硬巖地區暗挖車站不同開挖方法對地表沉降影響的模擬研究

劉詩群 郭家昊 岳 陽 申華偉

(1.青島地鐵集團有限公司， 266100， 青島； 2.青島理工大學土木工程學院， 266033， 青島∥第一作者， 工程師)

淺埋暗挖法在新奧法的基本原理上進行了創新，是目前國內地鐵修建中較常用的方法。文獻[1]采用數值模擬與現場試驗方式對CRD(交叉中隔墻)法的開挖工序、開挖步距等關鍵技術進行研究，總結出一套完整的優化開挖體系。文獻[2]基于復變函數法對重慶市軌道交通環線的華龍站—重慶西站區間隧道進行淺埋隧道力學行為理論研究，得出淺埋隧道復變函數解的計算方法，以用于隧道施工預測。文獻[3]采用數值模擬方法，針對不同臺階高度與長度分析開挖圍巖的穩定性與受力情況，得出了上、下臺階開挖高度應分別控制在隧道整體高度的25%～30%和30%～45%之間。因此，在淺埋暗挖法施工過程中，應結合所在地區的地質情況選擇合理的開挖方法，開挖過程中要嚴格控制相應變形、減小開挖擾動。

本文以青島地鐵1號線某大跨度暗挖車站為工程背景，采用尺寸相似比為1:50的開挖面及模型箱，對全斷面法、臺階法、雙側壁導坑法、CD(中隔壁)法、CRD法等不同開挖方法進行室內模型試驗。在模擬試驗過程中連續監測圍巖壓力和各種施工方法造成的地表沉降變化，并對圍巖受力和變形規律進行研究，為拱蓋法拱部開挖方式在青島土巖組合地層中的應用提供依據。

1 工程背景

青島地鐵1號線某暗挖車站穿越土巖交界面，具有覆土薄(厚度為5.10～15.63 m)、跨度大、埋深淺和覆跨比小(0.26～0.65)等特征。基于青島當地地層“上軟下硬”的特點，目前暗挖車站主要采用拱蓋法施工、雙側壁導坑法開挖。其中，拱蓋法包括“單層初支拱蓋”、“雙層初支拱蓋”及“單層初支+二襯拱蓋”等多種方式[4]，按開挖工序還可分為臺階法、CD法、CRD法及雙側壁導坑法等。拱蓋法的核心是通過拱腳將拱蓋上部荷載均勻地向周邊圍巖傳遞，從而充分利用巖石的承載能力[5]。但在實際施工過程中，根據實際監測變形的大小，發現采用雙側壁導坑法進行開挖時仍有較大的安全余量，這就需要對拱蓋開挖方式做進一步的優化。

2 模型試驗

2.1 模型制作及布置

2.1.1 試驗主體

試驗主體主要包括模型箱、填料及襯砌結構(見圖1)，選取的幾何相似常數為50。模型箱的底面及3個側面為1 cm厚鋼板，正視面為鋼化玻璃板，便于開挖支護與后期進行數字照相和圍巖變形規律觀察。模型箱尺寸為1 200 mm×600 mm×1 600 mm。鋼化玻璃板上有直徑400 mm的圓形孔洞，用于模擬隧道開挖。鋼化玻璃板在土體固結之后、開挖之前插入模型箱，并在土體固結之前用鋼板擋住防止土體變形。拱部襯砌和縱梁采用0.5 mm厚白鐵皮來模擬襯砌結構，并按隧洞的尺寸加工成預期的形狀。臨時豎向支撐也采用0.5 mm厚白鐵皮預先制作成模型。

圖1 模型試驗箱

2.1.2 測試裝置

本次模型試驗的測試裝置由傳感器和采集器組成。其中：傳感器包括土體壓力計和反光片等；采集器(GECO-16A多路數據采集儀)能夠實現數據動態實時采集；地表沉降采用高精度激光測距儀進行觀測。

