土岩组合地层浅埋隧道埋深确定方法研究

胡智民

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

0 引言

随着城市基础设施建设的不断深化，浅埋暗挖法由于其不影响交通、占地拆迁少等优点在我国城市地下工程中的应用日趋广泛［1－4］。城市地铁隧道建设引起的管线破裂、地表建(构)筑物的倾斜和开裂等安全事故时有发生，这些安全事故和环境问题，都是由隧道开挖后地层应力变化及地层变形引起的。隧道的埋置深度是隧道开挖引起地面变形的重要影响因素;因此，确定合理的埋深对预防安全事故、控制环境影响及降低成本具有重要意义。

在隧道埋深问题方面，国内很多学者进行了研究，目前大多数是针对山岭隧道与海底隧道。徐则民等［5］对不同埋深下岩体初始的应力特征、围岩压力及围岩稳定性进行了初步讨论;胡学兵等［6］讨论了不同埋深和跨度对隧道稳定性的影响;赵占厂等［7］以数值仿真技术为手段，对不同埋深下的围岩压力性质进行了分析;汪成兵等［8］对不同埋深下围岩压力拱形态进行了模型试验研究;梁晓丹等［9］对隧道压力拱与围岩变形的关系等方面做了研究;李倩倩等［10］对北京地铁区间暗挖隧道开挖后不同埋深下的地层应力、塑性区分布及地层变形3个方面进行分析研究;茅为中等［11］分析了地铁隧道覆跨比和高跨比对地表沉降的影响;李树忱等［12］运用断裂损伤有限元数值软件对海底隧道最小岩石覆盖厚度进行了研究，建立了确定海底隧道最小岩石覆盖厚度的位移收敛法。

对于在土岩组合特殊地层中进行浅埋暗挖施工的研究相对较少。张先锋［13］通过青岛地铁试验段工程施工数据对地铁车站结构埋深进行了研究;王旭东等［14］对浅埋暗挖隧道的覆跨比进行了研究。在土岩组合特殊地层中不同围岩等级下，即使隧道尺寸、开挖工法和覆盖层厚度都一样，也会出现差异很大的施工后果。因此，单一采用覆跨比仅能将隧道的跨度和覆盖层厚度进行量化的衡量，却无法对覆盖层的不同成分做出区分。为了进一步对隧道的覆盖层做出评价和定量的衡量，本研究引入岩跨比来进一步对覆盖层的性质进行评价。

青岛地铁工程中暗挖车站普遍埋置于风化程度不同的花岗岩地层中，地层条件从上到下为典型的土岩组合地层。车站结构的埋深选择会影响到施工开挖的难易程度、辅助施工工法的选择、地下管线和周边建(构)筑物的保护、长期运营期车站的便利性及成本等。综合考虑上述因素，在确定埋深时引入车站隧道跨度对埋深的影响，采用2个无量纲的指标(覆跨比和岩跨比)来进行合理埋深确定方法的研究。本文应用数值方法对覆跨比、岩跨比与地表位移的关系以及开挖稳定性进行分析。对不同覆跨比及岩跨比下浅埋暗挖隧道的开挖进行模拟，对背景工程的合理埋深进行了确定，并对多指标进行敏感性分析。

1 隧道埋深确定指标——覆跨比、岩跨比

覆跨比是进行浅埋暗挖隧道初步设计中用到的一个重要参数，合理的覆跨比是保证浅埋暗挖隧道施工的安全性和经济性的重要前提。覆跨比是一个无量纲的指标，其定义的示意图见图1。

图1 覆跨比、岩跨比示意图Fig.1 Schematic diagram of cover-span ratio and rock-span ratio

式中d为车站隧道结构的跨度，m。

隧道上覆盖层可根据地质勘查分为岩层和土层2种，对于青岛土岩组合特殊地层，可将各种风化程度不同的花岗岩等列入岩层范畴，其上的诸如填土、黏土、沙层等列入土层来考虑。岩跨比:

