浅埋暗挖大断面风道端墙支护优化研究

陈学龙

浅埋暗挖大断面风道端墙支护优化研究

陈学龙

以青岛地铁3号线中山公园站1号风道工程为依托，通过理论计算与数值模拟相结合的方法，对浅埋暗挖大断面风道端墙进行支护优化分析，提出了全长注浆锚杆+钢筋带的支护方案。研究表明，优化方案的端墙最大变形值减小了19.3%，塑性区主要控制在端墙后方2 m范围内，起到了良好的加固效果。

地铁；浅埋暗挖风道；端墙支护；优化分析

近年来，随着我国城市地铁建设的快速发展，浅埋暗挖大型地铁工程正受到越来越多的关注。国内外学者对该领域的研究主要集中于地铁车站的设计施工及围岩稳定性分析方面，而很少涉及与车站相连风道的支护优化研究。尤其是对于浅埋暗挖大断面风道端墙，其临空面过大，同时受到风道与主体车站施工荷载与爆破震动的影响，极易产生滑动和坍落，如果支护形式不合理或支护参数不当极易发生失稳破坏。本文以青岛市地铁3号线中山公园站1号风道工程为依托，对浅埋暗挖大断面风道端墙进行支护优化分析，以期为青岛市地铁工程后期设计与施工提供技术参考和科学依据。

1 工程概况

青岛市地铁3号线中山公园站位于八大关风景区内，地面人车流量较大，周围建筑物多为古建筑群，地表沉降控制较为严格。1号风道全长约35 m，设计为通风单层结构双层暗挖风道，采用拱顶直墙断面，中隔壁CRD法施工，复合式衬砌结构，开挖宽度13.6 m，高16.3 m。风道拱顶超前支护采用Ф42 mm L=3.5 m超前注浆小导管，环距0.4 m，排距1.0 m；初期支护采用Ф22 mm L=3.5 m砂浆锚杆，间距1.2 m×0.5 m梅花形布置，钢筋网为Ф8 mm间距200 mm×200 mm，喷射混凝土厚度为300 mm；中隔壁CRD法临时支撑采用I22工字钢，间距0.5 m；二衬采用850 mm厚C45防水钢筋混凝土。

风道上部覆层主要为第四系和全风化及强风化花岗岩，厚度为9～12 m，岩层分布不规律，裂隙发育，围岩级别为Ⅲ～Ⅴ级。地下水主要为基岩裂隙水，分布不均匀，涌水量和透水性受岩体风化程度和构造裂隙的影响。1号风道支护结构和地层情况如图1所示。

2 风道端墙支护参数计算

2.1 端墙围岩压力计算

1号风道上部围岩主要为松散的无黏性岩土体，拱顶垂直压力可以按岩柱理论进行计算，端墙水平压力采用水土分算，按朗肯主动土压力理论来计算。

结合本工程的地质参数，计算得出1号风道端墙的围岩压力分布如图2所示。

图1 1号风道支护结构及地质情况

图2 1号风道端墙围岩压力分布 （单位：kN/m）

2.2 端墙支护参数计算

1号风道端墙的临空面过大，围岩风化破碎严重，同时受到1号风道与主体车站施工爆破荷载的影响，容易发生剪切破坏失稳，因此，需要确定安全合理的锚杆支护参数。

假定砂浆锚杆对洞壁提供的支护阻力受砂浆与围岩之间的抗剪强度所控制，并且在其接触面上的剪应力分布是均匀的，则砂浆锚杆的设计长度计算公式如下：

式（1）中，La为锚杆锚固段长度；Pg为砂浆锚杆需要提供的支护阻力；k为安全系数；τg为砂浆与围岩间的粘结强度；dg为锚杆孔直径，本工程Ф22 mm砂浆锚杆的锚杆孔直径dg=42 mm。

