胡智民

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

0 引言

隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)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(yōu)點(diǎn)在我國(guó)城市地下工程中的應(yīng)用日趨廣泛［1－4］。城市地鐵隧道建設(shè)引起的管線破裂、地表建(構(gòu))筑物的傾斜和開(kāi)裂等安全事故時(shí)有發(fā)生，這些安全事故和環(huán)境問(wèn)題，都是由隧道開(kāi)挖后地層應(yīng)力變化及地層變形引起的。隧道的埋置深度是隧道開(kāi)挖引起地面變形的重要影響因素;因此，確定合理的埋深對(duì)預(yù)防安全事故、控制環(huán)境影響及降低成本具有重要意義。

在隧道埋深問(wèn)題方面，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者進(jìn)行了研究，目前大多數(shù)是針對(duì)山嶺隧道與海底隧道。徐則民等［5］對(duì)不同埋深下巖體初始的應(yīng)力特征、圍巖壓力及圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了初步討論;胡學(xué)兵等［6］討論了不同埋深和跨度對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響;趙占廠等［7］以數(shù)值仿真技術(shù)為手段，對(duì)不同埋深下的圍巖壓力性質(zhì)進(jìn)行了分析;汪成兵等［8］對(duì)不同埋深下圍巖壓力拱形態(tài)進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究;梁曉丹等［9］對(duì)隧道壓力拱與圍巖變形的關(guān)系等方面做了研究;李倩倩等［10］對(duì)北京地鐵區(qū)間暗挖隧道開(kāi)挖后不同埋深下的地層應(yīng)力、塑性區(qū)分布及地層變形3個(gè)方面進(jìn)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(duì)地表沉降的影響;李樹(shù)忱等［12］運(yùn)用斷裂損傷有限元數(shù)值軟件對(duì)海底隧道最小巖石覆蓋厚度進(jìn)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(duì)于在土巖組合特殊地層中進(jìn)行淺埋暗挖施工的研究相對(duì)較少。張先鋒［13］通過(guò)青島地鐵試驗(yàn)段工程施工數(shù)據(jù)對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)埋深進(jìn)行了研究;王旭東等［14］對(duì)淺埋暗挖隧道的覆跨比進(jìn)行了研究。在土巖組合特殊地層中不同圍巖等級(jí)下，即使隧道尺寸、開(kāi)挖工法和覆蓋層厚度都一樣，也會(huì)出現(xiàn)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(jìn)行量化的衡量，卻無(wú)法對(duì)覆蓋層的不同成分做出區(qū)分。為了進(jìn)一步對(duì)隧道的覆蓋層做出評(píng)價(jià)和定量的衡量，本研究引入巖跨比來(lái)進(jìn)一步對(duì)覆蓋層的性質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

青島地鐵工程中暗挖車站普遍埋置于風(fēng)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(jié)構(gòu)的埋深選擇會(huì)影響到施工開(kāi)挖的難易程度、輔助施工工法的選擇、地下管線和周邊建(構(gòu))筑物的保護(hù)、長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)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(shí)引入車站隧道跨度對(duì)埋深的影響，采用2個(gè)無(wú)量綱的指標(biāo)(覆跨比和巖跨比)來(lái)進(jìn)行合理埋深確定方法的研究。本文應(yīng)用數(shù)值方法對(duì)覆跨比、巖跨比與地表位移的關(guān)系以及開(kāi)挖穩(wěn)定性進(jìn)行分析。對(duì)不同覆跨比及巖跨比下淺埋暗挖隧道的開(kāi)挖進(jìn)行模擬，對(duì)背景工程的合理埋深進(jìn)行了確定，并對(duì)多指標(biāo)進(jìn)行敏感性分析。

1 隧道埋深確定指標(biāo)——覆跨比、巖跨比

覆跨比是進(jìn)行淺埋暗挖隧道初步設(shè)計(jì)中用到的一個(gè)重要參數(shù)，合理的覆跨比是保證淺埋暗挖隧道施工的安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要前提。覆跨比是一個(gè)無(wú)量綱的指標(biāo)，其定義的示意圖見(jiàn)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(jié)構(gòu)的跨度，m。

