拱蓋法暗挖地鐵車站設計中的巖層適應性數值模擬研究

張秀山

（中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院，濟南250001）

1 引言

地鐵建設往往場地狹小、周圍建筑物密集、地面交通繁忙、地下管線眾多，暗挖車站由于受地面條件限制少，以其獨有的優勢越來越多地出現在城市地鐵中【1】。拱蓋法是針對青島地區地層“上土下巖”的地層特點形成的一種單拱大跨斷面的開挖方式，但實施過程中問題頻發，研究拱蓋法技術設計中的合理參數取值【2】，對保證周邊建構筑物安全、降低施工風險有重要意義，且能取得較好的經濟效益。

2 概述

2.1 工程概況

青島地鐵2號線同安路站沿深圳路敷設，跨同安路路口。主體結構為排水型暗挖單拱大跨車站，標準段覆土厚度約10.60m，開挖寬度19.6m，開挖總高度16.60m，如圖1所示。車站主體利用風井、風道作為施工通道，采用拱蓋法施工。

圖1 車站標準斷面圖

2.2 水文地質

青島市區以堅硬的花崗巖為主，巖面起伏大，上覆厚度不均的第四系土層，呈現“上軟下硬”的特點。同安路站上部覆蓋較淺雜填土，下部為花崗巖，風化程度從強風化到微風化（見圖2），各土層物理力學參數見表1。地層主要為松散層孔隙水和基巖裂隙水，富水性一般，透水性較差。

圖2 車站地質縱剖面圖

表1 土層物理力學參數

2.3 工法選擇

車站主體采用拱蓋法施工。上半斷面充分利用圍巖的承載能力和穩定性，借鑒雙側壁導坑法【3】進行開挖，分段扣拱，二襯兩端以大拱腳的形式坐落在穩定基巖上；一旦扣拱完成，在拱蓋的保護下向下爆破拉槽開挖，施做二襯結構，相當于蓋挖法【4】的后續施工，提高了施工效率。

3 數值模擬分析

拱蓋的開挖、拱腳的穩定是工法成敗的關鍵，重點研究拱蓋處不同風化程度的花崗巖對地表沉降、巖體變形和應力的影響，以便采用合理有效的支護措施保證施工安全【5】。對施工步序采用FLAC3D有限差分軟件進行數值模擬分析，對拱部3導洞以及下部分層拉槽開挖進行分組建模，對初支和二襯也按區域進行分組，對各分組賦對應的本構模型（見圖3）。

圖3 拱蓋法開挖步序

3.1 拱蓋巖性數值分析

按花崗巖風化層的厚度分5種方案進行數值模擬（見表2），重點研究巖層性質對拱蓋施工的影響。各工況地表1.3m為雜填土，下部為不同風化程度花崗巖。工況1中拱蓋、拱腳范圍的地層均為微風化花崗巖；工況2將中風化層花崗巖厚度增加到拱腳的位置；工況3將中風化層花崗巖厚度增加到拱腳以下3m；工況4將強風化層厚度增大至拱肩位置，中風化層厚度增加到拱蓋以下3m，主要研究拱部以上地層對沉降的影響；工況5中強風化層厚度增加到拱腳部位，中風化層厚度增加到拱腳以下3m，研究拱部地層對沉降和穩定的影響。

計算表明，前3種工況，拱部及拱腳圍巖較好，地表沉降量均較小（見圖4），最大沉降僅4.3mm。對工況4和工況5，地表沉降明顯加大（見圖5），最大沉降值達到75.0mm、103.5mm，說明拱蓋以上巖層性質與地表沉降量的大小有很大關系，開挖部位地層較好時，地表的沉降量就會比較小。當拱腳以上為強風化花崗巖時要加強支護，嚴格控制開挖進尺，保證上部土體穩定。拱部中洞的開挖是圍巖變形以及地表沉降增加最多的施工步，應該作為施工風險控制關鍵環節。拱腳短直墻外側巖體應力較大，并對地表沉降有一定的影響，應選擇好的巖層并加強支護。拱腳以下為中風化巖層時，下部的開挖施工對拱蓋應力和變形都沒有太大的影響。

