硬巖大跨地鐵車站開挖穩(wěn)定性與支護力學(xué)行為研究.pdf

1、目前，隨著更多城市修建地鐵，部分新建城市淺埋暗挖大跨地鐵車站常在硬巖或上軟下硬的地質(zhì)條件下實施。相較于軟土地區(qū)，硬巖地層條件下淺埋暗挖法施工引起的地層變形特性及圍巖穩(wěn)定性的各種控制要素尚不明晰，設(shè)計和施工的合理性問題值得探討。本文采取理論計算、室內(nèi)模型試驗、數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測等研究手段，系統(tǒng)研究了硬巖地層條件下淺埋大跨暗挖車站開挖穩(wěn)定性與支護力學(xué)行為，主要研究工作及成果如下:
　　(1)采取理論計算和數(shù)值模擬研究了硬巖地層淺埋大跨

2、暗挖車站的成拱效應(yīng)問題，探討了圍巖壓力、車站跨度、覆巖厚度與成拱效應(yīng)的關(guān)系。青島地鐵車站以淺埋暗挖為主，傳統(tǒng)的上覆地層全荷載計算模型不適用，推導(dǎo)了考慮裂隙發(fā)育的硬巖地層淺埋暗挖圍巖計算模型，發(fā)現(xiàn)圍巖自身承擔(dān)了約80％的上覆地層荷載;采用復(fù)變函數(shù)法解析解的形式研究了硬巖地區(qū)淺埋暗挖隧道的成拱效應(yīng)，并推導(dǎo)了硬巖圍巖應(yīng)力和位移的顯式解。此外，假設(shè)隧道上覆地層作為荷載全部作用于格柵鋼架時，格柵鋼架的變形遠(yuǎn)超其允許變形值2cm。證明硬巖地區(qū)淺埋暗

3、挖大跨車站仍存在顯著的自承拱效應(yīng)，設(shè)計與施工中須重點考慮“成拱效應(yīng)”。
　　(2)一定覆巖厚度條件下硬巖地層淺埋暗挖車站，覆跨比的概念對淺埋暗挖車站意義不大，合理巖跨比才是保障施工安全的關(guān)鍵指標(biāo)。研究結(jié)果表明，硬巖地區(qū)微風(fēng)化巖層大跨地鐵車站合理巖跨比下限可取至0.15～0.2，中風(fēng)化地層合理巖跨比下限可取至0.3～0.5。在合理巖跨比下限以上，當(dāng)采取格柵鋼架、錨桿體系對周圈圍巖進行加固后，暗挖車站周邊的圍巖能夠充分發(fā)揮自承載能力，

4、上覆軟弱地層厚度對暗挖車站拱頂總變形的影響較小;跨度越小、巖層質(zhì)量越好時，可適當(dāng)減小巖跨比。
　　(3)有別于淺埋暗挖法的初期支護剛度必須大且需及時的特點，硬巖地區(qū)的初期支護應(yīng)更強調(diào)采用錨噴體系將巖體構(gòu)成系統(tǒng)整體，而不是強調(diào)初期支護中格柵鋼架的作用;有別于淺埋暗挖法的初期支護承擔(dān)全部荷載，二襯作為安全儲備，在硬巖地區(qū)，初期支護與上覆圍巖（或經(jīng)過系統(tǒng)錨桿及注漿加固后的圍巖）共同承擔(dān)全部荷載，而且上覆圍巖承擔(dān)了絕大部分荷載，二襯作為安

5、全儲備。
　　(4)在覆蓋一定厚度（大于最小巖跨比）硬巖的暗挖車站的開挖過程，論證了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在硬巖地區(qū)過于保守，不實用，應(yīng)當(dāng)摒棄;傳統(tǒng)二襯拱蓋法安全度也較大。并提出了預(yù)留巖柱體、初支拱蓋法等適合該類地質(zhì)的新工法并應(yīng)用于工程實踐。因此，建議在巖跨比大于0.2的情況下，可以考慮選擇初支拱蓋法施工，提高施工效率，節(jié)約工程造價。
　　(5)針對硬巖地區(qū)暗挖車站二襯施作必要性及拆撐優(yōu)化進行分析，對二襯施作及拆撐對隧道產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)

6、進行研究，未施作二襯時模型整體及豎向變形均不超過1cm，與施作二襯相比變形相差較小，一定程度上說明硬巖地層二襯施工的及時性對控制圍巖穩(wěn)定性的影響較小;未施作二襯時地表及拱頂?shù)淖畲蟪两盗恳嘣谠O(shè)計控制值范圍之內(nèi)。在圍巖條件較好的硬巖地區(qū)中應(yīng)考慮采取合理措施減小二襯厚度或者取消二襯。
　　(6)臨時支撐的拆除亦是淺埋暗挖施工安全的重要一環(huán)。對比連續(xù)拆撐和間隔跳拆兩種工況下圍巖與初支變形情況，考慮到施工機具的操作方式，在Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級地

7、層，連續(xù)拆撐小于20m襯砌變形和地表沉降仍可維持在可控范圍，利于流水化作業(yè);在Ⅳ-Ⅴ級等圍巖較差的地層，則應(yīng)采用間隔跳拆的方式，跳拆間隔距離一般應(yīng)小于10m。實測數(shù)據(jù)表明，拆撐前后地表沉降、拱頂沉降及凈空收斂的變化量相對較小，數(shù)值計算與現(xiàn)場實測結(jié)果規(guī)律一致，相比軟土地層，硬巖開挖時拆撐對初支的影響有限。
　　本文在硬巖地區(qū)大跨淺埋暗挖車站圍巖應(yīng)力和圍巖與支護結(jié)構(gòu)相互作用機理方面獲得的這些認(rèn)識與規(guī)律，期望能為硬巖地區(qū)淺埋暗挖車站的優(yōu)