淺埋暗挖車站施工對周邊建筑等環(huán)境變形的控制

王敦顯，張浩文

(1.徐州市城市軌道交通有限責(zé)任公司，江蘇 徐州 221000；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210017)

城市地鐵建設(shè)一般周邊環(huán)境相對復(fù)雜，為保證建設(shè)過程中減少對交通和環(huán)境的影響，車站結(jié)構(gòu)形式逐步出現(xiàn)多樣化的特點。車站施工工法也發(fā)展成為明挖、蓋挖和暗挖多種形式[1-3]。但由于地質(zhì)條件多變及地下結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，車站斷面較大等特點使得暗挖車站在設(shè)計、施工等環(huán)節(jié)出現(xiàn)安全風(fēng)險和環(huán)境風(fēng)險的可能性較大[4]。所以在復(fù)雜周邊環(huán)境的暗挖車站隧道施工時，如何精確控制沉降和及時完成支護(hù)封閉成環(huán)，使其與圍巖共同作用形成聯(lián)合支護(hù)體系，減小地表的沉降，保證隧道工程的安全施工一直是隧道工程的研究熱點問題[5-6]。特別當(dāng)城市地鐵大跨度隧道工程所在地處于繁華市區(qū)，環(huán)境安全要求更高，有必要進(jìn)行深入研究。

虞楊等[7]以青島地鐵3號線為工程背景，利用GeoFBA2D軟件，分析開挖支護(hù)方法對地表沉降值的影響，并提出了經(jīng)濟、合理和安全的控制地面沉降的施工方法。趙俊等[8]利用有限元MIDAS/GTS研究了CRD工法開挖工程對徐州某單層暗挖地鐵車站的單洞位移場影響，并獲取了最佳開挖工序。陳峰[9]利用FLAC3D軟件驗證了盾構(gòu)法與淺埋暗挖法結(jié)構(gòu)修建北京地鐵4號線車站的施工過程的安全興與風(fēng)險可控性。代維達(dá)[10]基于10個車站的地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析地表沉降與車站埋深、開挖面積等因素對北京地鐵6號線淺埋暗挖法車站施工引起的地表沉降影響規(guī)律進(jìn)行研究。駱建軍等[11]以北京地鐵黃莊站為背景，結(jié)合現(xiàn)場施工量測結(jié)果，揭示四號線在淺埋暗挖法施工條件下地表沉降的原因及沉降規(guī)律，分析了影響地表沉降的因素，并提出控制沉降的措施。王春國[12]分析了淺埋暗挖隧道上穿既有地鐵隧道的工程時既有隧道沉降、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、軸力和彎矩的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，新建隧道上穿施工會引起既有隧道的隆起。既有隧道內(nèi)襯的正應(yīng)力值均大于相應(yīng)的外襯正應(yīng)力值，既有襯砌的正應(yīng)力值均小于C30混凝土的抗拉強度，不會造成受力破壞。何橋等[13]研究表明,中隔墻法施工能夠很好地控制地層變形,但該法中4部開挖對拱頂、地表變形影響較大,施工時應(yīng)引起重視。

上述研究表明，采用合理的用淺埋暗挖法是可以將地表沉降控制在設(shè)計要求的范圍內(nèi)的[14]。但是由于地質(zhì)條件的多變以及施工參數(shù)的變化，使得研究成果具有一定的局限性，因此在施工過程中對地表沉降規(guī)律的分析，應(yīng)當(dāng)具體問題具體分析。CRD工法一般適用于圍巖較差、跨度較大、地表沉陷難于控制的情況[15]。本文主要的研究內(nèi)容是：以徐州地鐵1號線車站為工程背景，通過數(shù)值模擬，計算CRD工法施工過程引起的隧道及地表沉降變形，同時基于隧道拱頂以及上部地表豎向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析影響地表沉降因素，并闡述CRD工法控制上部建筑結(jié)構(gòu)和周邊地層沉降變形的有效性。