表2 數值分析計算方案

圖4 工況1～工況3地表沉降曲線

圖5 工況4、工況5地表沉降曲線

3.2 拱腳巖性數值分析

為研究拱腳巖性對位移和應力的影響，按拱腳所處的巖體級別分5種情況分別計算【6】，巖體基本質量指標（BQ）參照GB/T 50218—2014《工程巖體分級標準》中的規定取值（見表3），其中體積模量K和剪切模量G由彈性模量E和泊松比μ換算而來【7】。

表3 拱腳巖性物理參數取值

根據上文分析，中洞開挖是導致地表沉降增加最多的施工步，之后的施工步導致的地表沉降變形較小，因此只計算到拆除左右支撐。將各工況下位移及應力提取出來繪制成曲線圖進行分析（見圖6、圖7）。

圖6 拱腳水平、豎向位移對比

圖7 拱腳水平、豎向應力對比

由圖6可以看出，隨著拱腳所處巖體性質逐漸變差，拱腳處的豎向、水平位移均增大。在5級巖體中拱腳的水平及豎向位移明顯加大，可見巖體性質對拱腳變形的影響十分顯著。在不同工況下，拱腳處的水平位移值均小于豎向位移值。

由圖7可以看出，當拱腳所處的巖體在1～4級范圍內，拱腳的水平、豎向應力隨著巖體性質變差逐漸增大；但當拱腳處于5級巖體中時，拱腳的水平、豎向應力大小均減小，這是由于5級巖體為軟巖，巖體破碎，其自身承載能力很弱，開挖過程中當拱腳應力達到巖體承載能力后就不再增大，故出現上述應力減小現象。在不同工況下，水平應力值均小于豎向應力值。

3.3 覆土厚度對變形影響的數值模擬

為了研究上部土層對拱蓋法施工的影響，在車站拱頂中風化花崗巖厚度≥3m情況下，改變土層厚度分別進行數值模擬（見表4）。同樣，只模擬到拆除中隔壁這一步，查看模型水平和豎向位移，提取各工況在開挖步地表的最大沉降值，繪成變化曲線進行分析（見圖8，其中開挖步1～7分別代表左右導洞開挖、中導洞開挖、左邊支撐拆除、右邊支撐拆除、施做二襯和最終沉降值）。

表4 土層厚度方案

圖8 各開挖步地表最大沉降變化圖

由圖8可以看出，地表最大沉降在5種工況下的變化曲線基本重合。拆除右支撐后，5種工況地表最大沉降依次為：-11.108mm、-10.196mm、-9.926mm、-10.219mm和-10.966mm，相差很小。說明在拱部達到一定厚度中風化花崗巖情況下（本次模擬3m），上部土層厚度對地表沉降的影響較小。

4 施工監測

在施工過程中，對地表沉降、隧道變形進行了全過程監測。為監測初期支護及二次襯砌受力的變化情況，在2個斷面內埋設了鋼筋計。最終地表監測的最大沉降值為6mm，說明本站較好的地質狀況起到有利作用；二襯鋼筋應力值在量測初期波動稍大，養護期完成后，鋼筋應力基本不再變化，最大應力≤4MPa，這說明二次襯砌僅起到后期安全儲備作用，圍巖發揮了自承能力。

5 結語

綜上所述，得出以下結論：

1）地表沉降受拱頂以上巖層性質的影響較大，應合理選擇車站埋深避開較弱地層。

2）拱頂中風化花崗巖厚度＞3m時，圍巖充分發揮自承能力，二襯僅起到安全儲備作用。

3）拱腳穩定受花崗巖風化程度的影響顯著，應盡量保證拱腳處于中風化層；當巖體變差時，應采取加強措施。

4）拱部開挖是地表沉降增加最多的步序，應加強初期支護并作為施工風險管控的關鍵環節。