根据GB50086-2001《锚杆喷射混凝土支护技术规范》，对于永久锚杆安全系数取k=2，τg=10 MPa；根据图2，风道端墙的最大围岩压力作用于端墙底部，即σE=186.909 kN/m，因此，砂浆锚杆至少需要提供的支护阻力Pg=186.9 kN/m。将这些参数带入公式（1）得锚杆锚固段长度：

根据T B10003-2005《铁路隧道设计规范》可知，当锚杆计算长度La=3.0 m，锚杆纵横向平均间距i=1.0 m时，锚杆的实际长度取L=3.5 m。因此，1号风道端墙采用Ф22 mm L=3.5 m全长注浆砂浆锚杆，间距1.0 m×1.0 m。

2.3 风道端墙支护优化

根据上述1号风道端墙的锚杆参数计算，结合现场施工要求与经验，对原支护方案进行优化设计。

2.3.1 原支护方案——注浆小导管+格栅钢架支护

1号风道端墙原支护形式为注浆小导管+格栅钢架支护（图3），注浆采用L=4 m Ф42 mm小导管，间距1 m×0.5 m，梅花形布置。格栅钢架采用4根Ф28 mm钢筋为1榀，每榀间距为0.5 m，格栅之间横向连接筋采用Ф22 mm间距0.3 m双侧布置。端墙内外侧设Ф8 mm间距200 mm×200 mm钢筋网，搭接长度200 mm。中间临时支撑采用I22工字钢型钢架。

图3 原支护方案：注浆小导管+格栅钢架支护（单位：mm）

2.3.2 优化方案——锚杆+钢筋带支护

优化方案如图4所示，锚杆为Ф22 mm全长注浆砂浆锚杆，长度L=3.5 m，间距1.0 mm×1.0 mm，梅花形布置；锚杆托盘规格为200 mm×200 mm×6 mm；钢筋带由Ф22 mm圆钢焊接而成，规格为180 mm×250 mm，间距0.5 m。

锚杆与钢筋带嵌合作用形成一个整体结构，当风道端墙发生变形时，该支护体系既可以在竖向锁紧各岩层，防止其发生滑动，又可以在横向产生约束(压应力)，增强端墙面的稳定性。

3 数值计算分析

3.1 计算模型

建立的计算模型长、宽、高尺寸为80 m×40 m×60 m，边界条件为上边界为自由面，四周受水平约束，底面为竖向约束。隧道围岩采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，初期支护和二次衬砌采用实体弹性模型，锚杆支护采用cable单元，钢支撑采用liner单元，超前小导管通过提高其加固区的围岩参数来等效（图5）。

图4 优化方案：锚杆+钢筋带支护（单位：mm）

图5 计算模型

3.2 计算结果分析

本节分别对上述2种不同支护方案情况下风道开挖后的风道端墙位移及端墙塑性区分布进行数值模拟分析。

3.2.1 风道端墙位移

图6给出了风道开挖后2种支护方案下的临空面水平位移分布情况，可以看出：

图6 风道端墙水平位移分布情况 （单位：m）

（1）2种支护方案的最大水平位移均出现在端墙中间部位，呈眼镜状分布。这是由于风道开挖采用3台阶中隔壁CRD法施工，断面中间设有中隔壁型钢支撑，能够限制围岩变形，且下台阶处于中风化岩，围岩稳定性较高，因此，端墙最大位移出现在中台阶两侧；

（2）优化后支护方案的变形范围小于原支护方案，临空面最大变形值由7.644 mm减小至6.171 mm，减幅为19.3%，说明优化后支护方案对端墙围岩变形的控制效果较好。

图7给出了风道端墙测线A B（见图6a）的水平位移情况，可以看出：

图7 风道端墙测线AB水平位移曲线

（1）沿风道拱顶向下，临空面水平位移分别在上台阶与中台阶中部呈现2个峰值，这是由于中隔壁CRD法钢支撑的支护作用；

（2）在下台阶水平变形保持平稳，这是由于距拱顶10 m处为强风化岩与中风化岩的分界面，中风化岩刚度较大，围岩自稳能力较好。因此，在选取支护方案时要考虑地质因素的影响，根据不同的地层条件选取相应的支护参数。

