行业要闻

 

摘 要:青岛地铁车站均为土、岩组合地层，车站大部分在风化程度不同的岩层中，因此研究土岩组合地层中暗挖法车站的合理埋深及结构参数有一定意义。以青岛地铁五四广场站为例，采用数值模拟方法，利用有限元软件 Abaqus，结合强度折减法和结构安全系数方法，探讨暗挖车站稳定性的影响因素。通过对车站埋深、衬砌强度及应力释放率正交设计优化模拟，得出埋深影响车站围岩结构的稳定性最大，其次是衬砌强度和应力释放率。通过分析，对结构及施工参数进行了优化，优化方案的车站围岩安全系数为 1． 69，结构安全系数有足够的余度。

关键词: 强度折减; Abaqus; 正交设计; 应力释放率; 安全系数

 

      青岛地质条件为上软下硬的土岩组合地层，地铁车站基本都位于第四系土层中，下伏基岩为花岗岩，这与国内大部分城市地铁所处的地质条件大不相同，像地铁发展比较早的北京、上海、广州等地，整个地质环境基本处于沉积岩土层中，下伏基岩大部分为粉质粘土等，因此在地铁车站开挖过程中，土岩组合地层围岩稳定性的变化有自己的特殊性。

      刘燕等^{［1 ～3］}研究了软弱围岩条件下上海地铁开挖，围岩的变化规律以及对原有建筑物的影响，并提出了‘近接度’的概念; 孙辉^{［4 ～9］}等研究了在特殊围岩( 如: 黄土层、富水砂卵层等) 下，地铁隧道等相关地下结构开挖围岩的变化机理及相关影响因素。

      选择青岛地铁五四广场站作为分析对象，五四广场站有着丰富的地质多样性^［10］，如人工填土，粉质粘土，粗砾砂，含砂粘性土，强风化、中风化、微风化花岗岩，强风化、中风化、微风化煌斑岩等，车站东侧土层较厚，赋水性较好，同时赋存第四系松散岩类孔隙水、块状基岩裂隙水。车站初期设计为浅埋暗挖法施工设计，由于其埋深达 30 多米，不利于后期的维护与运营，而改为盖挖逆作法施工。通过对五四广场站浅埋暗挖法施工进行优化模拟来研究土岩组合地层下车站围岩的稳定性变化，寻找更适合五四广场车站的浅埋暗挖设计方案，结合强度折减法及衬砌结构安全系数，给出浅埋暗挖法施工围岩的安全系数，更好、更直观的反映五四广场车站围岩的安全储备强度。

 

      暗挖 法 优 化 模 拟 利 用 有 限 元 分 析 软 件Abaqus，采用摩尔-库仑强度准则。地下工程环境具有复杂性及不确定性，为了尽可能的给出在考虑各种情况下的围岩稳定的定量分析，因此在优化模拟过程中，利用强度折减法^［11］来对围岩进行稳定性评价，用安全系数直观的来表征围岩的稳定程度。

      模型计算截面为地铁段 K6 + 939 处，各个岩土层假定为均质、可变形、各向同性的岩土体，研究其在开挖过程中的平面应变。计算区域为开挖结构 3 倍，确定最终计算模型为宽度 ( X 方向)81． 75 m，深度( Y 方向) 70． 92 m。如图 1。

      模型中地质分层是根据 K6 +939 处及附近钻孔地质勘察资料，简化而来，将实际地层简化为计算模型中的六种地层: 人工填土( 3 m) 、粉质粘土( 5 m) 、含砾砂的粉质粘土( 2 m) 、强风化花岗岩( 18 m) 、中风化花岗岩( 2 m) 、微风化花岗岩( 40． 92 m)。

      在模拟过程中，衬砌混凝土采用 C35 混凝土。模型荷载，除了重力作用外，根据规范，将其他外部荷载等效为 20 kPa 的均布荷载。

      在模型模拟及分析过程中，所需相关物理力学参数如表 1。

      在浅埋暗挖法的数值模拟过程中，衬砌作为弹性体来考虑，不考虑衬砌进入塑性状态后的变化。采用等效的处理方法，考虑钢筋配比对衬砌的影响。

      式( 1) 为弹模的等效公式。

      式( 2) 为容重的等效公式。在公式中角标 e、s、c 分别代表等效后、构件中钢筋、构件中混凝土;η_A代表构件中钢筋截面积与构件中混凝土截面积的比; E 为弹性模量; D 为容重。

      地表沉降是衡量围岩稳定的直观指标之一，沉降量的大小可以直接反映围岩的稳定情况。部分方案( 方案 8) 的地表沉降分布如图 2。

      图 2 为优化模拟方案中部分方案( 方案 8) 的沉降变形图。从图中可以看出: 在三号线车站结构底部与顶部位移相对较大，是影响结构安全的可能破坏部位; 从地表沉降来看，开挖卸荷过程中，由于结构的阻碍作用，导致结构的顶部地表与结构一定范围外地表有较大沉降，二号线结构顶部沉降较小。

      各优化方案地表沉降结果如表 3。

      表 3 既给出了以有限元收敛为准则时的安全系数，也给出了控制地表沉降不超过 30 mm 时围岩的安全系数。从表中模拟结果来看，结构顶部的沉降小于地表一定距离外的沉降，大约在 10 mm左右，并且方案 4、8、10、13 的地表沉降量及安全系数与其他方案相比，有明显的变化。

      为了研究结构附近的沉降规律，对车站结构上部地表沉降结果进行极差分析，对地表沉降的影响最大的是埋深，其次是衬砌强度，影响最小的是应力释放率。

      优化模拟过程中，部分方案( 方案 9) 的塑性应变分布图如图 3。从图中可以看出围岩塑性应变主要集中在结构的侧帮、顶部、部分拐角等部位，有可能出现冒落、片帮、底鼓等现象。而在立柱上的塑性应变分布，则有可能引起立柱的剪破坏。

      通过对分析结果比较，在方案 4、8、10、13 中塑性应变相对较小，在 0． 007 左右; 其他方案最大值相差不大，在 0． 035 左右。通过对塑性应变进行极差分析，影响最大的依然是埋深。

      围岩的最大主应力分布，也能给出围岩受力破坏的可能趋势，是判断围岩稳定性的重要指标。部分方案围岩( 方案 9) 最大主应力分布如图 4。

      从图 3 中可以看出，围岩的最大主应力主要出现在侧帮、拱顶、结构底部等主要危险部位; 在个别拐角出现较大值的主应力，更多的是由于模型本身造成的应力集中，而在实际施工过程中，会做出相应的预防措施。

      表 4 给出了各方案围岩的最大主应力，同样方案 4、8、10、13 衬砌的最大主应力相对比较接近，约为 0． 24 MPa; 而其他方案都在 5 MPa。

      极差分析结果依然表明对结构稳定安全影响最大的依然是埋深。