隧道上覆蓋層可根據(jù)地質(zhì)勘查分為巖層和土層2種，對(duì)于青島土巖組合特殊地層，可將各種風(fēng)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(lái)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(jié)構(gòu)，為地下2層島式站臺(tái)車站。該車站為采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工的淺埋暗挖車站，位于強(qiáng)風(fēng)化－微風(fēng)化花崗巖過(guò)渡巖層中，拱頂位于強(qiáng)風(fēng)化巖層，場(chǎng)地巖土層情況及厚度情況見(jiàn)表1。初步設(shè)計(jì)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序見(jiàn)圖2。車站初設(shè)覆跨比為0.465(埋深10 m)，洞室跨度為21.5 m，采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)形式。初期支護(hù)設(shè)計(jì)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(jì)算參數(shù)Table 1 Calculation parameters of rock and soil

圖2 設(shè)計(jì)施工工序Fig.2 Designed construction process

2.2 有限元分析模型

考慮圍巖與結(jié)構(gòu)的共同作用和分步施工過(guò)程，采用有限元數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行模擬計(jì)算。

本研究使用PLAXIS建立有限元幾何模型。依照?qǐng)D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(wǎng)格圖見(jiàn)圖3，共1 788個(gè)單元。

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

模型內(nèi)容包括場(chǎng)地巖土體、初期支護(hù)、加固土體和錨桿。在數(shù)值模擬計(jì)算中，可認(rèn)為預(yù)支護(hù)措施在洞室圍巖中形成一定厚度的加固區(qū)。因此，管棚法和小導(dǎo)管注漿法預(yù)支護(hù)效果的模擬可以采用提高加固區(qū)范圍內(nèi)圍巖參數(shù)的等效辦法來(lái)實(shí)施。

2.3 材料參數(shù)

對(duì)于場(chǎng)地土采用Mohr－Coulomb屈服準(zhǔn)則進(jìn)行模擬。從開(kāi)挖到車站結(jié)構(gòu)建造過(guò)程較整個(gè)地鐵的服役期短，因此按照土體的不排水行為進(jìn)行分析，分析采用土體的有效應(yīng)力參數(shù)。巖土體相關(guān)參數(shù)取值見(jiàn)表1。

2.4 模擬計(jì)算過(guò)程

考慮到隧道的開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)力釋放的時(shí)間效應(yīng)與噴射混凝土隨時(shí)間的硬化和強(qiáng)度增長(zhǎng)，在設(shè)計(jì)隧道施工步時(shí)分3步釋放應(yīng)力，一個(gè)完整的開(kāi)挖過(guò)程包括連續(xù)的3個(gè)施工步驟，應(yīng)力釋放比例分別為0.50，0.25和0.25，其中第1步為開(kāi)挖區(qū)域的開(kāi)挖。噴射混凝土的早期強(qiáng)度增長(zhǎng)通過(guò)模量的變化模擬，在一個(gè)完整開(kāi)挖過(guò)程的第2，3個(gè)步驟中模擬，在第2步中施作初期支護(hù)只考慮30%的模量，第3步使其強(qiáng)度達(dá)到100%。隧道的整個(gè)施工流程見(jiàn)圖4。

從對(duì)限時(shí)訓(xùn)練剩余題目處理情況的問(wèn)卷調(diào)查數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，69.02%的學(xué)生面對(duì)限時(shí)訓(xùn)練剩下的做錯(cuò)題目想老師去解決，也看出了學(xué)生整體知識(shí)和能力還是不夠，雖然我們給出了詳細(xì)的解題過(guò)程，但是依然無(wú)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(shè)計(jì)

3.1.1 模型1:提高隧道結(jié)構(gòu)減小埋深來(lái)變動(dòng)覆跨比

通過(guò)保持地層參數(shù)及支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)等因素不變，研究不同覆跨比對(duì)應(yīng)的地表位移，在數(shù)值模型中抬高車站結(jié)構(gòu)和加固區(qū)一直計(jì)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(gè)工況將覆跨比減小0.046 5，進(jìn)行施工開(kāi)挖的模擬。

模型計(jì)算了 0.465，0.419，0.372 和 0.326 這 4 種覆跨比下的施工過(guò)程，直至在覆跨比0.326下模型計(jì)算不滿足收斂條件時(shí)終止計(jì)算。

