硬岩地区暗挖车站不同开挖方法对地表沉降影响的模拟研究

刘诗群 郭家昊 岳 阳 申华伟

(1.青岛地铁集团有限公司， 266100， 青岛； 2.青岛理工大学土木工程学院， 266033， 青岛∥第一作者， 工程师)

浅埋暗挖法在新奥法的基本原理上进行了创新，是目前国内地铁修建中较常用的方法。文献[1]采用数值模拟与现场试验方式对CRD(交叉中隔墙)法的开挖工序、开挖步距等关键技术进行研究，总结出一套完整的优化开挖体系。文献[2]基于复变函数法对重庆市轨道交通环线的华龙站—重庆西站区间隧道进行浅埋隧道力学行为理论研究，得出浅埋隧道复变函数解的计算方法，以用于隧道施工预测。文献[3]采用数值模拟方法，针对不同台阶高度与长度分析开挖围岩的稳定性与受力情况，得出了上、下台阶开挖高度应分别控制在隧道整体高度的25%～30%和30%～45%之间。因此，在浅埋暗挖法施工过程中，应结合所在地区的地质情况选择合理的开挖方法，开挖过程中要严格控制相应变形、减小开挖扰动。

本文以青岛地铁1号线某大跨度暗挖车站为工程背景，采用尺寸相似比为1:50的开挖面及模型箱，对全断面法、台阶法、双侧壁导坑法、CD(中隔壁)法、CRD法等不同开挖方法进行室内模型试验。在模拟试验过程中连续监测围岩压力和各种施工方法造成的地表沉降变化，并对围岩受力和变形规律进行研究，为拱盖法拱部开挖方式在青岛土岩组合地层中的应用提供依据。

1 工程背景

青岛地铁1号线某暗挖车站穿越土岩交界面，具有覆土薄(厚度为5.10～15.63 m)、跨度大、埋深浅和覆跨比小(0.26～0.65)等特征。基于青岛当地地层“上软下硬”的特点，目前暗挖车站主要采用拱盖法施工、双侧壁导坑法开挖。其中，拱盖法包括“单层初支拱盖”、“双层初支拱盖”及“单层初支+二衬拱盖”等多种方式[4]，按开挖工序还可分为台阶法、CD法、CRD法及双侧壁导坑法等。拱盖法的核心是通过拱脚将拱盖上部荷载均匀地向周边围岩传递，从而充分利用岩石的承载能力[5]。但在实际施工过程中，根据实际监测变形的大小，发现采用双侧壁导坑法进行开挖时仍有较大的安全余量，这就需要对拱盖开挖方式做进一步的优化。

2 模型试验

2.1 模型制作及布置

2.1.1 试验主体

试验主体主要包括模型箱、填料及衬砌结构(见图1)，选取的几何相似常数为50。模型箱的底面及3个侧面为1 cm厚钢板，正视面为钢化玻璃板，便于开挖支护与后期进行数字照相和围岩变形规律观察。模型箱尺寸为1 200 mm×600 mm×1 600 mm。钢化玻璃板上有直径400 mm的圆形孔洞，用于模拟隧道开挖。钢化玻璃板在土体固结之后、开挖之前插入模型箱，并在土体固结之前用钢板挡住防止土体变形。拱部衬砌和纵梁采用0.5 mm厚白铁皮来模拟衬砌结构，并按隧洞的尺寸加工成预期的形状。临时竖向支撑也采用0.5 mm厚白铁皮预先制作成模型。

图1 模型试验箱

2.1.2 测试装置

本次模型试验的测试装置由传感器和采集器组成。其中：传感器包括土体压力计和反光片等；采集器(GECO-16A多路数据采集仪)能够实现数据动态实时采集；地表沉降采用高精度激光测距仪进行观测。

