无围岩断裂带时隧道交叉段开挖的影响分析

杨建军

（中铁十八局集团第一工程公司，河北保定072750）

1 工程概况

青岛地铁一期工程的清江路站位于清江路与哈尔滨路交汇附近，是3号线的中间站，车站主体位于哈尔滨路下方，车站为地下二层10m岛式暗挖车站，地下一层为站厅层，站厅由中部的公共区及两端的设备管理用房两部分组成；地下二层为站台层，由设备管理用房区、乘车区及轨道区三部分组成.车站有效站台中心里程为K12＋398.669，起点里程为K12＋331.019，终点里程为K12＋520.019，车站总长189.0m，隧道开挖总宽度20.36m，总高度17.352m.主体隧道拱顶覆土厚度6.2～8.7m，拱顶围岩Ⅲ～Ⅴ级；车站共设3座出入口、2座风亭、1处无障碍出入口、1处消防专用出入口，车站设有混合变电所.

本站主体采用暗挖施工［1］，二衬外设全包柔性防水层.车站主体大里程端穿越围岩断裂带，采用双侧壁导坑法分9块进行开挖施工，其他地段采用双侧壁导坑法分6块进行开挖施工.

车站施工顺序依次为，开挖车站两端1＃、2＃临时施工竖井，待竖井衬砌浇筑完成后，侧向开洞进行两侧风道施工，待风道衬砌浇筑完成后，进行主体结构施工，最后施做出入口及消防疏散口等附属结构，完成车站施工.

2 车站开挖施工方案

车站主体结构采用暗挖法施工；出入口部采用明挖法施工.

暗挖车站按矿山法原理组织施工，施工过程中严格坚持监控量测，开挖采用光面爆破技术.车站主体采用双侧壁导坑法进行施工，穿越中风化花岗岩地层段采用双侧壁导坑法分6块进行开挖施工，必要时加设临时横支撑，施工期间依据岩石的完整性及自稳能力进行开挖工法的优化；风道采用CRD法施工［2］，风道挑高段分6块、标准段分4块进行开挖施工；本站主体及附属结构大部位于岩层，施工期间严格控制爆破进尺，减小爆破震动，局部敏感地段必要时采用无振爆破.

风道、车站主体结构暗洞开挖采用多功能作业台架，风动凿岩机钻孔，光面爆破.围岩破碎洞段采用风镐配合小型挖机进行开挖.严格控制超欠挖，软弱围岩地段采用微震光面爆破技术或非爆破开挖，以减轻对围岩的扰动和破坏.爆破采用塑料导爆管非电起爆系统，毫秒微差有序起爆，减小进尺及装药量，减轻震动，振速控制不大于2cm／s.

施工竖井周围地面进行防水、排水处理，严防地面水侵入竖井周边土体［3］.车站洞内施工期间设置纵、横向盲沟排除基坑内渗水，消除底板施工期间的水压力，渗水利用集水井集中抽排.集水井的设置根据施工分段及水量大小妥善确定［4］.

3 围岩支护工艺对隧道开挖的影响分析

论文分别选取了两种支护工艺，一种是隧道开挖之后，施作初期支护和临时支护，先不做二次衬砌，不拆临支直至隧道开挖完毕；另一种隧道开挖过程中，边开挖，边施作初期支护和临时支护，拆临支，施作二次衬砌.通过比较分析暂不做二衬开挖（工况4）和边挖边做二衬（工况2）这两种支护工艺开挖后的围岩应力、衬砌结构的应力与变形、管棚的应力及工后地表沉降，来研究围岩支护工艺对隧道开挖的影响.为了缩短模型的计算时间，模拟的施工过程不包括车站主体的施工.

3.1 围岩与衬砌结构应力分析

暂不做二衬和边挖边做二衬的应力统计见表1.由表1可知，隧道施工后，采用暂不做二衬工艺的围岩最大压应力相对较大一些，而衬砌结构的最大拉应力相对较大些；而采用边挖边做二衬工艺时，围岩的最大拉应力相对较大一些，衬砌结构的最大压应力较大一些；这说明，采用暂不做二衬工艺时，围岩承受的压应力更多，而采用边挖边做二衬工艺时，衬砌结构承受的压力更多.