2.1.3 傳感器布設圖

傳感器布設如圖2所示。反光片粘貼在木棒上，插入模型上層表面，進行地表豎向位移的觀測。如圖2 b)所示，在隧道開挖方向上共布設3個觀測斷面，每個斷面布設7個監測點。每個斷面上的測點編號分別為An、Bn、Cn、Dn、En、Fn、Gn(n為斷面編號1、2、3)，共計21個監測點。如圖2 c)所示，在中間測線的正下方埋設5個土壓力計，其中：拱頂埋設3個，邊墻左右各1個。

圖2 模型試驗監測點布設

2.2 模擬地層的材料配比

室內模型試驗模擬該站主體結構所在的地層條件，其拱頂巖層平均埋深約10 m，圍巖級別為 Ⅳ2級。車站采用單拱大跨暗挖斷面，大拱腳拱蓋法施工、鉆爆法開挖，開挖斷面最寬為24.3 m，高為18.2 m。車站地表以素填土為主，基巖整體性較好，地層從上到下依次為：素填土、雜填土、強風化花崗斑巖、微風化花崗斑巖、中風化花崗斑巖、微風化花崗斑巖。土層以黏性土為主，地層大多以燕山晚期粗粒花崗巖為主，少量煌斑巖與花崗斑巖充填其中，部分地區還能見到糜棱巖、碎屑巖等構造巖。車站主體基本分布于中風化花崗巖-微風化花崗巖，偶見構造破碎帶分布。節理裂隙發育密集，呈 “井”字狀交叉節理，開挖過程中隧洞易掉塊及坍塌。

根據前人[6-7]研究，模型試驗對地層相似材料進行一定的簡化。簡化原則如下：① 模擬的地層材料關鍵物理力學性質與原型材料相似；② 相似材料在較短時間內能凝結易于成型，制作方便；③ 相似材料和易性好，材料屬性不受溫度等因素干擾：④ 考慮室內模擬條件，模擬地層材料獲取簡單，成本低，且對人的身體無副作用。綜上所述，基于以上原則并參考國內外試驗經驗，本次試驗最終選用水泥、石膏為膠結材料，河砂為主要填料，通過一定的比例混合來模擬地層(見表1)。

2.3 模型試驗步驟

根據試驗需要和室內試驗條件，試驗步驟設計如下：

表1 模型試驗的地質力學參數

1) 傳感器率定。

2) 進行模型箱填充材料的配比和填筑。按照地層順序往模型箱內填相似材料，并以5 cm/層進行分層夯實。考慮到試驗操作的可行性，本次模擬試驗采用水平分層填筑，以便與實際的地質情況更加接近。

3) 監測點布置及埋設。將預埋的土壓力傳感器放置于設計位置處，采用挖槽埋設法對監測元件進行埋設，注意小心壓實，防止壓壞應變磚。

4) 用千斤頂頂住開挖面，地層固結48 h，待土體固結穩定后進行模擬試驗。

5) 將千斤頂架卸下，采集傳感器初始值。開始試驗，觀察開挖面地層情況。

6) 模擬全斷面法、臺階法、雙側壁導坑法、CRD法、CD法的施工工序(見表2)進行開挖。其中，試驗中每種施工方法的模擬均需要新填相似材料，并養護等待地層固結。洞室開挖后立即涂抹水泥+石膏模擬噴層，相應厚度為2 mm，并用臨時豎撐支撐導洞。

表2 不同開挖方法的模型試驗施工工序

7) 在試驗過程中進行圍巖壓力、拱頂沉降等方面的動態監測，并用數碼相機拍攝開挖面圍巖正面的變形情況。

8) 在模型試驗前、中、后階段分別進行地表沉降與拱頂應力的觀測。

3 模型試驗結果與分析

3.1 地表沉降分析

為分析該站地表沉降與拱頂壓力隨開挖過程的變化，即按沿開挖方向第2循環開挖時的地表沉降監測數據，對不同開挖方法監測點的地表沉降曲線進行分析。本文選擇開挖深度20 cm時的監測斷面進行分析，如圖3所示。選取圖2的3個觀測斷面在20 cm開挖深度處的相交線作為3條觀測線。以圖3 c)為例，“1-工序1”表示采用雙側壁導坑法模擬時第1條測線的第1步工序開挖完成，“3-工序2”表示第3條測線的第2步工序完成，余類推。