2.1.3 传感器布设图

传感器布设如图2所示。反光片粘贴在木棒上，插入模型上层表面，进行地表竖向位移的观测。如图2 b)所示，在隧道开挖方向上共布设3个观测断面，每个断面布设7个监测点。每个断面上的测点编号分别为An、Bn、Cn、Dn、En、Fn、Gn(n为断面编号1、2、3)，共计21个监测点。如图2 c)所示，在中间测线的正下方埋设5个土压力计，其中：拱顶埋设3个，边墙左右各1个。

图2 模型试验监测点布设

2.2 模拟地层的材料配比

室内模型试验模拟该站主体结构所在的地层条件，其拱顶岩层平均埋深约10 m，围岩级别为 Ⅳ2级。车站采用单拱大跨暗挖断面，大拱脚拱盖法施工、钻爆法开挖，开挖断面最宽为24.3 m，高为18.2 m。车站地表以素填土为主，基岩整体性较好，地层从上到下依次为：素填土、杂填土、强风化花岗斑岩、微风化花岗斑岩、中风化花岗斑岩、微风化花岗斑岩。土层以黏性土为主，地层大多以燕山晚期粗粒花岗岩为主，少量煌斑岩与花岗斑岩充填其中，部分地区还能见到糜棱岩、碎屑岩等构造岩。车站主体基本分布于中风化花岗岩-微风化花岗岩，偶见构造破碎带分布。节理裂隙发育密集，呈 “井”字状交叉节理，开挖过程中隧洞易掉块及坍塌。

根据前人[6-7]研究，模型试验对地层相似材料进行一定的简化。简化原则如下：① 模拟的地层材料关键物理力学性质与原型材料相似；② 相似材料在较短时间内能凝结易于成型，制作方便；③ 相似材料和易性好，材料属性不受温度等因素干扰：④ 考虑室内模拟条件，模拟地层材料获取简单，成本低，且对人的身体无副作用。综上所述，基于以上原则并参考国内外试验经验，本次试验最终选用水泥、石膏为胶结材料，河砂为主要填料，通过一定的比例混合来模拟地层(见表1)。

2.3 模型试验步骤

根据试验需要和室内试验条件，试验步骤设计如下：

表1 模型试验的地质力学参数

1) 传感器率定。

2) 进行模型箱填充材料的配比和填筑。按照地层顺序往模型箱内填相似材料，并以5 cm/层进行分层夯实。考虑到试验操作的可行性，本次模拟试验采用水平分层填筑，以便与实际的地质情况更加接近。

3) 监测点布置及埋设。将预埋的土压力传感器放置于设计位置处，采用挖槽埋设法对监测元件进行埋设，注意小心压实，防止压坏应变砖。

4) 用千斤顶顶住开挖面，地层固结48 h，待土体固结稳定后进行模拟试验。

5) 将千斤顶架卸下，采集传感器初始值。开始试验，观察开挖面地层情况。

6) 模拟全断面法、台阶法、双侧壁导坑法、CRD法、CD法的施工工序(见表2)进行开挖。其中，试验中每种施工方法的模拟均需要新填相似材料，并养护等待地层固结。洞室开挖后立即涂抹水泥+石膏模拟喷层，相应厚度为2 mm，并用临时竖撑支撑导洞。

表2 不同开挖方法的模型试验施工工序

7) 在试验过程中进行围岩压力、拱顶沉降等方面的动态监测，并用数码相机拍摄开挖面围岩正面的变形情况。

8) 在模型试验前、中、后阶段分别进行地表沉降与拱顶应力的观测。

3 模型试验结果与分析

3.1 地表沉降分析

为分析该站地表沉降与拱顶压力随开挖过程的变化，即按沿开挖方向第2循环开挖时的地表沉降监测数据，对不同开挖方法监测点的地表沉降曲线进行分析。本文选择开挖深度20 cm时的监测断面进行分析，如图3所示。选取图2的3个观测断面在20 cm开挖深度处的相交线作为3条观测线。以图3 c)为例，“1-工序1”表示采用双侧壁导坑法模拟时第1条测线的第1步工序开挖完成，“3-工序2”表示第3条测线的第2步工序完成，余类推。