表1 暂不做二衬和边挖边做二衬的应力统计表

3.2 工后沉降分析

暂不做二衬和边挖边做二衬的位移统计见表2.由表2可知，隧道施工后，采用边挖边做二衬工艺的地表最大沉降值和拱顶最大沉降值相对暂不做二衬工艺较大一些，地表最大沉降值变化幅值为116.14%，拱顶最大沉降值变化幅值为86.09%；两种方法仰拱的最大隆起值无太大变化，变化幅值只有－0.50%；等值位移图的形状基本相似.这说明，在隧道拆临支作二次衬砌的施工过程中，还会对围岩有二次扰动的作用，施工时，要尽量缩短拆临时支护和封闭二衬的时间，减小围岩的位移释放率.

表2 暂不做二衬和边挖边做二衬的位移统计表

在地表上的风道中心轴线上和车站中心轴线上选取两条路径，得到的工后沉降曲线如图1所示.由图1可知，采用边挖边做二衬工艺的地表沉降值相对暂不做二衬工艺要大许多，这主要是因为暂不做二衬时，风道的中心处有临时支护支撑着；两者的沉降曲线形状基本相似.

图1 暂不做二衬和边挖边做二衬衬砌结构工后沉降曲线图

4 开挖速度对隧道开挖的影响分析

开挖速度（掌子面向前推进的速度）对隧道开挖的影响，可以通过改变每次开挖的步长来进行模拟研究，论文分别选取一倍开挖步长（掌子面每次向前推进一个单元，2m左右）和两倍开挖步长（掌子面每次向前推进两个单元，4m左右）来进行研究.通过比较分析采取一倍开挖步长进行开挖时（工况1）和采取两倍开挖步长进行开挖时（工况2）的围岩应力、衬砌结构的应力与变形、管棚的应力及工后地表沉降，来研究开挖速度对隧道开挖的影响.为了缩短模型的计算时间，模拟的施工过程不包括车站主体的施工.

4.1 围岩与衬砌结构应力分析

一倍开挖步长和两倍开挖步长的应力统计见表3.由表3可知，隧道施工后，采用一倍开挖步长的衬砌结构的最大拉应力相对较大些，增幅为11.27%；而采用两倍开挖步长围岩的最大拉应力相对较大一些，增幅为138.24%，衬砌结构的最大压应力较大一些，增幅为11.40%；这说明，开挖速度的加快，会使得围岩的拉应力增加比较明显.

表3 一倍开挖步长和两倍开挖步长的应力统计表

4.2 工后沉降分析

暂不做二衬和边挖边做二衬的位移统见表4.由表4可知，隧道施工完毕后，采用一倍开挖步长进行开挖时的地表最大沉降值和拱顶最大沉降值相对两倍开挖步长较大一些，变化幅值不大，只有8.33%和5.21%；仰拱的最大隆起值反而较小一些，变化幅值为2.67%，开挖速度的加快，会使得土体的回弹量增加.两种的等值位移图的形状基本一致.

表4 暂不做二衬和边挖边做二衬的位移统计表

在地表风道中心轴线上和车站中心轴线上选取两条路径，得到的工后沉降曲线如图2所示.由图2可知，在车站中心轴线和风道中心轴线的工后地表沉降曲线基本相似，采用一倍开挖步长所产生的地表沉降相对采用两倍开挖步长开挖时所产生的地表沉降要大一些.这是因为，开挖的速度越快，围岩开挖后处于未支护的时间越短，围岩位移释放的越小，地表的沉降值也会越小.因此，适当控制隧道开挖过程的速度，可以有效的控制地表的沉降.

图2 一倍开挖步长和两倍开挖步长开挖时的工后地表沉降对比图

5 开挖方法对隧道开挖的影响分析

论文分别选取了两种开挖方法，一种是CRD工法开挖完风道以后，再用双侧壁导坑法进行车站主体的开挖；另一种是台阶法开挖完风道以后，再用双侧壁导坑法进行车站主体的开挖.通过比较分析CRD工法开挖（工况4）和台阶法（工况3）开挖后的围岩应力、衬砌结构的应力与变形、管棚的应力及工后地表沉降，来研究隧道开挖方法对隧道开挖的影响.

