何寿迎，吕三和，姜德鸿，闫强刚，赵民

(1.青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266032； 2.青岛岩土工程技术中心，山东 青岛 266032)

1 引 言

浅埋软弱围岩条件下的大跨度地铁车站进行暗挖施工时具有风险高，难度大的特点。初期支护变形过大、侧壁垮塌、拱顶坍塌失稳等工程险情经常出现。当地铁车站上方为城市主干道路时，冒顶事故极易导致各类重要市政管线破坏，进而造成地面人员伤亡、带来恶劣社会影响和经济损失。车站拱顶覆岩厚度薄、跨度大、拱顶围岩稳定性差等工程因素是暗挖施工险情的基本原因。工法选择是暗挖施工成败的直接因素。

目前，针对花岗岩围岩条件下的洞室开挖研究较多，程韬等从数值分析及现场监控量测手段研究，硬岩条件下洞室采用双侧壁导坑法施工时，初期支护采用格栅钢架及系统锚杆，拱顶最大沉降较经验认识偏小[1]；颜卫东等通过工程实践发现在拱顶围岩较差时，采取较强的超前支护，强度高，刚度大的措施可较好地减少拱顶的沉降，控制围岩的变形[2]；王旭东等通过数值分析方法研究了在花岗岩为主上软下硬的地层条件下，暗挖车站的覆跨比影响暗挖车站开挖的稳定性，合理的覆跨比有利于开挖的稳定性[3]。谢富东等总结分析了青岛清江路地铁车站的监测数据，得到隧道施工过程围岩的变形特点和支护受力情况，并借助开挖揭露岩体对围岩等级进行动态修正。基于监控量测数据和围岩等级修正结果对清江路站进行施工全过程三维数值仿真，对掌子面前方先行位移和掌子面挤出变形的变化规律、掌子面前方塑性区影响范围以及初期支护的受力特点进行了较全面的分析[4～9]。以上均针对花岗岩围岩条件下的围岩应力应变分析，目前，对火山角砾岩风化层条件下的大跨度浅埋洞室研究较少。

2 车站基本概况

2.1 场区环境条件

车站场区地形较为平缓，为交通繁忙的青岛市主干道重庆路。该路埋设有青岛市重要市政管线，地下管线埋设有宽 1 100 mm电力管沟、Φ400 mm的雨水、Φ1 200 mm给水管、通讯管廊等市政设施。

暗挖车站长约240 m，洞室标准段开挖跨度为 19.9 m，高度约为 17.4 m，覆岩厚度为 8.2 m～12.0 m，覆跨比为0.41～0.60，具有开挖断面大，拱顶埋深较浅的特点。车站轮廓如图1所示。

图1 车站轮廓

2.2 地质条件

车站场区为剥蚀残丘地貌，第四系较薄，且为人工填土，厚度小于 2 m；场区基岩为白垩系青山群八亩地组火山角砾岩，角砾粒径多在 2 mm～64 mm之间，呈次棱角状，矿物成分主要为英安质(80%)，火山灰胶结(15%)。长石、石英和黑云母为主要矿物成分，正交偏光图像如图2所示。受风化作用影响，基岩内形成了强风化带、中风化带及微风化带。场区内中风化火山角砾岩饱和单轴抗压强度为 18.04 MPa，微风化火山角砾岩饱和单轴抗压强度为 35.64 MPa。

图2 火山角砾岩正交偏光图像

受青岛区域断裂带李沧断裂的影响，场区内发育多处剪切破碎带，且形成了多处风化凹槽。岩体节理发育，且节理多泥质胶结，粘结强度较差。洞身穿越的岩土层主要为中风化的火山角砾岩、微风化火山角砾岩，局部为强风化的火山角砾岩、剪切破碎带。车站拱顶揭露岩性大部为中风化火山角砾岩，局部拱顶为强风化火山角砾岩，穿插数条剪切破碎带。剪切破碎带宽约 0.5 m～2 m不等，破碎带内岩体碎散，矿物蚀变强烈，局部为构造泥。场区内地下水埋深约 3 m，为基岩裂隙水。Ⅳ围岩段隧道拱顶中风化火山角砾厚度约为 7 m～10 m，其上为强风化岩及第四系填土层。Ⅴ级围岩段拱顶为厚度 13 m强风化火山角砾岩及 2 m厚第四系填土层。车站主体围岩等级为Ⅳ～Ⅴ级，如图3所示。各岩土层物理力学参数如表1所示。