1) 全断面法模拟试验。如图3 a)所示，随着开挖深度的增加，监测断面上各测点沉降值逐渐增大，呈现出“中间大、两边小”的趋势。开挖至设计深度20 cm时，最大沉降值达到3.42 mm。

2) 台阶法模拟试验。如图3 b)所示，不同测线的变化趋势基本一致。同1条测线在不同开挖步骤下的地表沉降会发生变化。其中，第1条测线在不同开挖步骤下的地表沉降最为明显，当开挖至设计深度20 cm后，其最大沉降达到了3.27 mm。

3) 双侧壁导坑法模拟试验。如图3 c)所示，随着不同开挖工序的进行，同1条测线的地表沉降量有明显的变化。第1道开挖工序完成后隧道拱肩(图2的C2处)的沉降明显，拱肩部位为最大沉降点。第2道开挖工序完成后拱肩处明显下沉，开挖20 cm结束后的最大沉降达到了3.16 mm。

4) CD法模拟试验。如图3 d)所示，第1、2道开挖工序完成后，隧道中线左向测点沉降明显，开挖20 cm结束后地表沉降达到最大值。在进行第3道开挖工序时，拱肩处和中间测点(图2的D2)处沉降加剧，开挖20 cm结束后的最大沉降达到了3.12 mm。

5) CRD法模拟试验。如图3 e)所示，由于CRD法在开挖过程中及时施作了竖撑和横撑临时支护，地表沉降值相对较小，最大地表沉降值仅为2.98 mm。

a) 全断面法

b) 台阶法

c) 双侧壁导坑法

d) CD法

e) CRD法

f) 各开挖工法的最大沉降值及沉降优化情况对比

综上所述，各施工方法的最大沉降值对比如图3 f)所示。以全断面开挖方法引起的最大沉降值为比较对象，其他各施工方法在最大沉降值上的优化率如下：台阶法为4.39%，双侧壁法为7.60%，CD法为8.77%，CRD法为12.87%。可见，采用CD法和CRD法开挖时地表沉降控制效果较好。

3.2 拱顶应力分析

本文选取隧道中线的压力盒数据为例进行分析。图4为各施工方法拱顶应力变化曲线，其中：x轴的负值表示未到达监测面时，开挖面距监测面的距离；x轴的正值表示通过监测面后，开挖面距监测面的距离。从图4可以看出，试验模型拱顶处的初始应力约为4.5 kPa。随着隧洞的开挖，拱顶应力逐渐得到释放并缓慢下降，趋于稳定。在开挖面距离监测面-2～+12 cm期间为快速沉降降段，此时因隧道开挖破坏了土层的稳定性，应力迅速释放，拱顶应力迅速降低；其后，由于土层的自稳性和支护的及时施作，拱顶应力变化逐渐减缓，再次趋于稳定。

图4 各种施工方法中拱顶应力变化曲线图

4 结论

1) 青岛属于典型的硬岩地区，以全断面开挖法的最大沉降值为比较对象，其他方法在最大沉降值上的优化率分别为：台阶法为4.39%，双侧壁法为7.60%，CD法为8.77%，CRD法为12.87%，可见采用CD法和CRD法开挖对地表沉降控制效果较好。

2) 各种开挖方法的拱顶应力变化趋势基本一致：在模型试验中表明，隧道开挖会破坏土层的稳定性，开挖面距监测面-20～-2 cm时，为缓慢变形阶段；在开挖面距离监测面-2～+12 cm期间，受隧洞开挖影响，应力迅速释放，拱顶应力迅速降低，此时地表沉降响应较敏感，为快速沉降阶段；之后由于土层的自稳性与临时支护的及时施作，拱顶应力变化逐渐减缓并趋于稳定，进入稳定变形阶段。