3.2.2 风道端墙塑性区分布

图8给出了风道开挖后端墙塑性区分布情况，由图8可以看出：

（1）2种支护方案的端墙塑性区都集中分布在上台阶与中台阶位置，下台阶基本没有进入塑性状态，说明下台阶处于中风化岩中，岩体力学性质明显改善，抗剪强度显著提高；

（2）采用原支护方案时，端墙后方大约2 m范围处于塑性剪切状态，中台阶中间区域塑性区发展至4 m范围，可能会影响到注浆小导管的锚固效果；

（3）采用优化支护方案时，端墙围岩塑性区明显减小，塑性区主要集中在2 m范围内，可见采用L=3.5 m全长注浆砂浆锚杆能够满足安全要求。

4 结论

根据现场施工要求和地质情况，本工程1号风道端墙采用了优化支护方案，即锚杆+钢筋带支护体系，该方案主要有以下优点：

图8 风道端墙塑性区分布情况

（1）原支护方案中的格栅钢架只是被动地承受围岩压力和防止破碎岩石坍落，而优化方案中的锚杆支护则是通过锚入围岩内部，改变围岩本身的力学状态，形成一个整体稳定的加固圈，发挥锚杆与围岩的共同作用；

（2）1号风道端墙处岩层近似为垂直走向，打入锚杆后恰好可以发挥其组合梁作用。通过锚杆将各层岩体锚固成组合梁，使岩层间的摩擦阻力明显增大，从而防止端墙发生滑动破坏；

（3）采用全长注浆砂浆锚杆加固端墙，可以充分发挥锚杆的胶结作用，使端墙后方强风化岩体形成整体，防止端墙滑动面的产生；

（4）工程实践表明，优化后支护方案施工便捷，减轻了劳动力强度，有利于机械化操作，提高了施工速度，同时可以节省支护费用，取得了良好的经济效果。

（5）现场实际监测表明，1号风道端墙水平位移较小，最大变形量出现在中台阶中部，其值为6.6 mm，与数值计算结果基本一致；钢筋带基本无变形，端墙围岩未出现开裂或滑移现象，拱部全、强风化花岗岩胶结良好形成整体，达到了预期的支护效果；采用优化支护方案，加快了施工速度，节约了支护成本。

[1] 刘涛，张瑾，闫楠. 岩石地区浅埋暗挖地铁车站支护结构设计初步研究[J]. 岩土工程学报，2010 (增2).

[2] 王渭明，王丹，秦志斌，等. 碎裂岩体浅埋大跨车站拱盖法临时支撑拆除稳定性分析[J]. 煤炭技术，2015 (3).

[3] 陈林杰，梁波，王国喜. 浅埋暗挖超大断面地铁车站隧道开挖方法研究[J]. 地下空间与工程学报，2013 (4).

[4] 曾庆元. 超大断面浅埋暗挖地铁车站施工技术研究[D]. 陕西西安: 西安科技大学，2014.

[5] GB50086-2001 锚杆喷射混凝土支护技术规范 [S]. 2001.

[6] TB10003-2005 铁路隧道设计规范[S]. 2005.

责任编辑 朱开明

Study on Support Optimization for End Wall of Large Profi le Duct of Shallow Depth Excavation

Chen Xuelong

Taking the Zhongshan Park duct 1 works on Qingdao Metro Line 3 as an example, the paper uses the method of theoretical calculation and numerical simulation, and optimizes the analysis of the support structure of the large section duct. The results show that the maximum deformation value of the end wall is reduced by 19.3% by using the optimized option, and the plastic zone is mainly controlled by the end wall in the 2 m range, which has a good effect.

metro, shallow buried tunnel, end wall support, optimization analysis

U455

2015-06-29

陈学龙： 中铁十七局集团第一工程有限公司，工程师，山西太原 030032