3.1.2 模型2:一定巖跨比下增加覆蓋層厚度來(lái)變動(dòng)覆跨比

研究上覆巖土體質(zhì)量對(duì)埋深確定的影響時(shí)保持巖跨比不變，通過(guò)對(duì)背景工程第1層土(素填土)增加和減小厚度來(lái)模擬不同埋深下隧道承擔(dān)的覆蓋層質(zhì)量，每次增減幅度為1 m。模型的上覆巖層厚度變化過(guò)程見(jiàn)表2。

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

3.2 計(jì)算結(jié)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(jiàn)，拱頂位于強(qiáng)風(fēng)化地層的車站覆跨比在0.465～0.372(拱頂埋深10 ～8 m)時(shí)，地表位移逐漸增大，最大地表位移約14～43 mm。當(dāng)覆跨比繼續(xù)減小至0.326(拱頂埋深7 m)拱頂所處地層條件已由強(qiáng)風(fēng)化層變?yōu)榇稚傲?，此時(shí)塑性區(qū)已貫通，模型無(wú)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(yīng)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(jiàn)，當(dāng)覆蓋層厚度由8 m增至12 m，即覆跨比由0.372增至0.558時(shí)，拱頂最大豎向位移基本成線性增加的趨勢(shì)，表明拱頂承擔(dān)的荷載也隨之增大，說(shuō)明上覆土層雖然可以承擔(dān)荷載，但同時(shí)也是荷載的來(lái)源。可見(jiàn)在確定埋深時(shí)，覆巖厚度對(duì)圍巖的穩(wěn)定有一定影響，一定巖跨比下，巖層上方的土體厚度越大，對(duì)拱頂?shù)淖冃慰刂圃讲焕?。另外，不同拱頂覆土厚度下?dāng)隧道施工完畢后，拱頂下沉均大于地表沉降，說(shuō)明隨著隧道施工完畢，支護(hù)完成，拱頂處重新達(dá)到應(yīng)力平衡，變形趨于穩(wěn)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(duì)較小。

本節(jié)著重于不同覆跨比下對(duì)于隧道埋深的研究，通過(guò)2種不同的方法來(lái)改變覆跨比，一為整體提高隧道埋深，覆跨比改變同時(shí)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(lái)改變覆跨比。兩者側(cè)重點(diǎn)不同，前者側(cè)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(dān)荷載，據(jù)此確定隧道的合理埋深。通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到的結(jié)論是:當(dāng)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(shí)隧道上方無(wú)法形成壓力拱，計(jì)算無(wú)法收斂，以此方法可確定隧道埋深的下界。后者側(cè)重于隧道上覆巖土體質(zhì)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(lái)形成壓力拱，土層厚度增減意味著拱頂承擔(dān)荷載也隨之增減，拱頂?shù)呢Q向位移會(huì)隨之進(jìn)行同等趨勢(shì)的變化，若土層厚度過(guò)大，拱頂會(huì)因承擔(dān)荷載超過(guò)限值，內(nèi)力過(guò)大而破壞，據(jù)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(jì)算方案設(shè)計(jì)

本研究通過(guò)將計(jì)算模型中的強(qiáng)風(fēng)化花崗巖用黏土替代，在不改變覆跨比的情況下計(jì)算隧道拱頂上覆巖層厚度逐漸減小時(shí)的施工過(guò)程，計(jì)算進(jìn)行至當(dāng)一定巖層覆蓋厚度下模型不滿足收斂條件為止?？紤]到背景工程隧道上方強(qiáng)風(fēng)化花崗巖厚度為3 m，拱頂加固區(qū)等效厚度為0.5 m，模型的上覆巖層厚度變化過(guò)程見(jiàn)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(jì)算了3個(gè)不同巖層覆蓋厚度下的隧道開(kāi)挖施工過(guò)程，其中當(dāng)模型覆巖厚度減小至0.5 m時(shí)計(jì)算不收斂，此時(shí)巖跨比為0.023。

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)減小巖跨比的模擬計(jì)算，結(jié)果顯示當(dāng)巖跨比減小到0.023時(shí)計(jì)算不收斂。表4列出了巖跨比為0.093，0.047 和 0.023 時(shí)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(shí)，改變拱頂上覆巖層厚度時(shí)地表沉降量的變化曲線圖?？梢?jiàn)當(dāng)覆跨比不變，逐漸減小拱頂上覆巖層的厚度時(shí)，地表最大沉降量有增加的趨勢(shì)。

