（岩土工程专业论文）青岛地铁暗挖车站合理埋深研究.pdf

国内图书分类号：工堕鱼2 】 国际图书分类号： 硕士学位论文 舢川删j f f f | f i j 洲舢l y 18 0 2 9 6 8 青岛地铁暗挖车站合理埋深研究 青岛地铁科研课题项目( s d s l t c 一0 1 9 8 7 1 0 ) 硕士研究生： 导师姓名： 申请学位级别： 学科、专业： 所在单位： 答辩日期： 学位授予单位： e r i n g s t u d yo nr e a s o n a b l ec o v e r d e p t ho fs h a l l o wco v e r e d m e t r os t a t i o ni nq i n g d a o s u b w a ys c i e n t i f i cr e s e a r c hpr ) j e c to fq i n g d a o c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： y a n n a n p r o f e s s o r w a n gx u c h u n p r o f e s s o rl i u1 、a o a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l 毋： g e o t e c l l i l i c a le n g i n e e r i n g d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： j u n e2 0lo u n i v e r s i 锣：q i n g d a ot e c h n o l o g i c a lu n i v e r s i t y 硕士学位论文 青岛地铁暗挖车站合理埋深研究 学位论文答辩日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： m 刁 | 彳 夕 纠傅 i i i 第1 章绪论1 1 1 研究背景、目的及意义1 1 1 1 研究背景l 1 1 2 研究目的2 1 1 3 研究意义。2 1 2 国内外研究动态3 1 2 1 城市地铁研究动态3 1 2 2 浅埋暗挖法的研究动态5 1 3 研究内容及创新点9 第2 章浅埋暗挖车站埋深及工法理论基础1o 2 1 浅埋地下工程围岩分级及浅埋界定方法1 0 2 1 1 围岩分级1 0 2 1 2 浅埋的界定1 3 2 2 浅埋暗挖车站支护结构设计理论_ 1 5 2 2 1 支护结构设计方法及程序l5 2 2 2 计算模型16 2 2 3 地铁站断面结构型式比选1 8 2 3 主要施工工法及其特点2 3 2 4 地铁站断面衬砌设计2 5 2 4 1 初期支护2 5 2 4 2 二次衬砌设计2 6 2 4 3 复合式衬砌的合理性2 7 2 5 预留变形量2 8 2 6 工程预支护2 8 2 7 本章小结3 2 第3 章合理埋深范围的初步确定。3 3 3 1 青岛地铁概况3 3 3 1 1 青岛市地质条件概述3 3 3 1 2 青岛地铁m 3 号线概况3 4 3 2 工程区地质环境特征3 4 3 2 1 所选地铁站实例概况3 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 3 2 2 工程地质条件3 5 3 2 3 车站开挖方式及结构型式3 7 3 3 岩体工程地质性质及围岩失稳特征3 8 3 3 1 岩体工程地质性质3 8 3 3 2 岩体质量综合分析4 0 3 3 3 围岩失稳特征及人防工程埋深界线统计分析4 2 3 4 地铁车站及区间隧道埋置深度确定准则及建议值4 5 3 4 1 从工程地质角度确定埋深的指导思想4 5 3 4 2 埋置深度的确定准则4 6 3 4 - 3 车站埋置深度的确定4 6 3 5 本章小结4 7 第4 章不同埋深及施工工法下围岩稳定性分析4 8 4 1 车站洞室结构型式4 8 4 2 计算方法4 8 4 2 1 岩体材料力学模型4 8 4 2 2 计算范围与边界条件4 9 4 2 3 支护系统处理4 9 4 3 有限元分析4 9 4 3 1 有限元分析软件5 0 4 3 2 计算模型简介5 0 4 3 3 台阶法5 l 4 3 4 交叉中隔墙法5 3 4 3 4 双侧壁导坑法5 6 4 3 6 综合结果分析5 9 4 4 针对地层条件减小埋深的工程措施6 1 4 5 本章小结6 2 第5 章结论与建议6 3 参考文献6 5 攻读硕士学位期间所发表的学术论文6 9 致谢7 0 1 1 青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 地铁站是修建在岩土介质中的大跨度建筑，要求从结构选型、埋置条件、荷 载组合等诸多方面进行多方案的分析和比较，选择最佳方案，从而组成一个合理 的岩土结构体系。