式中h2为拱顶上覆岩体厚度，m。

2 有限元模拟

2.1 工程概况

选取青岛地铁江西路车站结构，为地下2层岛式站台车站。该车站为采用双侧壁导坑法施工的浅埋暗挖车站，位于强风化－微风化花岗岩过渡岩层中，拱顶位于强风化岩层，场地岩土层情况及厚度情况见表1。初步设计的双侧壁导坑法施工工序见图2。车站初设覆跨比为0.465(埋深10 m)，洞室跨度为21.5 m，采用复合式衬砌结构形式。初期支护设计采用高性能防渗喷射混凝土、湿喷混凝土工艺，喷层厚0.3 m。

表1 各层岩土体模型计算参数Table 1 Calculation parameters of rock and soil

图2 设计施工工序Fig.2 Designed construction process

2.2 有限元分析模型

考虑围岩与结构的共同作用和分步施工过程，采用有限元数值计算模型进行模拟计算。

本研究使用PLAXIS建立有限元几何模型。依照图纸尺寸，模型中隧道高度取15.5 m，跨度为21.5 m，墙高8.5 m。有限元分析模型网格图见图3，共1 788个单元。

图3 有限元分析模型图Fig.3 Finite element analysis model

模型内容包括场地岩土体、初期支护、加固土体和锚杆。在数值模拟计算中，可认为预支护措施在洞室围岩中形成一定厚度的加固区。因此，管棚法和小导管注浆法预支护效果的模拟可以采用提高加固区范围内围岩参数的等效办法来实施。

2.3 材料参数

对于场地土采用Mohr－Coulomb屈服准则进行模拟。从开挖到车站结构建造过程较整个地铁的服役期短，因此按照土体的不排水行为进行分析，分析采用土体的有效应力参数。岩土体相关参数取值见表1。

2.4 模拟计算过程

考虑到隧道的开挖过程中应力释放的时间效应与喷射混凝土随时间的硬化和强度增长，在设计隧道施工步时分3步释放应力，一个完整的开挖过程包括连续的3个施工步骤，应力释放比例分别为0.50，0.25和0.25，其中第1步为开挖区域的开挖。喷射混凝土的早期强度增长通过模量的变化模拟，在一个完整开挖过程的第2，3个步骤中模拟，在第2步中施作初期支护只考虑30%的模量，第3步使其强度达到100%。隧道的整个施工流程见图4。

从对限时训练剩余题目处理情况的问卷调查数据发现，69.02%的学生面对限时训练剩下的做错题目想老师去解决，也看出了学生整体知识和能力还是不够，虽然我们给出了详细的解题过程，但是依然无法自己突破，也看出了课后小组成员的交流还不够。

图4 施工步流程图Fig.4 Flowchart of construction

3 覆跨比确定埋深的方法

3.1 分析模型设计

3.1.1 模型1:提高隧道结构减小埋深来变动覆跨比

通过保持地层参数及支护设计参数等因素不变，研究不同覆跨比对应的地表位移，在数值模型中抬高车站结构和加固区一直计算到模型不收敛为止。背景工程覆跨比为0.465，按10%的覆跨比为单位减小，即每个工况将覆跨比减小0.046 5，进行施工开挖的模拟。

模型计算了 0.465，0.419，0.372 和 0.326 这 4 种覆跨比下的施工过程，直至在覆跨比0.326下模型计算不满足收敛条件时终止计算。

3.1.2 模型2:一定岩跨比下增加覆盖层厚度来变动覆跨比

研究上覆岩土体质量对埋深确定的影响时保持岩跨比不变，通过对背景工程第1层土(素填土)增加和减小厚度来模拟不同埋深下隧道承担的覆盖层质量，每次增减幅度为1 m。模型的上覆岩层厚度变化过程见表2。

表2 上覆岩层厚度变化表Table 2 Variation of thickness of rock cover

3.2 计算结果分析

3.2.1 模型 1

图5 不同覆跨比下地表最终沉降曲线Fig.5 Final ground surface settlement under different coverspan ratios

由图5可见，拱顶位于强风化地层的车站覆跨比在0.465～0.372(拱顶埋深10 ～8 m)时，地表位移逐渐增大，最大地表位移约14～43 mm。当覆跨比继续减小至0.326(拱顶埋深7 m)拱顶所处地层条件已由强风化层变为粗砂粒层，此时塑性区已贯通，模型无法收敛。