1 工程概況

1.1 地理位置及周邊環(huán)境

徐州市軌道交通1號線一期工程的某車站，與2號線換乘，兩線采用換乘廳通道換乘，兩線車站同期實施。本站擬建場地周邊環(huán)境較為復(fù)雜，西北側(cè)為彭城廣場，西南側(cè)為中心時尚大道(地下一層，局部兩層)、徐州中央百貨大樓及悠沃地下商業(yè)街地塊，東南側(cè)為彭城飯店，東北側(cè)為在建蘇寧塔樓及附屬裙樓(見圖1)。1號線右線車站位于淮海路正下方，左線車站及外掛廳位于淮海路非機動車道北側(cè)，起于中山路十字路口，終于彭城路；2號線車站起于河清路，止于淮海路，位于彭城路正下方。

1號線車站形式為分離島車站，右線為地下單層車站，馬蹄形斷面，采用CRD法施工，右線結(jié)構(gòu)拱頂覆土約21.17 m～21.60 m，跨度11.30 m，總高10.30 m，有效站臺寬4.60 m，長120.00 m。左線為地下4層車站，與明挖廳合建，采用明挖順作法施工；左線頂板覆土2.90 m～3.45 m；明挖廳為地下四層、局部地下五層的多柱多跨框架結(jié)構(gòu)，頂板覆土0.50 m。左線有效站臺寬4.00 m，長120.00 m，明挖廳起點里程左DK9+669.800，明挖廳終點里程左DK9+846.800，明挖廳結(jié)構(gòu)外包總長139.55 m，結(jié)構(gòu)總寬56.15 m，左線車站標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)總高27.89 m，外掛廳標(biāo)準(zhǔn)段地下五層總高31.04 m，標(biāo)準(zhǔn)段地下四層結(jié)構(gòu)總高22.95 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐支護(hù)形式。

圖1 車站與周邊建筑物平面關(guān)系圖

1.2 工程水文地質(zhì)

暗挖隧道所處地層從上到下土層依次為:①1雜填土(厚度約3.0 m～6.0 m)、①1-2老城雜填土(厚度約3.4 m～8.0 m)、⑤3-4硬塑狀黏土(厚度約9.0 m～13.0 m)，土層總厚度約20.5 m～22.0 m，其中⑤3-4硬塑狀黏土為微透水層。土層下為基巖，分別為(12)7-3-2B中風(fēng)化灰?guī)r、(12)7-3-2B中風(fēng)化頁巖、(12)6-3-2A中風(fēng)化頁巖、(12)6-3B中風(fēng)化灰?guī)r、(12)6-3A中風(fēng)化頁巖、(12)5-3A中風(fēng)化粉砂巖，中風(fēng)化灰?guī)r層為較硬巖，風(fēng)化程度較弱，但多發(fā)育節(jié)理或裂隙、溶蝕、巖溶發(fā)育，發(fā)育規(guī)律性差，且易富水。頁巖、砂巖為微透水層。暗挖主隧道高、寬均為11.5 m左右，暗挖主隧道拱頂位于土巖接合面(見圖2)。

圖2 礦山法車站隧道與中心時尚大道縱剖面圖

擬建場地下伏基巖為寒武系灰?guī)r，含有巖溶，且較為發(fā)育。據(jù)鉆孔資料顯示，巖石常見溶隙及溶洞。擬建段屬淺覆蓋型巖溶，本車站見溶洞的鉆孔45個，鉆孔見洞率為59.20%，線巖溶率為3.55%。溶洞部分以充填型為主，充填物為硬—可塑狀褐黃黏土夾灰?guī)r碎塊，部分為空洞。場地溶巖發(fā)育主要受構(gòu)造控制，巖層傾角較陡，地表水沿節(jié)理下滲地下水運動強烈，巖溶發(fā)育方向受層面控制，多為NEE—SWW方向。隧道綜合圍巖等級為V級。