对于暗挖车站来说，是本着在合理支护条件下，遵循能够最大 地调动和发挥围岩自承能力的原则进行设计施工的。 本文依托“青岛地铁浅埋暗挖车站型式及工法研究”课题，以青岛地铁一期 工程m 3 号线某暗挖车站为载体，通过对青岛地质、水文、围岩等情况的调研，结 合青岛“上软下硬 的地质特点，在参考研究青岛地下人防工程的基础上，利用 a b a q u s 有限元分析软件对所研究车站进行了数值模拟，进而确定了青岛地区地 铁站合理埋深，具有重要的理论和现实意义。主要研究内容如下： ( 1 ) 对国内外典型的暗挖车站实践经验进行了分析研究；从浅埋暗挖地下工程 支护结构设计理论基础、断面衬砌的设计、开挖工法的特点等方面总结了影响浅 埋暗挖地铁车站埋深的基本要素。 ( 2 ) 通过大量的理论研究及现场实践调查，以青岛地铁一期工程m 3 线某暗挖 车站为例，综合分析了工程区所处的地质环境特征；采用岩体力学的理论和方法， 对工程岩体的结构特征、物理力学性状、岩体质量以及围岩失稳特征进行了系统 的理论分析，参考青岛市地下人防工程建设的相关参数，利用工程类比法确定了 所研究车站的埋深范围。 ( 3 ) 利用a b a q u s 有限元分析软件，针对所选地铁站的不同埋深和施工工法 进行了数值模拟计算，并依据模拟结果，研究分析了在不同条件下的围岩应力和 变形，最终确定了该地铁站的合理埋深。 ( 4 ) 根据所确定的车站的地质条件和不同开挖方案，提出了相应的辅助工法和 预支护方案。数值模拟计算结果表明，采用的初期支护参数合理、可靠，满足施 工期间荷载及变形控制要求。 稳定 关键词：地铁车站；浅埋暗挖法；合理埋深；围岩稳定性；数值模拟；围岩 b e s ts y s t 锄o fg e o t e c h n i c a ls t m c t l l r e t h ed e s i 印a n d m e t r os t a t i o nb a s i st or e a s o n a b l es u p p o r t ，a n df o l l o w l a r g e s tm o b i l i z a t i o n 柚ds e l f s u p p o r t i n ga b i l i t yo f r o c k c o n s t m c t i o no fs h a u o wc o v e r e d t ot h ep r i n c i p l e so fp l a y i n gt h e t l l i sa i t i c l er e l i e so n “s t u d yo nt y p ea j l dc o n s t m c t i o nm e t h o do fq i n 酣a os h a l l o w c o v e r e dm e t r os t a t i o n ”，a n ds u b j e c tt oam i n i n gs t a t i o no fq i n g d a os u b w a yp r o j e c tm 3 l i n e b yt h er e s e a r c ho fq i n g d a og e o l o g y ，h y d r o l o g y ，r o c k ，e t c ，锄p h a s i z i n g “u n d e rt h e s o r h a r d g e 0 1 0 酉c a l f e a t i l l e s ，a n dr e f e r e n c i n go fu n d e r g r o u n dc i v i l a i rd e f e n s e p r o j e c t s ，t 1 1 i sa i t i c l eu s i n ga b a q u s f i n i t ee l 锄e n ta n a l y s i ss o r w a r eo nt h er e s e a r c h s t a t i o nw a ss i m u l a t e d ，a i l dt h e ns e tar e a s o n a b l ed 印t ho fq i n 酣a os u b w a ys t a t i o n s i t h a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i 印i f i c a n c e m a i nc o n t e n t i n c l u d e st h e f o l l o w i n g ： ( 1 ) a n a l y z eo nt h et y p i c a ld o m e s t i ca i l