3.2.2 模型 2

选取不同覆盖层厚度，那么覆跨比也相应变化，不同覆跨比下的拱顶最大沉降与地表最大沉降量如图6所示。

图6 不同覆跨比下拱顶及地表最大沉降Fig.6 Maximum crown settlement and maximum ground surface settlement under different cover-span ratios

由图6可见，当覆盖层厚度由8 m增至12 m，即覆跨比由0.372增至0.558时，拱顶最大竖向位移基本成线性增加的趋势，表明拱顶承担的荷载也随之增大，说明上覆土层虽然可以承担荷载，但同时也是荷载的来源。可见在确定埋深时，覆岩厚度对围岩的稳定有一定影响，一定岩跨比下，岩层上方的土体厚度越大，对拱顶的变形控制越不利。另外，不同拱顶覆土厚度下当隧道施工完毕后，拱顶下沉均大于地表沉降，说明随着隧道施工完毕，支护完成，拱顶处重新达到应力平衡，变形趋于稳定，但由于变形是由拱顶逐渐传递到地表，因而地表变形相对较小。

本节着重于不同覆跨比下对于隧道埋深的研究，通过2种不同的方法来改变覆跨比，一为整体提高隧道埋深，覆跨比改变同时岩跨比也在改变;二为保证岩跨比不变，增减第1层杂填土层厚度来改变覆跨比。两者侧重点不同，前者侧重于压力拱的成拱，即在施工完成后隧道上方有足够岩层厚度形成压力拱以承担荷载，据此确定隧道的合理埋深。通过数值计算得到的结论是:当隧道埋深减至7 m，覆跨比大小仅为0.326，即隧道拱顶位于粗砾砂层时隧道上方无法形成压力拱，计算无法收敛，以此方法可确定隧道埋深的下界。后者侧重于隧道上覆岩土体质量，但条件是岩跨比保持不变，这意味着隧道上方始终有足够厚度的岩层来形成压力拱，土层厚度增减意味着拱顶承担荷载也随之增减，拱顶的竖向位移会随之进行同等趋势的变化，若土层厚度过大，拱顶会因承担荷载超过限值，内力过大而破坏，据此可确定隧道埋深的上界。

4 岩跨比确定埋深的方法

4.1 计算方案设计

本研究通过将计算模型中的强风化花岗岩用黏土替代，在不改变覆跨比的情况下计算隧道拱顶上覆岩层厚度逐渐减小时的施工过程，计算进行至当一定岩层覆盖厚度下模型不满足收敛条件为止。考虑到背景工程隧道上方强风化花岗岩厚度为3 m，拱顶加固区等效厚度为0.5 m，模型的上覆岩层厚度变化过程见表3。

表3 上覆岩层厚度变化表Table 3 Variation of thickness of rock cover

本研究共计算了3个不同岩层覆盖厚度下的隧道开挖施工过程，其中当模型覆岩厚度减小至0.5 m时计算不收敛，此时岩跨比为0.023。

4.2 计算结果分析

通过减小岩跨比的模拟计算，结果显示当岩跨比减小到0.023时计算不收敛。表4列出了岩跨比为0.093，0.047 和 0.023 时的地表最大沉降量。

表4 不同岩跨比的地表最大沉降量Table 4 Maximum ground surface settlement under different rockspan ratios

图7为覆跨比不变时，改变拱顶上覆岩层厚度时地表沉降量的变化曲线图。可见当覆跨比不变，逐渐减小拱顶上覆岩层的厚度时，地表最大沉降量有增加的趋势。

从表4可见，拱顶位于强风化地层的车站岩跨比在0.140 ～0.047(拱顶覆岩3 ～1.0 m)时，地表位移基本呈线性变化，最大地表位移14～30 mm。当岩跨比继续减小至0.023(拱顶覆岩0.5 m)地表位移呈现突变，围岩失稳，结构产生破坏。

图7 不同岩跨比下地表沉降量Fig.7 Ground surface settlement under different rock-span ratios

由以上对于不同岩跨比下模型计算结果的分析可见，在确定地铁车站埋深时应在考虑覆跨比的同时考虑隧道拱顶覆岩厚度，通过分析拱顶覆盖层的岩层和土层的厚度来确定隧道在该埋深下的岩跨比。