從表4可見(jiàn)，拱頂位于強(qiáng)風(fēng)化地層的車站巖跨比在0.140 ～0.047(拱頂覆巖3 ～1.0 m)時(shí)，地表位移基本呈線性變化，最大地表位移14～30 mm。當(dāng)巖跨比繼續(xù)減小至0.023(拱頂覆巖0.5 m)地表位移呈現(xiàn)突變，圍巖失穩(wěn)，結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(duì)于不同巖跨比下模型計(jì)算結(jié)果的分析可見(jiàn)，在確定地鐵車站埋深時(shí)應(yīng)在考慮覆跨比的同時(shí)考慮隧道拱頂覆巖厚度，通過(guò)分析拱頂覆蓋層的巖層和土層的厚度來(lái)確定隧道在該埋深下的巖跨比。

算例表明:當(dāng)拱頂穿越強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層時(shí)，在覆跨比(0.465)一定的情況下，巖跨比減小到0.023時(shí)圍巖在開(kāi)挖過(guò)程中會(huì)破壞，施工無(wú)法完成，說(shuō)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(biāo)(覆跨比)衡量埋深。

5 雙指標(biāo)確定埋深時(shí)的敏感性分析

本文選用了3個(gè)模型來(lái)模擬覆跨比和巖跨比對(duì)于隧道埋深的影響，結(jié)果表明:隧道施工過(guò)程中上覆巖體和土體對(duì)圍巖的穩(wěn)定貢獻(xiàn)程度不同，所選背景工程上覆巖體更有利于隧道的穩(wěn)定，當(dāng)隧道覆跨比在0.465～0.372范圍內(nèi)(即隧道拱頂埋深在 10～8 m)時(shí)，隧道開(kāi)挖后沉降呈線性變化，進(jìn)一步減小覆跨比，施工的安全性將無(wú)法保證;模型計(jì)算不收斂時(shí)，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(shí)隧道已無(wú)法穩(wěn)定。表明在土巖組合地層中進(jìn)行淺埋暗挖施工時(shí)，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(duì)上覆巖層厚度的變化更加敏感。

通過(guò)對(duì)一定巖跨比下改變上覆土層的厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道上覆巖土體質(zhì)量變化的模擬，計(jì)算結(jié)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(huì)對(duì)隧道的安全造成大的威脅。

不同覆巖厚度下的模型計(jì)算結(jié)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(jìn)行埋深確定時(shí)應(yīng)優(yōu)先保證隧道上覆巖層厚度，在此基礎(chǔ)上根據(jù)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(shí)，隧道的安全性對(duì)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(shí)應(yīng)考慮自重荷載的不利影響，可通過(guò)對(duì)隧道拱腳和拱頂圍巖的預(yù)加固來(lái)增加圍巖承載力。

6 結(jié)論與建議

本文通過(guò)采用覆跨比與巖跨比對(duì)土巖組合地層淺埋隧道進(jìn)行合理埋深確定的研究，得到以下結(jié)論:

1)對(duì)土巖組合地層，采用單一的覆跨比指標(biāo)難以較好的對(duì)覆蓋層做出評(píng)價(jià)，應(yīng)采用覆跨比、巖跨比雙指標(biāo)進(jìn)行地鐵車站的合理埋深確定。

2)在強(qiáng)風(fēng)化－微風(fēng)化花崗巖地層隧道施工過(guò)程中，上覆巖體和土體對(duì)圍巖的穩(wěn)定貢獻(xiàn)程度不同，上覆巖體更有利于隧道的穩(wěn)定。

3)在青島典型土巖組合地層中確定地鐵車站埋深時(shí)，隧道的安全性對(duì)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(shí)，要綜合考慮增大覆巖厚度對(duì)隧道安全性的有利影響以及附加巖土自重荷載對(duì)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(jié)論對(duì)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(jìn)一步結(jié)合不同施工工法、巖土體性質(zhì)等因素對(duì)埋深確定進(jìn)行更具體、深入、全面的研究。

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