1) 全斷面法模擬試驗。如圖3 a)所示，隨著開挖深度的增加，監測斷面上各測點沉降值逐漸增大，呈現出“中間大、兩邊小”的趨勢。開挖至設計深度20 cm時，最大沉降值達到3.42 mm。

2) 臺階法模擬試驗。如圖3 b)所示，不同測線的變化趨勢基本一致。同1條測線在不同開挖步驟下的地表沉降會發生變化。其中，第1條測線在不同開挖步驟下的地表沉降最為明顯，當開挖至設計深度20 cm后，其最大沉降達到了3.27 mm。

3) 雙側壁導坑法模擬試驗。如圖3 c)所示，隨著不同開挖工序的進行，同1條測線的地表沉降量有明顯的變化。第1道開挖工序完成后隧道拱肩(圖2的C2處)的沉降明顯，拱肩部位為最大沉降點。第2道開挖工序完成后拱肩處明顯下沉，開挖20 cm結束后的最大沉降達到了3.16 mm。

4) CD法模擬試驗。如圖3 d)所示，第1、2道開挖工序完成后，隧道中線左向測點沉降明顯，開挖20 cm結束后地表沉降達到最大值。在進行第3道開挖工序時，拱肩處和中間測點(圖2的D2)處沉降加劇，開挖20 cm結束后的最大沉降達到了3.12 mm。

5) CRD法模擬試驗。如圖3 e)所示，由于CRD法在開挖過程中及時施作了豎撐和橫撐臨時支護，地表沉降值相對較小，最大地表沉降值僅為2.98 mm。

a) 全斷面法

b) 臺階法

c) 雙側壁導坑法

d) CD法

e) CRD法

f) 各開挖工法的最大沉降值及沉降優化情況對比

綜上所述，各施工方法的最大沉降值對比如圖3 f)所示。以全斷面開挖方法引起的最大沉降值為比較對象，其他各施工方法在最大沉降值上的優化率如下：臺階法為4.39%，雙側壁法為7.60%，CD法為8.77%，CRD法為12.87%。可見，采用CD法和CRD法開挖時地表沉降控制效果較好。

3.2 拱頂應力分析

本文選取隧道中線的壓力盒數據為例進行分析。圖4為各施工方法拱頂應力變化曲線，其中：x軸的負值表示未到達監測面時，開挖面距監測面的距離；x軸的正值表示通過監測面后，開挖面距監測面的距離。從圖4可以看出，試驗模型拱頂處的初始應力約為4.5 kPa。隨著隧洞的開挖，拱頂應力逐漸得到釋放并緩慢下降，趨于穩定。在開挖面距離監測面-2～+12 cm期間為快速沉降降段，此時因隧道開挖破壞了土層的穩定性，應力迅速釋放，拱頂應力迅速降低；其后，由于土層的自穩性和支護的及時施作，拱頂應力變化逐漸減緩，再次趨于穩定。

圖4 各種施工方法中拱頂應力變化曲線圖

4 結論

1) 青島屬于典型的硬巖地區，以全斷面開挖法的最大沉降值為比較對象，其他方法在最大沉降值上的優化率分別為：臺階法為4.39%，雙側壁法為7.60%，CD法為8.77%，CRD法為12.87%，可見采用CD法和CRD法開挖對地表沉降控制效果較好。

2) 各種開挖方法的拱頂應力變化趨勢基本一致：在模型試驗中表明，隧道開挖會破壞土層的穩定性，開挖面距監測面-20～-2 cm時，為緩慢變形階段；在開挖面距離監測面-2～+12 cm期間，受隧洞開挖影響，應力迅速釋放，拱頂應力迅速降低，此時地表沉降響應較敏感，為快速沉降階段；之后由于土層的自穩性與臨時支護的及時施作，拱頂應力變化逐漸減緩并趨于穩定，進入穩定變形階段。