df o r e i 铲e x p 甜e n c ei ns h a l l o wc o v e r e d m e t r os t a t i o n ：s u m m a r i z e st h eb a s i ce l e m e n t so fm i n i n gs u b w a ys t a t i o nd e p t hf r o m s h a l l o wu n d e 印吼ds u p p o n i n gs t m c t u r ed e s i 弘t h e o s e c t i o n l i n i n gd e s i 伊， e x c a v a t i o nc o n s t n l c t i o nm e t h o d s ( 2 ) t h r o u g hal a i 苫en u m b e ro ft h e o r e t i c a ls t l l d ya n df i e l dp r a c t i c es u r v e yt o a m i n i n gs t a t i o no fq i n g d a o m e t r op r o j e c tm 3l i n e ，m i sa r t i c l ea j l a l y s i z eo ft h eg e o l o 西c a l e n v i r o n m e n to ft h ep r o j e c ta r c as y n t h e t i c a l l y ；u s i n gr o c km e c h a n i c st h e o 叫a n dm e t h o d s t oa i l a l v s i ss t m c t u r a lf e a t u r e so fm c km a s s ，p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r 叩e n i e sa n dr o c k m a s sq u a l i t y 锄dr o c kf a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c sb yt h en 啪b e r s ，i tr e f e r st oc o n s t m c t i o n r e l a t e dp a r 锄e t e r so fq i n g d a oc i t yu n d e r 伊o u n dc i v i la i rd e f e n s ep r o j e c t sa n du s i n g e n 西n e 嘶n ga n a l o g ) ，t od e t 咖i n em ed 印t hr a n g e o fm es t a t i o n 叽d e rs t u d y ( 3 ) u s i n ga b a q u sf i n i t ee l e m e n t 锄a l y s i ss o r w a r ea i ma tt h ed i f f 酹e 1 1 td 印t h s a n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d st om a l ( en u r n 甜c a ls i m u l a t i o n ，a n db a s i n go n s i m u l a t i o nr e s u l t s ，a i l a l y s i n go ft h er o c ku n d e rd i f l 研e i l tc o n d i t i o n s o fs 仃e s sa i l d d e f o n n a t i o nt od e t e m l i n et h es u b w a ys t a t i o nr e a s o n a b l ed 印t hu l t i m a t e l y ( 4 ) a c c o r d i n gt 0m es t a t i o ni d 朗t i 6 e dg e o l o 百c a l c o n d i t i o n sa i l dm ed i 脓e n t e x c a v a t i o np r 0 伊锄s ，t h ec o n s t r u c t i o nm e t h o da n dm ec o n e s p o n d i n gp r e 。