5.1 围岩与衬砌结构应力分析

CRD工法和台阶法的应力统计见表5.由表5可知，隧道施工后，采用台阶法的围岩最大压应力相对CRD工法大18.12%，最大拉应力相对小6.10%；而台阶法衬砌结构的最大拉应力相对CRD工法大99.42%，最大压应力相对大190.43%.可以看出，采用台阶法施工时，衬砌结构的压应力和拉应力相对要大许多，开挖方法对衬砌结构的受力影响比较大.

表5 CRD工法和台阶法的应力统计表

5.2 工后沉降分析

由表6可知，隧道施工后，采用台阶法的地表最大沉降值相对CRD工法较大5.26%；两者的拱顶最大沉降值相差不大，而仰拱隆起值CRD工法相对较大一些，变化幅值为14.71%.等值位移图的形状不一致，采用台阶法进行开挖的沉降影响范围要比采用CRD工法进行开挖的沉降影响范围要大，相比而言，CRD工法施工起来更安全.

表6 CRD工法和台阶法的位移统计表

在地表风道中心轴线上和车站中心轴线上选取两条路径，得到的工后沉降曲线如图3所示.

由图3可知，在车站中心轴线上，CRD工法和台阶法的沉降曲线相似，沉降中心都在风道与车站中心附近，台阶法的沉降值相对更大些.在风道中心轴线上，采用CRD工法进行开挖的的地表只有一个沉降槽，位于风道与车站交叉处；而采用台阶法进行开挖的地表有两个沉降槽，除了风道与车站交叉处有个大沉降槽以外，风道开挖处还有一个小的沉降槽.

图3 CRD工法和台阶法工后地表沉降对比图

6 结 论

（1）管棚的施作（围岩的注浆）使得围岩的物理性质有所改变，对周围土体有扩张的作用；隧道开挖时，开挖处的岩体应力得到释放，地应力由剩余岩体和支护结构承担，致使围岩和支护结构的应力增加；开挖过程中周围岩体向洞内收敛，因而发生地层损失；

（2）隧道进行另一方向的开挖时，由于空间效应，土体的收敛速率增长比较明显，且在风道与车站交叉处，衬砌结构的拉应力和压应力比较集中，尤其压应力增长比较明显；

（3）风道施工的过程中，地表的最大沉降位置随着掌子面的推进向前推进，其本处于开挖岩体的中心部位，随着车站主体的开挖，地表的最大沉降位置迅速转移到风道与车站交叉的中心部位，且车站主体的开挖对已施工完毕的风道上面的地表的沉降还有一定的影响作用；

（4）隧道开挖速度的增加，会使得围岩和衬砌结构的拉应力增加，压应力减少，拱顶的沉降减小，而仰拱的隆起值增加，地表的沉降减少；台阶法相对CRD工法施工，衬砌结构的拉应力与压应力要增加许多，开挖方法对衬砌结构的受力影响比较大；考虑路面荷载时，地表沉降槽相对较平缓一些，拱顶和地表沉降值也相对较大一些.

［1］张云.浅埋暗挖大跨地铁车站施工技术［J］.隧道建设，2005，25（2）：28～30

［2］涂碧海，李正文，冯金海.CRD法在大跨度隧道掘进中的应用［J］.中国市政工程，2005（6）：39～41

［3］李昊勇，程鹏举，任敬东.北京地铁苏州街站车站暗挖施工技术［J］.铁道标准设计，2004（11）：43～45

［4］苏斌.地铁浅埋暗挖法车站进洞施工技术［J］.山西建筑，2005，31（12）：1～2

［5］丁锐，范鹏，焦苍.不同开挖步骤引起浅埋隧道地表沉降的数值分析.铁道工程学报，2005（5）：62～65

［6］张家生.地表移动理论及数值分析方法的研究［D］.长沙：中南工业大学土木工程学院，1992