岩质地区暗挖地铁车站施工过程地面沉降分析

摘要：以青岛地铁M3线中山公园站为例，分析了岩石地区地铁车站隧道施工过程中地面沉降的发生发展规律，对拱盖法进行了分析研究，进行了全过程施工状态数值模拟，并对监测数据进行了回归分析，最后提出了导致沉降的主要原因，并提出了控制附加沉降的有力措施，指出拱盖法是适应于岩质地层的较好的工法。

关键词：岩石 地铁车站暗挖拱盖法 沉降

中图分类号：P642.26 文献标识码：A文章编号：

Abstract: the Qingdao subway M3 line zhongshan park station as an example, this paper analyzes the rock area subway station tunnel construction process of ground subsidence occurred rules of arch cover method was analyzed, the whole process is construction state numerical simulation, and the monitoring data for the regression analysis, finally puts forward the cause of the main causes of the settlement, and put forward the control additional strong measures to settlement, and points out that the arch is adapted to the rock cover method of better methods of quality of a material.

Keywords: rock type of subway station, the arch cover settlement method

1 概况

在我国蓬勃发展的经济环境下，地铁建设正如火如荼的进行着。目前全国在建地铁城市约20余个，地质条件各异，其中包括一部分岩石地质城市，如重庆，深圳，青岛，大连等，这类城市的暗挖地铁车站隧道大部分采用矿山法施工。

岩石地区矿山法隧道施工的一个显著特点就是需要采用爆破技术。岩石地质的城市相对于土质底层虽然地质条件较好，但是施工技术也相对复杂，对城市地面沉降造成的影响也是不容忽视的，需要重点分析研究。

2 依托工程概况

青岛市地铁一期工程为线网规划中的M3线，是位于青岛城区中部的一条南北向骨干线路。本次研究的依托工程为M3线中山公园站，为大跨度暗挖车站。

2.1站位情况

中山公园站位于天泰体育场南侧，香港西路北段，车站范围内有荣成路、韶关路与香港路交汇，交通流量大。车站上方为北舰司操场，车站周围无高大建筑物，车站北侧临近青岛中山公园，有市政管线从香港西路下方通过。车站全长176.9m，为10m站台岛式车站。本站覆土厚度为10~12m，穿越地质以强~中风化花岗岩为主，采用单拱直墙暗挖断面，大拱脚拱盖法施工、钻爆法开挖，开挖断面宽19.2m，高16.2m。

2.2地质情况

中山公园站基本位于中风化岩层中，上覆强风化下亚带和第四系土层。原设计车站拱盖拱脚下底纵梁基底基本位于中风化岩层，局部位于微风化岩层。

图1 中山公园站地质纵断面图

3 车站隧道工法设计与沉降计算

3.1车站隧道工法设计

3.1.1 中山公园站

车站隧道主体结构支护参数：主体支护为30cm喷射混凝土，3.5m长小导管，4m长φ25中空锚杆，钢格栅间距0.75m, 侧墙设置4m长φ25砂浆锚杆间距1.2mx1.2m。

支护断面图如下图所示。

图2 中山公园站支护断面图

本车站施工工法采用了目前比较新颖的拱盖法,基本思想是：断面整体分为上下两部分进行开挖，上部又分为左中右三部开挖，每一步独立成环，即CRD法的做法，在上部三个导洞开挖支护完毕后，并不马上开挖下半断面，而是施做上部断面的拱部衬砌，衬砌的大拱脚落在事先做好的底纵梁基础上，再有基础将竖向力传至稳定的基岩；然后在拱部二次衬砌的保护下再进行下半断面的开挖，最后做完剩余二衬和站内结构。

这种工法的优点就是以最快的时间做好拱盖，在拱盖的保护下开挖剩余断面，可以最大程度的控制地面沉降和保证施工安全。

3.2车站隧道施工过程沉降计算

3.2.1 中山公园站

对车站施工步骤采用地层结构法进行数值模拟，基本地层参数如下表所示。

表1 中山公园站地质参数表

岩土名称 密度 黏聚力 摩擦角 弹模

ρ c φ E

g/cm3 kPa ° 103MPa

粉粘土 1.89 28 11 /

粘性土 1.92 30 20 /

强风化 2.30 80.0 32.0 /

中风化 2.49 2000 35.0 15

微风化 2.53 8000 40.0 36

计算结果如下图所示

图3开挖中导洞后的地面沉降图

图4 完成二衬结构后的地面沉降图

从数值计算的云图中可以看出，开挖中导洞时发生的沉降较大，达到了23.7mm，此后由于施做了拱盖，在拱盖的支撑下继续开挖下部岩石，只增加了2mm的沉降，这说明拱盖法对控制沉降效果显著。