s u p p o r t p r o 黟锄i sp r o p o s e d n u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt l l ei n i t i a ls u p p o r t i i s h a l l o w e m b e d d i n g d e e p e x c a v a t i n g t e c h n o l o g y ； r e a s o n a b l e d 印m ； n u m 甜c a l s i m u l a t i o n ；r o c ks t a b i l i t y i i i 青岛理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景、目的及意义 1 1 1 研究背景 1 8 6 3 年英国伦敦建成了世界上第一条地铁，自此以后经过一个多世纪，世界 上已有1 0 0 余座城市地铁建成通车，总罩程约达5 0 0 0 多公里，预示着城市交通经 过步行马车时代、有轨电车时代和汽车时代，进入了综合交通时代。随着经济的 不断发展和城市建设规模的日益扩大，城市交通压力明显增大，交通堵塞问题制 约着城市经济的发展。而城市地铁具有运载能力强、运行速度快、环境污染少、 安全准时等优点，是解决城市交通瓶颈问题的强有力手段。在美国、欧洲、日本 等发达国家的各大城市，地铁已经成为市民出行的主要交通工具。据统计，日本 的东京居住圈，每天有9 0 以上的交通量有赖于1 2 条地铁线和2 0 条地面轻轨【嵋】。 我国自改革开放以来，特别是近几年国内的大中城市发展迅速，城区范围不 断扩大、行车流量激增、城市交通承受能力趋于饱和。目前，我国人口达到5 0 1 0 0 万的大中型城市4 4 座，1 0 0 万以上人口的大型城市3 5 座。根据发达国家的经 验，要使大型城市居民出行时间控制在4 0 分钟之内，中等城市的为3 0 分钟之内， 必须使快速轨道交通承担5 0 8 0 。由此可见，城市轨道交通是解决城市交通 问题和实现现代化城市交通可持续发展最有效的途径之一。此外，从节约土地方 面来分析，全国每年耕地减少量多达5 0 0 6 0 0 万亩，1 9 8 0 1 9 9 4 年，人均耕地已 从原来的1 2 亩降到1 1 9 亩。对于中国这样一个人口大国来讲，这直接关系到人 民的生存问题。由此也可以看出，现代化城市交通不应以占用土地，特别是耕地， 为基础的规模扩大化，而更应该着眼于对城市现有用地的节约利用和挖潜上【3 刁】。 地铁的优势显而易见，但同时也存在着两个主要的制约因素。其一，资金问 题。地铁建设需要大量的资金投入，建成后仍需要庞大的运营及围护费用。其二， 地质条件。城市的地质状况直接制约着地铁的修建，对于一个城市是否适宜修建 地铁，需要严谨的科学论证【s 9 j 。 我国处于社会主义初级阶段，经济实力有限，对于高成本的地铁建设，在进 行地铁设计及选择施工方法时，在保证安全的前提下，首先要考虑的就是经济因 青岛理工大学工学硕士学位论文 素。从这个角度出发，地铁施工宜采用明挖法，但对道路交通和社会环境影响很 大，一般适合在人口流动少、交通压力小、管线较少的地方应用。虽然盾构法在 很大程度上解决了这部分难题，但其灵活性较差，此外昂贵的盾构机械也大大提 高工程造价。随着我国工程建设法规、法制的不断完善和对环境保护意识的不断 提高，为克服城市地下铁道建设中埋深条件和周边环境等客观限制条件，在建筑 物密集、车流量大的繁华地段和特殊地段普遍采用暗挖法施工。而浅埋暗挖法就 是一种适合各种不同断面、造价偏低、灵活多变的施工方法，该方法符合现阶段 中国国情，值得推广【l o - 1 2 1 。 早在1 9 8 7 年，青岛市就开始了城市地铁交通线网的规划和可行性研究，在新 的世纪，青岛市正在向着更美好的明天不断前进，这也要求城市交通有更快更好 的发展，这将直接影响着青岛市未来的发展建设。鉴于此，近年来青岛市一直在 轨道交通建设方面的前期研究方面不断努力，并取得阶段性成果。1 9 8 9 年青岛市 结合当时的城市发展情况规划了“两线一环”约4 8k m 的初期线网，1 9 9 1 年青岛 地铁一期工程通过国家计委批准并立项，青岛成为第一批获得国家批准轨道交通 项目的八个城市之一。1 9 9 4 年随着城市总体规划的调整，青岛市区综合交通规划 对地铁线网规划进行了修正，形成了四线一环的构架，总规模约9 6k m ，并于1 9 9 4 1 9 9 9 年进行了1 4k m 的地铁试验段建设。 1 1 2 研究目的 本文旨在大量的理论研究和实践调查的基础上，广泛运用地下工程、岩石力 学、计算机科学、信息技术等学科理论，结合青岛市实际情况，并与国内外各类 似工程进行类比分析，本着安全性、实用性、灵活性的原则，对应不同工法的施 工步序和使用功能，寻求浅埋暗挖车站的合理埋深、结构型式、合理的工法及支 护措施，为浅埋暗挖技术在青岛地铁建设中能够进一步节省工期，确保工程安全， 保障人民的生命财产不受损失，正常的生活秩序不受干扰等提供可行性建议，最 终获得良好的经济效益、社会效益和环境效益。 