图3 地质剖面图及围岩分级

各岩土层物理力学参数 表1

2.3 施工工法

车站围岩呈典型的“上软下硬”特点，其侧壁围岩相对完整，具有实施拱盖法的地质条件，因此车站采用拱盖法施工。车站拱顶围岩整体较差，拱部采用分区分段方式开挖，为便于组织施工，Ⅳ级围岩拟采用中隔壁法(CD法)，初期支护采用 300 mm型格栅钢架，0.75 m每榀。Ⅴ级围岩段拟采用双侧壁导坑法施工，格栅钢架间距为 0.5 m，且采用超前小导管作为超前支护措施。计算参数如表2所示。

支护材料参数 表2

3 各级围岩条件下的稳定性分析

3.1 平衡拱概念

俄国学者普氏(简称)于1907年提出普氏理论，即自然平衡拱理论，认为在具有一定粘结力的松散介质中开挖洞室后，其上方会形成一个抛物线形的自然平衡拱，而作用在支护结构上的围岩压力是自然平衡拱以内的松动岩体的重力。自然平衡拱上方的一部分岩体承受着上覆地层的全部重力。在岩体中，由于岩体自身的强度及完整性，拱部按一定覆跨比施工开挖后，可以自身形成或在初期支护的共同作用下，在拱部形成平衡拱。在此类条件下，初期支护的作用是为岩体形成平衡拱创造必要的条件，如限制围岩的变形，增强拱部围岩的刚度等。初期支护与岩体组合形成的平衡拱称为组合平衡拱。平衡拱承担覆岩荷载，并通过拱结构向两侧传递，其应力特征为主应力方向与平衡拱形态一致。在数值分析中，可通过判别主应力分布特征，初步判断平衡拱的厚度。

3.2 Ⅳ级围岩双侧壁导坑法开挖稳定性分析

如图4～图7所示，开挖右侧导洞时，洞室围岩的变形特征是：导洞拱顶下沉，最大值位于导坑中间拱顶：最大沉降约为 0.7 cm。围岩仅出现零星的塑性区，围岩整体稳定。开挖左侧导洞时，洞顶围岩沉降主要集中在导坑拱顶附近，最大沉降约为 0.7 cm，在拱脚处出现零星剪切塑性区。两侧导洞拱顶围岩均能形成平衡拱，平衡拱厚度约为 1.5 m。当开挖其核心土部分时，围岩拱顶沉降增大明显，最大沉降位于拱顶中部，沉降值为 1.25 cm，地面沉降约 0.97 cm，围岩塑性区主要位于拱角处。开挖全断面后，拱顶沉降已趋于稳定，未再明显发展。图6表明，在上软下硬的条件下，硬岩层承担了上覆岩土层荷载，主应力方向与拱形断面呈近似平行状。在该条件下，初期支护措施主要作用为避免拱部局部掉块引起的拱部硬岩层应力传递失效，确保自然平衡拱的形成。

图4 双侧壁开挖竖向位移云图

图5 竖向位移云图

图6 有效主应力矢量图

图7 计算单元塑形区分布图

3.3 Ⅳ级围岩CD法开挖稳定性分析

如图8～图11所示，开挖右侧半幅时，洞室围岩的变形特征是：拱顶沉降最大值位于中间偏左位置：最大沉降约为 1.25 cm。围岩仅出现零星的塑性区，围岩整体稳定。开挖左半幅时，洞顶围岩沉降主要集中在导坑拱顶附近，最大沉降约为 22.25 cm，地面沉降约 12 cm。围岩塑性区主要位于上覆拱顶处。开挖全断面后，拱顶中部出现拉应力区域，塑性区域较双侧壁导坑法明显增大。采用CD法开挖时的拱顶沉降明显大于双侧壁导坑法时的拱顶沉降。采用CD法时，加强初期支护刚度，使支护结构与围岩共同承担上覆岩土层荷载是CD法施工时控制拱顶沉降的关键。