4 车站监测方案及数据分析

4.1车站隧道施工情况及监测方案

4.1.1 中山公园站

中山公园站左侧导洞已施工的长度约122m，右侧导洞已施工的长度约91m，中间导洞已施工的长度约为57m。其中沉降较大的位置在车站端部，最大沉降值为44.87mm。如下图所示。

图5 中山公园站施工进度图

图6 中山公园站沉降分析图

地表沉降超标点距离横通道较近，由于施工横通道时监测点已经发生沉降，车站主体左、右导洞开挖时该处点发生二次沉降。

中导洞的开挖致使这部分基本稳定的沉降监测点出现第三次沉降，沉降速率增长受开挖面位置影响较大。

当测点位于掌子面后方15m左右处，由于支护结构施做有效的控制沉降，数据趋于稳定。

与计算预估沉降比较：导洞开挖时沉降量约为13mm，中导开挖后约为32mm；与设计数值分析结果的规律相当。

5 沉降变形分析及对策研究

从以上的分析结果可以看出，事实上，实际沉降值总是要比理论计算值大一些的，这主要是因为我们的理论计算值只是一种理想状态，有很多实际工程中的因素无法考虑，例如爆破施工的影响，施工不到位的影响等，这些都是造成实际沉降大于理论沉降的原因。所以，我们施工中重点控制的应该是超出理论沉降的那部分沉降值。

5.1造成附加沉降的主要原因

（1）地层初始应力的释放

这个是地面沉降发生的主要原因，因为地层中开挖隧道必然破坏原始应力状态，应力释放，必然导致地面沉降。也是工程不可避免的。

（2）施工过程中的爆破振动

由于在岩石地层中施工矿山法隧道必然要采用爆破措施，所以爆破产生的振动波对地层的扰动也是不可忽视的，通常会加剧沉降的发生。

（3） 支护的及时性及有效性

设计图纸的实现是需要施工单位去完成的，但是不同的施工技术水平对工程的控制也会造成很大影响。支护施做的是否及时和有效对地面沉降影响也是不容忽视的

（4）地下水的渗流

地下工程的施工必然会导致地下水流失，就会产生渗流场，如果控制不好，渗流导致的地层流失对地面沉降也会起到加剧作用。

5.2控制附加沉降的措施

（1）施工工程及时复核地质情况，需要地勘单位，设计单位，监理单位和施工单位进行现场跟踪反馈，对地质发生变化的区段及时调整支护参数。

（2）及时支护，因为初期支护的及时性对控制变形很关键，必要时可以在爆破出渣后立即施作初期支护。

（3）控制爆破，爆破虽然是岩质地区必须的施工措施，但是在工程中控制好进尺，做好严密的爆破方案，对控制地面沉降是有很大好处的。

（4） 保证支护的有效性，这个是施工质量控制的问题，可以严格监督现场，必要时进行衬砌背后注浆，保证支护与岩石的密贴。

（5）适当封堵地下水，地下水完全封堵是不现实的，也是不必要的，在不影响施工作业和工程质量的前提下，适当排放一点地下水是可以的。这一点可是通过严格控制注浆工艺来实现。

（6）加强监控量测及数据分析，地下工程是一个动态化设计过程，必须要全过程监测，并对数据进行细致的分析，从而及时完善设计，保证施工的安全。

（7）针对拱脚部位围岩起伏变化较大，部分拱脚部位围岩达不到大拱脚结构坐落基岩强度，在拱脚部位进行加强，做成纵向地基梁型式。

（8）针对车站内部渗水量较大的情况，采取整个车站拱部系统径向注浆措施。

（9）拱脚处虚碴清理干净，超挖部分采用混凝土回填。

（10）按照设计要求及时施作初支背后回填。

6 结语

岩石地层地铁矿山法暗挖车站隧道的施工有其自身独特的特点，虽然地层的强度和稳定性均好于土层，但是如果控制不好，也会出现很多问题，产生较大的沉降变形，对城市环境造成影响，甚至是危害。

通过以上研究，主要得出以下几点结论：

（1）合理工法的选择至关重要。

岩石地层中大跨度地铁隧道的工法选择其实很关键，由以上分析可以看出，无论是数值计算还是实际测量，拱盖法的沉降变形明显较小。

拱盖法利用了岩石强度的自身优势，将拱压力直接传递到了脚部良好的基岩上，从而可以很好的控制沉降变形，是岩石地层中开挖大跨度隧道的比较好的工法。

（2）消除附加沉降是控制沉降的关键。

实际沉降总是要大于理论沉降，所以施工过程中药努力控制附加沉降，使得沉降变形降到最小。

（3）地面沉降监测数据回归分析十分重要，好的分析可以为设计，施工提供良好的信息，及时有效的调整设计，完善施工，避免不良事故的发生。

参考文献

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注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。