算例表明:当拱顶穿越强风化花岗岩地层时，在覆跨比(0.465)一定的情况下，岩跨比减小到0.023时围岩在开挖过程中会破坏，施工无法完成，说明依靠单一的覆跨比并不能确保施工的安全，需要综合考虑覆跨比和岩跨比，避免采用单一指标(覆跨比)衡量埋深。

5 双指标确定埋深时的敏感性分析

本文选用了3个模型来模拟覆跨比和岩跨比对于隧道埋深的影响，结果表明:隧道施工过程中上覆岩体和土体对围岩的稳定贡献程度不同，所选背景工程上覆岩体更有利于隧道的稳定，当隧道覆跨比在0.465～0.372范围内(即隧道拱顶埋深在 10～8 m)时，隧道开挖后沉降呈线性变化，进一步减小覆跨比，施工的安全性将无法保证;模型计算不收敛时，拱顶上方覆岩厚度已小于1 m，虽然拱顶上方依然有7 m厚的土层，但此时隧道已无法稳定。表明在土岩组合地层中进行浅埋暗挖施工时，隧道顶部的岩层是确保安全施工的保证，隧道施工的安全性对上覆岩层厚度的变化更加敏感。

通过对一定岩跨比下改变上覆土层的厚度来实现对隧道上覆岩土体质量变化的模拟，计算结果表明覆盖层自重的增加不利于隧道的受力和变形控制，但基本不会对隧道的安全造成大的威胁。

不同覆岩厚度下的模型计算结果表明，即使覆跨比不变，岩跨比的变化仍然能极大影响隧道施工的安全和施工后沉降。因此，在进行埋深确定时应优先保证隧道上覆岩层厚度，在此基础上根据隧道跨度确定埋深。

综上，在青岛典型土岩组合地层中确定地铁车站埋深时，隧道的安全性对上覆岩层的厚度最为敏感，其次为覆跨比，覆盖层自重荷载影响隧道的工后变形及受力。在考虑增加隧道岩跨比以保证安全性时应考虑自重荷载的不利影响，可通过对隧道拱脚和拱顶围岩的预加固来增加围岩承载力。

6 结论与建议

本文通过采用覆跨比与岩跨比对土岩组合地层浅埋隧道进行合理埋深确定的研究，得到以下结论:

1)对土岩组合地层，采用单一的覆跨比指标难以较好的对覆盖层做出评价，应采用覆跨比、岩跨比双指标进行地铁车站的合理埋深确定。

2)在强风化－微风化花岗岩地层隧道施工过程中，上覆岩体和土体对围岩的稳定贡献程度不同，上覆岩体更有利于隧道的稳定。

3)在青岛典型土岩组合地层中确定地铁车站埋深时，隧道的安全性对上覆岩层的厚度最为敏感，其次为覆跨比，覆盖层自重荷载影响隧道的工后变形及受力。

4)确定埋深时，要综合考虑增大覆岩厚度对隧道安全性的有利影响以及附加岩土自重荷载对隧道受力和变形的不利影响。

本文以青岛地铁某车站为依托，研究结论对青岛地铁浅埋隧道埋深的确定提供了思路与方法，但今后仍需进一步结合不同施工工法、岩土体性质等因素对埋深确定进行更具体、深入、全面的研究。

［1］ 王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论［M］.合肥:安徽教育出版社.2009.(WANG Mengshu.Shallow mining underground engineering technology general theory［M］.Hefei:Anhui Education Press，2009.(in Chinese))

［2］ 孔恒.城市地铁隧道浅埋暗挖法地层预加固机理及其应用研究［D］.北京:北方交通大学土木建筑工程学院，2003.(KONG Heng.Mechanism and application of urban Metro shallow tunnelling method strata pre-reinforcement［D］.Beijing:School of Civil Engineering，Northern Jiaotong University，2003.(in Chinese))