1 1 3 研究意义 本文的研究具有重要的理论和现实意义。文章以青岛地铁一期工程m 3 号线的 暗挖车站为研究对象，其特殊性主要表现在：青岛具有“上软下硬 地层条件， 2 即：表覆土层厚5 8m ，强风化岩层厚8 1 3m ，中风化岩层顶面埋深约1 3 2 0m ， 这种地层条件下车站若完全设置于中风化岩层中，则埋深太深，出入口提升高度 2 l 2 8 米，非常不利于长期使用，需要对暗挖车站的合理埋深进行研究；这种地 层条件下的暗挖车站若要减小埋深，拱部必然埋藏于强风化岩层甚或土层中，下 部可能位于中微风化岩层中。这种地层中的浅埋或超浅埋大断面暗挖工程在国 内外都少见，施工难度和风险较大，需要对工法和断面型式进行深入的研究。目 前国内大部分暗挖地铁车站均为第四系土层中、非爆破开挖，无本工程类似经验。 本文结合地下工程、岩石力学、计算机科学、信息技术等多个学科，对国内外典 型的暗挖车站进行分析，旨在结合青岛市当前的城市交通状况和社会经济发展战 略目标进行分析，找到科学合理的施工工法，在安全、环保、经济的前提下，减 小暗挖车站埋深，便于乘客使用，实现城市总体规划的需要，节约能源和改善城 市环境质量，降低运营成本和建设成本。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 城市地铁研究动态 早在人类文明发展的早期阶段，人们就开始利用地下空间栖身，一直发展到 现在，地下空间已不仅仅能够遮风避雨，还服务于交通、防御等各种方面。瑞典 建筑师阿斯普伦德在1 9 8 3 年出版了双层城堡一书，提出将地面有噪音、污染 的交通系统转移地下，恢复地面“人与自然相和谐的局面”【4 1 。1 8 6 3 年英国伦敦 建成了世界上第一条地下铁路，一直到今天，地铁建设已有1 3 6 年的历史了。回 顾历史，城市地铁的发展大致经历了如下几个阶段【1 3 _ 1 7 】： ( 1 ) 1 8 6 3 年1 9 2 4 年初期阶段 自英国伦敦第一条地铁建成，线路全长约为6 4k m 。随后，在1 8 9 6 年匈牙利 的布达佩斯建成了欧洲第二条地铁。由此可见，欧美国家城市发展较快，有1 3 个 城市先后建成地铁。 ( 2 ) 1 9 2 4 年1 9 4 9 年停滞阶段 在这个阶段，由于工业大革命的影响，汽车工业迅速发展，汽车成为主流交 通工具，与此相比，修建地铁的投入大、周期长，致使地铁发展停滞，只有5 个 城市发展了城市地铁。 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 1 9 4 9 年1 9 6 9 年再发展阶段 由于汽车引起的城市交通堵塞同益严重，空气和噪声污染等问题恶化，地铁 再次被重视，并且由欧美国家扩展到了同本、中国、韩国、巴西等国家，多达1 7 个城市拥有了地铁。 ( 4 ) 1 9 7 0 年至今高速建设阶段 在这一时期，城市人口剧增，社会转向都市化发展阶段，许多国家包括发展 中国家也因此确立了优先发展地铁计划，从此，地铁交通逐渐成为城区居民出行 的主流交通工具。 在我国，地铁建设已经历了4 0 多年，主要包括以下几个发展阶段【1 8 2 2 】： ( 1 ) 起步阶段 2 0 世纪5 0 年代，我国开始进行地铁建设的筹划工作。至1 9 6 9 年l o 月北京建 成了我国第一条地铁4 0 1 线，并于1 9 7 1 年投入运营，正式结束了中国内地无城市 地铁的历史。随后，于1 9 8 4 年1 2 月天津第一条地铁线开通运营。见表1 1 。 表1 1 我国部分城市的第一条地铁建设时间及里程 北京天津上海广州南京 建设时间 1 9 6 3 1 9 7 1 年1 9 8 3 1 9 8 4 年 1 9 9 0 1 9 9 5 年1 9 9 3 1 9 9 9 年 2 0 0 0 2 0 0 5 年 里稃( k m ) 2 2 1 77 42 l1 8 4 72 1 7 ( 2 ) 发展阶段 2 0 世纪8 0 年代木至9 0 年代初，由于我国城市规模的迅速扩大，城市交通问 题日趋严峻，特别是北京、上海、广州等特大城市问题更是突出，在这样的发展 背景之下，以北京地铁“复一八线”及一期工程改造、广州地铁1 号线等项目为 标志，我国内地开始了以解决城市交通问题为目的的地铁项目建设。此外，台湾 台北市也在这个阶段于1 9 9 7 年3 月实现了第一条地铁线路的通车。 ( 3 ) 进入高潮阶段 随着城市建设的不断发展，又一批城市包括沈阳、天津、南京、重庆、武汉、 青岛等城市先后开始计划建设地铁项目，并开始进行前期的可行性研究。 ( 4 ) 调整阶段 因为各城市申请修建的地铁项目迅速增多，而我国的地铁建设项目工程造价 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 比较高，在这个阶段，国务院在这个阶段曾暂停对地铁项目的审批，并要求做好 整体规划工作，此后在城市轨道交通国产化政策出台后，城市地铁建设项目重新 开始启动。 ( 5 ) 高潮阶段 自1 9 9 9 年，深圳、上海、广州等1 0 个城市的轨道交通项目通过审批，并开 工建设。地铁以其明显的优势，在全国各大城市大兴建设起来，并为城市居民提 供了前所未有的便利条件，中国地铁以3 0 年所未有的速度，迅速发展起来。 1 2 2 浅埋暗挖法的研究动态 随着城市建设规模的不断扩大，地面交通运输量越来越大，交通系统环环相 扣，每一个“脱节都直接影响这居民的生活，甚至城市的经济。此外，随着社 会的发展，人们的环保意识不断加强，要求城市地铁工程进一步减小对城市环境 的影响。地下工程暗挖法逐渐代替明挖法，成为我国城市地下工程广泛采用的施 工方法。地下工程常用的施工方法比较见表1 2 。 表1 2 三种旌工方法对比表 指标明( 盖) 挖法盾构法暗挖法 地质各种地层均可各种地层均可有水地层需作特殊处理 场所占用街道路面较人占用街道路面较小不一l 街道路面 断面变化适用不同断面不行适川不同断面 深度 浅埋 需要一定深度 需要一定深度可比盾构浅 防水较易较难有一定难度 地面下沉小较小较小 交通障碍影响很大竖井影响大不影响 地下管道需拆迁和防护不需拆迁、防护不需拆迁、防护 震动噪音 大小 小 地面拆迁大较大小 水处理降水、疏干堵、降结合堵、降或堵排结合 受拆迁干扰大，前期工程复杂，开j i ：快， 进度 总l ：期较快总t 期一般 总j ：期一般偏慢 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 0 世纪8 0 年代中期，我国在修建大秦线军都山铁路双线隧道【2 3 】工程设计施工 过程中，为了减少拆迁的村庄，在含水黄土软弱地层中进行了浅埋暗挖技术的实 验，并获得重大突破。在这个工程的基础上，1 9 8 6 1 9 8 7 年，王梦恕院士【2 4 捌】等 专家将北京地区的地质和水文情况进行了对比，大胆提出可以将大瑶山和军都山 的施工技术和原理运用到地铁工程的建设中，并在北京市地铁复兴门折返线工程 中正式采用，使这项由于长安街不能进行明挖施工的重大工程，在不拆迁、不扰 民的前提下，快速完工。也是因为这份执着，以事实有力地扭转了早在2 0 世纪5 0 年代，苏联专家“北京地铁只能明挖，不能暗挖”【2 4 】的结论。 新奥法是新奥地利隧道施工方法的简称，原文是n e wa u s t r i a nt u r u l e l i n g m e t h o d ，简写为n a t m 。它是奥地利专家拉布西维兹( l v r a b c e w i z ) 教授等【2 8 】 通过总结隧道施工时间经验，从岩石力学理论观点出发，以维护和利用围岩的自 稳能力为基点，将锚杆支护和混凝土结合共同发挥作用为主要支护手段，并以及 时支护控制围岩变形，使围岩本身成为支护的一部分，形成锚杆、混凝土、洞室 围岩“三位一体”的承载结构，以此来共同承担围岩压力的隧道施工方法。其特 点主要体现在把围岩视为连续介质，以粘弹、塑性理论为指导，根据岩体开挖后 岩体从变形到破坏存在一定的时间效应，及时地利用柔性、薄壁的喷锚支护结构 尽量保护围岩自身的天然承载力；在对围岩的开挖工程中，通过各种量测手段， 对开挖后的隧道进行实时动态监测，并以此作为隧道支护结构的设计与施工的指 导，充分考虑围岩开挖的空间效应。新奥法的这些特点集中体现在支护结构种类、 衬砌时间、围岩压力和围岩变形四者的关系上，也同时表现在不断修j 下的设计和 施工过程中。由此可见，新奥法充分应用了岩体的动态性质，比传统的隧道丌挖 技术更具科学性。新奥法的适用范围较广，从铁路隧道、城市地铁到矿山巷道， 从埋深只有几米的浅埋隧道到深达千米的深埋隧道，从山岭到城市，从硬岩到软 弱砂土地层都能施工，因此被地下工程所广泛采用【2 9 3 7 1 。见表1 3 。 浅埋暗挖法技术沿用了新奥法的基本原理，是我国专家在借鉴国外相关经验 和我国山岭隧道新奥法施工的基础上，从中国国情与水文地质条件出发，由王梦 恕院士等多位专家主持创造的地下工程施工技术。它是以加固和处理软弱地层为 前提，包括小导管超前支护技术、大管棚支护等预支护技术，充分利用围岩在开 挖过程中的自稳能力，加以适当的支护措施，应用信息化量测反馈，从而保证施 工安全；其一般采用“先刚后柔”的复合衬砌形式，达到初期支护主要承担基本 6 表1 3 国外地下工程采用新奥法施工实例 国家德国德国 日本 法国日本奥地利 t 程 法兰克福 慕尼黑地成田机场高里尔地铁l 号北陆高速公维也纳地铁 名称地铁2 5 号铁9 号区段速铁路隧道线4 号t 区路泊隧道u 6 l 工区 年代 1 9 6 9 1 9 7 l1 9 7 5 1 9 7 81 9 8 1 1 9 8 31 9 8 51 9 7 5 1 9 7 81 9 7 5 1 9 7 8 第三纪流沙 水文 