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
　　
　　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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　　[5]施仲衡．地下铁道设计与施工[M]．西安：陕西科学技术出版社，2006．

《岩质地区暗挖地铁车站施工过程地面沉降分析》

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