［3］ 姚宜德，王梦恕.地铁浅埋暗挖法施工引起的地表沉降控制标准的统计分析［J］.岩石力学与工程学报，2006，25(10):2030 － 2035.(YAO Yide，WANG Mengshu.Statistic analysis of guideposts for ground settlement induced by shallow tunnel construction［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25(10):2030－2035.(in Chinese))

［4］ 王梦恕.浅埋暗挖法设计、施工问题新探［J］.地下空间，1992，12(4):289－294.(WANG Memgshu.Study on shallow mining method design and construction［J］.Chinese Journal of Underground Space，1992，12(4):289 － 294.(in Chinese))

［5］ 徐则民，黄润秋，王士天.隧道的埋深划分［J］.中国地质灾害与防治学报，2000，11(4):5－10.(XU Zemin，HUANG Runqiu，WANG Shitian.Tunnel classifying in tight of depth［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2000，11(4):5 －10.(in Chinese))

［6］ 胡学兵，乔玉英.埋深和跨度对隧道结构稳定性影响的数值模拟研究［J］.公路隧道，2005(2):5－9.(HU Xuebing， QIAO Yuying. Numerical simulation for the influence of stability of tunnel［J］.Road Tunnel，2005(2):5－9.(in Chinese))

［7］ 赵占厂，谢永利.土质隧道深浅埋界定方法研究［J］.中国工程科学，2005，7(10):84－86.(ZHAO Zhanchang，XIE Yongli.Research on demarcating method for deep tunnel and shallow tunnel in soil［J］.Engineering Science，2005，7(10):84－86.(in Chinese))

［8］ 汪成兵，朱合华.埋深对软弱隧道围岩破坏影响机制试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2010，29(12):2442 －2448.(WANG Chengbing，ZHU Hehua.Experimental study of influence mechanism of buried depth on surrounding rock failure of tunnel constructed in soft rock［J］.Chnese Journal of Rock Mechanics and Engineering.2010，29(12):2442－2448.(in Chinese))

［9］ 梁晓丹，宋宏伟，赵坚.隧道压力拱与围岩变形关系［J］.西安科技大学学报，2008，28(4):647－651.(LIANG Xiaodan，SONG Hongwei，ZHAO Jian.Analysis on relationship between arching action and displacement of rock mass around underground openings［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology，2008，28(4):647 －651.(in Chinese))

［10］ 李倩倩，张顶立，张成平，等.不同埋深下暗挖隧道施工的地层响应［J］.北京交通大学学报，2013(1):27 －33.(LI qianqian，ZHANG Dingli，ZHANG Chengping，et al.Ground response caused by undercutting subway tunnel under different overburden depths［J］.Journal of Beijing Jiaotong University，2013(1):27 － 33.(in Chinese))

［11］ 茅为中，王云龙，张念.地铁隧道覆跨比和高跨比对地表沉降的影响［J］.隧道建设，2010，30(3):242 －245.(MAO Weizhong，WANG Yunlong，ZHANG Nian.Influence of cover-span ratios and height-span ratios of Metro tunnels on ground surface settlement［J］.Tunnel Construction，2010，30(3):242－245.(in Chinese))

［12］ 李树忱，李术才，张京伟，等.数值方法确定海底隧道最小岩石覆盖厚度研究［J］.岩土工程学报，2006，28(10):1304 － 1308.(LI Shuchen，LI Shucai，ZHANG Jingwei，et a1.Study on umerical method for the minimum rock covers of subsea tunnels［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering.2006，28(10):1304 － 1308.(in Chinese))

［13］ 张先锋.对硬岩地层地铁车站结构设计的认识与思考［J］.岩石力学与工程学报，2003，22(3):476－480.(ZHANG Xianfeng.Undestanding and construction to the structure design of Metro station in hard rock stratum［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22(3):476－480.(in Chinese))

［14］ 王旭东，周生华，迟建平，等.上软下硬地层浅埋暗挖隧道覆跨比研究［J］.地下空间与工程学报，2011，7(4):700 － 705.(WANG Xudong，ZHOU Huasheng，CHI Jianping，et al.Study on shallow-buried tunnel’s thickness-span ratio in upper-soft lower-hard ground［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2011，7(4):700－705.(in Chinese))