图8 CD法开挖竖向位移云图

图9 竖向位移云图

图10 有效主应力矢量图

图11 计算单元塑形区分布图

3.4 Ⅴ级围岩双侧壁导坑法开挖稳定性分析

如图12～图16所示，开挖右侧导洞时，洞室围岩的变形特征是：导洞拱顶下沉，最大值位于导坑中间拱顶：最大沉降约为 0.8 cm。围岩仅出现零星的塑性区，围岩整体稳定。开挖左侧导洞时，洞顶围岩沉降主要集中在导坑拱顶附近，最大沉降约为0.8 cm，在拱脚处出现零星塑性区。两侧导洞拱顶围岩均能形成平衡拱，平衡拱厚度约为 2 m。当开挖其核心土部分时，围岩拱顶沉降发生突变，无法收敛，拱顶围岩塑性区由导坑上部拱顶处不断发展扩大，最终发展至隧道大部分拱顶覆岩，预计形成地面塌陷。根据开挖过程模拟计算结果，在开挖跨度较小的侧壁导洞时，拱顶较薄的硬岩可形成自然平衡拱，在开挖大断面时，拱顶较薄的硬岩层无法有效地将上覆荷载向两侧传递，在剪应力集中区形成了塑形区，继而向拱顶上方扩展，继而向洞顶塌陷方向发展。在该种条件下，拱顶初期支护措施则需要有较高的强度与刚度，承担一部分上覆荷载，初支结构与拱部硬岩层形成组合平衡拱共同承担上覆荷载，并将荷载向两侧拱角处传递。

图12 双侧壁开挖竖向位移云图

图13 竖向位移云图

图14 有效主应力矢量图

图15 计算单元塑形区分布图

图16 Ⅴ级围岩剪应力分布云图

3.5 洞室初期支护形式

本段洞室Ⅳ级围岩段采用了格栅钢架 0.75 m每榀，φ42超前小导管，L=4.5 m，环向@0.4 m，纵向 1.5 m，喷射C25早强混凝土 350 mm。采用了CD法施工。

中端Ⅴ级围岩采用了格栅钢架0.5 m每榀，拱部φ42超前小导管，L=4.5 m，环向@0.4 m，纵向 1.5 m，喷射C25早强混凝土 350 mm。采用了双侧壁法开挖。

右侧Ⅴ段围岩采用CD法开挖，初期支护采用了了格栅钢架 0.75 m每榀，φ42超前小导管，L=4.5 m，环向@0.4 m，纵向 1.5 m，喷射C25早强混凝土350 mm。

3.6 洞室开挖后沉降监测分析

在Ⅳ级围岩段采用双侧壁导坑法施工时，拱顶沉降最大 10 mm，采用CD法施工时，拱顶沉降过大，出现了初期支护格栅钢架与洞顶围岩脱离现象，拱顶沉降最大近 40 mm，地面沉降最大近 20 mm，Ⅴ级围岩双侧壁导坑开挖段，拱顶沉降最大为 17 mm。

4 结论及建议

本文以青岛地铁1号线软弱围岩条件下的浅埋暗挖大跨度地铁车站为研究背景，分析了火山角砾岩围岩的特点，通过对Ⅳ级、Ⅴ级围岩条件的车站主体开挖数值试验，研究揭示了中隔壁法及双侧壁导坑法的适用性及洞室开挖引起的位移场、应力场及塑性区的变化规律，并对其施工方法进行优选。

(1)在Ⅴ级围岩条件下，中隔壁法施工风险较大，拱顶沉降明显超标。双侧壁导坑法施工可较好的控制大跨度硐室初期开挖的变形，明显减少地面沉降。

(2)在围岩条件较差时，加强初期支护的刚度与强度，有利于充分发挥围岩的自承能力，形成初期支护体系与围岩一体的组合平衡拱体系。

(3)在硐室开挖时，随着硐室开挖跨度的逐步加大，硐室围岩岩体应力，应变呈现跳跃式变化，拱顶覆岩变形表现为缓慢累积到突然增大的特征。

(4)在上软下硬的围岩条件下，拱顶硬岩的厚度对围岩的自稳性影响明显，在综合围岩分级时，需要合理的考虑拱顶硬岩的厚度及洞室的跨度。

(5)拱顶硬岩厚度对大跨度硐室开挖初期稳定性起到决定性作用，查明其厚度变化状态可减少后期施工风险。

(6)大跨度硐室施工中，施工工法对硐室开挖初期稳定性影响明显，应加强施工工法选择的论证。