粘土层、石 第三纪沙 层、粘土层 地质 灰岩和含 层和泥灰 沉积沙七，含粘士、白垩土、冲、洪积粘和沙、卵石 水沙层，无 岩，遇水时 地卜水沙等士层，地卜水 条件 其塑性和 水面位于隧道 粘土一致 拱顶附近 埋深 1 l 1 3 m8 2 6 m8 1 5 m 约1 5m 5 1 5 m8 2 0 m i 地质调查及环境调查 i l 工程支护设计 1 l l 底层预加固预支护 l i 隧道土方开挖 l i 初期支护钢供锚喷混凝土 l i 监控测量 工 l 稳定安全判别 工 i 防水层施工 | r i 二次衬砌灌注混凝土 l i 结柬 图1 1 浅埋暗挖施工工艺流程 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 浅埋暗挖法大多用于构建于第四纪软弱地层的地下工程，由于围岩的自稳能 力不强，为了控制地面沉降量，必须采用大刚度的初期支护。如图1 2 。围岩曲线 与支护刚度曲线相较于稳定点b ，其应尽量靠近a ，即使支护所承担的荷载尽量大， 以此减小围岩承受的荷载，进一步增大荷载的安全储备量【2 3 】【3 8 删。目前，我国已 经在广泛地采用这种施工方法，它曾被称为“有中国特色的新奥法”。该方法在中 国的被采用情况详见表1 4 。 p p o 图1 2 围岩特性曲线与支护刚度曲线示意图 表1 4 我国部分地下工程采用浅埋暗挖法施工实例 上 军都山隧背景地铁 北京地铁 原国家计高碑店污北京长 程 道出口黄复兴l 、j 折 西单车站 委地卜停 狗磨湾隧 水处理厂安街过 名 土段返线车场 道出口段 排水隧道街通道 称 年 代 1 9 8 钆1 9 8 51 9 8 6 1 9 8 71 9 9 0 1 9 9 21 9 9 2 1 9 9 31 9 9 21 9 9 l 1 9 9 2 1 9 9 4 彳i 英云母 讵黏士及 地 细砂层、黄第四纪粉第四纪粉粉细砂、圆 片岩，节 第四纪黏 人：填 质理发育，土，砂黏 条 土，低水位 细砂层，无细砂层，无砾，无地下土、砂黏 地下水地下水地下水水 风化严 土，高水位 土，无地 件重，无地下水 下水 地下水 埋 深 3 1 2 m9 1 1 m“2 l m2 8 m4 1 5 mo 8 2 8 m0 8 1 o i i l 止台阶法， 中洞法， 工 正台阶法侧壁导洞 眼镜：【= 法c i m 上法 眼镜工法 c r d 法 法侧洞法 超前法 长 度 6 0 0 m3 5 8 m2 6 0 m1 0 4 8 m2 3 0 t n9 5 m5 0 m 8 原理体系， 但从中国国情出发，充分将量测信息反馈不断对设计和进行修正，同时借助于各 种超前支护和注浆加固等配套技术，对地层进行改良，以此保证隧道及地下工程 的设计施工安全。其突出优势在于对城市交通影响小，污染低、噪声小，而且适 用于各种尺寸和断面形式的地下洞室。 1 3 研究内容及创新点 ( 1 ) 主要研究内容 通过大量的理论研究及现场实践调查，采用工程类比法并结合数值计算方 法，确立青岛地铁站埋深与工程地质、围岩稳定等因素的关系。由于埋深确定的 影响因素种类繁多，本文主要考虑：工程地质条件、围岩稳定及施工工法的选择； 以青岛地铁一期工程某暗挖车站为例，综合分析国内外相关理论研究，参 考青岛市地下人防工程建设的相关参数，确定该地铁站合理埋深范围； 利用a b a q u s 有限元分析软件，针对所选地铁站的地质及结构特点进行 模拟计算，并根据围岩的应力变化和变形特点，对不同埋深和施工工法进行比较， 提出合理埋深的可行性建议。 ( 2 ) 创新点 本文对青岛某暗挖地铁站的特殊地质条件进行分析，采用工程类比法，确 定了该车站的合理埋深范围。这种地层中的浅埋大断面暗挖工程在国内外比较少 见，所选地铁站具有典型性； 利用a b a q u s 有限元分析软件对所研究车站进行了数值模拟，依据模拟 结果，研究分析了在不同埋深和施工方法条件下的围岩应力和变形，最终确定了 该地铁站的合理埋深； 根据所确定的车站埋置深度和开挖方式，提出了相应的辅助工法和预支护 方案。 9 础 2 0 世纪7 0 年代术到8 0 年代初我国开始将新奥法原理运用到国内的地下工程 施工中，并积累了一定的工程实践经验。自8 0 年代中期开始，我国对新奥法在较 弱地层中的应用展开了系统研究，并从中国国情出发，创造性地提出了有中国特 色的地下工程浅埋暗挖法。浅埋暗挖法既可作为独立方法进行设计施工，如北京 西单地铁站即以此方法修建而成；它也可以综合其他施工方法进行复合设计施工， 如天安门西站、王府井车站都是采用浅埋暗挖法与盖挖法相结合的方法进行修建 的。此外，北京地铁许多区间隧道都是利用半断面插刀盾构法结合浅埋暗挖法建 成的。由此可见，浅埋暗挖法具有先进的整体配套技术，表现出与其他施工法很 强的兼容性，得到国际隧道协会相关专家的肯定，处于国际领先水平，被认为是 地下工程设计施工技术的一次突破。