，設車站22座，最大站間距1 558.70 m，最小站間距759 m，平均站間距1 159.81 m。青島地鐵三號線明挖車站共計14座，明暗結合車站2座，暗挖車站共計7座。區(qū)間均采用暗挖施工。

2 典型案例的綜合分析

2.1 地層分層統(tǒng)計

青島地鐵三號線沿線工程地質條件具有特殊性，青島地區(qū)自中生代以來形成穩(wěn)固的花崗巖巖基，無后期沉積夾層、溶洞等不良地質，屬于典型的海島型地質。在漫長的地殼抬升、風化、剝蝕、夷平作用的反復改造下，使燕山晚期穩(wěn)固的花崗巖體，以基底形式分布于地表或地下一定深度內，并在長期風化作用下形成了一定厚度的風化帶，其上沉積了厚度不一的第四紀松散堆積物。

沿線地貌是在新生代以來，經構造—侵蝕—剝蝕—堆積，內外地質營力共同作用下形成的。按地表往下地層分布依次為土質、強風化層、中風化層、微(未)風化層，其各地層劃分標準見表1所示。

統(tǒng)計各地層物性參數，見表2所示。分析發(fā)現(xiàn)：強風化層具有“土”的性質，可以把強風化層與土層合并為“土質”。

表1 地層分層劃分標準

表2 地層物性參數統(tǒng)計

若按其分層統(tǒng)計各層分布時，青島地鐵三號線沿線工程建設場地各巖土層厚度分布見圖1所示。圖中：箱形圖用5點(低位數、下四分位數、中位數、上四分位數、高位數)很形象的對數據集做簡單總結，對于標準正態(tài)分布的大樣本，只有0.7 %的值是異常值，中位數位于上下四分位數的中央，箱形圖的方盒關于中位線對稱。故各層厚度特征參數統(tǒng)計見表3所示。土層、強風化層、中風化層厚度均分布右偏，不服從正態(tài)分布。

考慮土層與強風化層物性參數相近，把土層與強風化層歸為“土質”，其次，為了簡化分析，把中風化層及微(未)風化層歸為“巖層”。按暗挖車站位于不同位置劃分三種類型：土質層、上軟下硬層、巖石地層。

(a) 地層海拔高度分布

(b) 地層厚度統(tǒng)計箱線圖1 青島地鐵三號線沿線地層分布

表3 青島地鐵三號線各層厚度特征參數統(tǒng)計

統(tǒng)計青島地鐵三號線暗挖車站或暗挖區(qū)間開挖高度時分析發(fā)現(xiàn)：暗挖車站開挖高度在14.5～18.5 m之間，暗挖區(qū)間隧道開挖高度在6.0～10.0 m之間。結合青島地鐵三號線地層分布，開挖高度按暗挖車站18 m、暗挖區(qū)間隧道6 m考慮，統(tǒng)計三種地質類型出現(xiàn)的概率(圖2)。

(a)開挖高度6m

(b)開挖高度18m

2.2 不同地質變形規(guī)律統(tǒng)計

2.2.1 基于不同地層的地表沉降變形規(guī)律

沿地鐵線路走向，選取暗挖車站或暗挖區(qū)間隧道中心線上的地表沉降監(jiān)測點，按暗挖車站或暗挖區(qū)間隧道處于土層、上軟下硬層、巖層歸類統(tǒng)計其累計沉降分布見圖3、圖4所示，對應的分布特征參數表4所示。

圖3 不同地層情況下暗挖車站地表累計沉降統(tǒng)計分布

圖4 不同地層情況下暗挖區(qū)間地表累計沉降統(tǒng)計分布

2.2.2 基于不同地層的拱頂沉降變形規(guī)律

沿地鐵線路走向，選取暗挖車站或暗挖區(qū)間隧道中心線上的拱頂沉降監(jiān)測點，按暗挖車站或暗挖區(qū)間隧道處于土層、上軟下硬層、巖層歸類統(tǒng)計其累計沉降分布見圖5、圖6所示，對應的分布特征參數表5所示。

2.2.3 基于不同地層的凈空收斂變形規(guī)律

沿地鐵線路走向，選取暗挖車站或暗挖區(qū)間隧道中心線上的凈空收斂監(jiān)測點，按暗挖車站或暗挖區(qū)間隧道處于土層、上軟下硬層、巖層歸類統(tǒng)計其累計變形分布見圖7、圖8所示，對應的分布特征參數表6所示。

表4 不同地層情況下地表累計沉降特征參數統(tǒng)計

表5 不同地層情況下拱頂累計沉降特征參數統(tǒng)計

表6 不同地層情況下周邊收斂累計變形特征參數統(tǒng)計

圖5 不同地層情況下暗挖車站拱頂累計沉降統(tǒng)計分布

圖6 不同地層情況下暗挖區(qū)間拱頂累計沉降統(tǒng)計分布

圖7 不同地層情況暗挖車站周邊收斂累計變形統(tǒng)計分布

圖8 不同地層情況暗挖區(qū)間周邊收斂累計變形統(tǒng)計分布

3 結論

(1)隨埋深增加，暗挖車站或暗挖區(qū)間隧道處于巖層中的概率近似線性增加；當埋深大于12 m時，暗挖車站或暗挖區(qū)間隧道處于巖層中的概率大于50 %；青島地鐵三號線暗挖車站埋深在4.7～19.8 m之間，按平均埋深10 m考慮，暗挖車站位于土層概率為5.8 %，位于上軟下硬層概率為60.0 %，位于巖層概率為38.2 %；青島地鐵三號線暗挖區(qū)間隧道埋深在5.5～49.2 m之間，按平均埋深16 m考慮，對應的土層概率為7.3 %，上軟下硬層概率為9.0 %，巖層概率為83.7 %；

(2)同一斷面形式下(暗挖車站或暗挖區(qū)間)，位于土層時地表累計沉降變形最大，位于巖層時地表累計沉降變形最小，位于上軟下硬層時地表累計沉降變形居中；同一地層中(土層或上軟下硬層或巖層)，開挖斷面大的(暗挖車站)的地表累計沉降變形大于開挖斷面小的(暗挖區(qū)間)。

(3)暗挖車站位于土層時拱頂累計沉降變形最大，位于巖層時拱頂累計沉降變形最小，位于上軟下硬層時拱頂累計沉降變形居中；暗挖區(qū)間位于上軟下硬層時拱頂累計沉降變形最大，位于巖層時拱頂累計沉降變形最小，位于土層時拱頂累計沉降變形居中；同一地層中(土層或上軟下硬層或巖層)，開挖斷面大的(暗挖車站)的拱頂累計沉降變形大于開挖斷面小的(暗挖區(qū)間)。

(4)暗挖車站或暗挖區(qū)間在不同地層(土層或上軟下硬層或巖層)的周邊收斂累計變形均較小，小于10 mm。