目前浅埋暗挖法凭借其系统的设计施工理论， 已被国内外所广泛采用【4 1 4 5 1 。 浅埋暗挖法作为建设部命名的国家级工法，不仅在地铁修建中显示了它的优 越性，为国家取得重大经济、社会效益，它也为地下停车场、地下街道、地下商 业街及市政地下管网的建设中注入了前所未有的活力，为现代城市地下空间的开 发作出了贡献【4 6 - 5 们。 2 1 浅埋地下工程围岩分级及浅埋界定方法 2 1 1 围岩分级 围岩类别的准确判定是关系到隧道或其他地下工程设计、施工必不可少的基 础资料。因此，一个科学的、符合工程实际的围岩级别判定，直接影响到地铁车 站埋深的确定，进而影响到隧道及其他地下工程的结构型式选取和设计，施工工 艺的完善，取得良好的经济及社会效益等方面。 确定围岩的类别，应分设计、施工两个阶段。在设计阶段，设计人员需要整 理总结大量的地质资料，对地下洞室的围岩状况进行前期预测，并将此作为施工 设计的依据；在施工阶段，随着开挖的进行，地下洞室逐渐暴露出实际的围岩地 质情况，根据一线资料对设计阶段的预测进行对比修正。这样得到的围岩分级判 定是最为可靠的。 l o 青岛理工大学工学硕士学位论文 围岩的分级基本上取决于岩石的坚硬程度和岩体的完整程度两个因素。另外， 根据工程的实际需要，还应兼顾地下水状态、初始应力条件等多个因素。国际上 常用的几种围岩等级判定方法主要有【2 3 】【5 1 彤】： ( 1 ) 根据岩石质量指标( r q d ) 对围岩进行分级。岩石质量指标r q d ( r o c k q u a l i t yd e s i 朗a t i o n ) 是在1 9 6 4 年由美国迪尔提出，以修j 下的岩心采样率方法为基 础的一种方法，用下式表达： r q d ( ) = ( 1 0 c 聊以上岩心累计长度单位钻孔长度) 1 0 0 ( 2 1 ) ( 2 ) 根据岩石结构评价( r s r ) 进行分级。r s r ( r o c ks t m c t u r er a t i n g ) 是在 1 9 7 2 年由威克等人提出的，根据施工前岩体结构一般的自然地质状态( 参数“a ”) 、 节理产状与掘进方向的关系( 参数“b ”) ，及地下水的影响( 参数“c ) 三个参数 的总和对隧道及其他地下洞室围岩的稳定性进行评价的，即： r 趴= 彳+ b + c ( 2 2 ) ( 3 ) 根据岩体质量( q ) 进行分级。1 9 7 4 年，挪威的巴顿等学者对2 0 0 多个实 际工程进行了资料统计分析，发现岩石质量指标( r q d ) 、节理数目、节理粗糙度、 岩体的蚀变或填充的稳定性与洞室支护的形式存在着很大关系，因而提出了有利 于地下工程支护设计施工的围岩等级判定方法。 岩体质量q 综合考虑了岩体结构特征、地下水的影响、天然应力状态以及地 下工程支护结构等各方面因素，比利用单一指标进行的围岩分类更接近岩体的实 际状况。这种方法在我国部分地下工程中得以充分应用，对相应支护措施的确定 有较好的实践效果。 ( 4 ) 根据岩体的地质力学进行分级。这种方法是宾尼亚斯基以早期提出的围岩 等级判定方法为基础作出修正，于1 9 7 9 年提出的分级方法。该方法不但考虑了结 构面特征、r q d 、地下水情况等影响因素，还特别是考虑了结构面的倾角和走向 对工程的影响。 在我国，根据铁路隧道设计规范( t b l 0 0 0 3 2 0 0 l ，j 1 1 7 2 0 0 1 ) 【5 6 5 7 】的规定， 围岩分级的基本标准见表2 1 。在基本标准的基础上，可根据岩块强度、完整程度、 地下水、天然应力状态等指标对围岩的影响程度将这些指标相加或相乘，即利用 复合指标( 考虑了两个或两个以上指标) 反映洞室围岩的工程性质，这是目前围 岩分级发展的一个趋势。 青岛理工大学工学硕士学位论文 表2 1 围岩分级基本标准 级 岩体特征土体特征 围岩弹性纵 别 波速度( k n l s ) i 极硬岩，岩体完整 4 5 i i极硬岩，岩体较完整；硬岩，岩体较完整3 5 4 5 极硬岩，岩体较破碎；硬岩或软硬岩互层， i i i2 5 4 0 岩体较完整：较软岩，岩体完整 极硬岩，岩体较破碎：硬岩，岩体较破碎 具有压密或成岩作f j 的粘 或破碎；较软岩或软硬岩互层且以软岩较 性十、粉十及沙类七，一般 1 5 3 o 钙质、铁质胶结的碎( 卵) 完整或较破碎；软岩，岩体完整或较完整 石土，黄十( q l ，q 2 ) 软岩，岩体破碎至极破碎；全部极软岩及 一般第四纪坚硬、硬迥粘性 v全部极破碎岩( 包括受构造影响严重的破 土，稍密、稍湿或潮湿的碎 ( 卵) 石土、圆砾土、角砾 1 0 2 0 碎带) 土、粉士及黄土( q 3 ，q 4 ) 受构造影响很严重，呈碎石、角砾及粉末、软塑状枯性土、饱和的粉 l ( 饱和状 泥- 十状的断层带士、沙类- 十等态的j 卜 2 5h 1 1 9 3 3 ( o 浅