地下水類型分為填土中的上層滯水、上部土層中的潛水及基巖裂隙水。潛水(含上層滯水)主要由大氣降水、居民生活用水排放及大氣降水補給，水位動態(tài)變化較大，分布不連續(xù)，水量較小?；鶐r裂隙水主要賦存于寒武系灰?guī)r溶洞和裂隙中，受巖體破碎程度、節(jié)理裂隙發(fā)育程度及溶洞大小等控制，水量變化較大，由地層地下水及周圍基巖裂隙水補給，在構(gòu)造破碎帶、節(jié)理裂隙密集處匯集，水量較大，具有承壓性。根據(jù)現(xiàn)有勘察資料，場區(qū)地下水(潛水)埋深約3.20 m～7.10 m，水位標(biāo)高約25.25 m～29.33 m，受地形影響起伏較大，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗，潛水水位變化幅度約為1.00 m。巖溶裂隙水水位埋深為5.00 m～7.00 m, 溶裂隙水水位受大氣降水影響顯著，年動態(tài)隨季節(jié)而變化，年變幅3.00 m～5.00 m。

2 開挖過程及支護(hù)形式

2.1 開挖過程

考慮該車站周邊環(huán)境較為復(fù)雜，且上部結(jié)構(gòu)都為重要工程，這要求施工安全度高，地面沉降精確控制。綜合考慮此處水文地質(zhì)條件，因此，選用CRD工法進(jìn)行開挖，要遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強支護(hù)、快封閉、勤量測”，以對建筑物或周邊管線進(jìn)行保護(hù)。暗挖總體思路：左線暗挖隧道通過破除連續(xù)墻1#小導(dǎo)洞進(jìn)洞，右線暗挖隧道通過3#橫通道進(jìn)入主洞，再由3#橫通道向西側(cè)施工暗挖主洞。具體步驟如圖3所示。正線暗挖隧道分為標(biāo)準(zhǔn)段、端頭井段。車站標(biāo)準(zhǔn)段開挖寬度11.50 m，開挖高度10.57 m。盾構(gòu)始發(fā)及接收段開挖寬度12.00 m，開挖高度11.07 m。拱頂覆土約21.30 m，在時尚大道底板下13.76 m。

圖3 隧道開挖順序

2.2 支護(hù)形式

為保證初期支護(hù)具有足夠的剛度和強度，承受施工期間的全部荷載、并能有效的控制地層變形，初期支護(hù)形式結(jié)構(gòu)為復(fù)合式襯砌形式，作為永久結(jié)構(gòu)的一部分，初期支護(hù)在使用階段與二次襯砌結(jié)構(gòu)共同承受土壓力?？紤]耐久性設(shè)計以及使用期間荷載的變化，二次襯砌采用模筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)并按可能發(fā)生的最不利情況下的水壓力及初期支護(hù)因材料性能退化和剛度下降引起的荷載轉(zhuǎn)移，按照二襯剛度和折減后的初襯剛度比進(jìn)行分配，水壓力全部由二襯承擔(dān)(見圖4)。

圖4 隧道橫斷面圖

2.3 特殊地段設(shè)計措施

拱部位于土巖分界線，在明挖結(jié)構(gòu)施工完成后，在隧道拱部范圍內(nèi)一次打設(shè)大管棚進(jìn)行超前支護(hù)。管棚采用直徑108 mm、厚6 mm的鋼管，環(huán)向間距為0.4 m,長度為40.0 m。由于位于土巖結(jié)合面，管棚環(huán)向統(tǒng)一采用鋼花管根據(jù)實際情況進(jìn)行注漿。在管棚中間增加超前小導(dǎo)管對土巖接合面拱部范圍的巖土進(jìn)行注漿加固。小導(dǎo)管采用直徑42.0 mm、厚3.5 mm的鋼花管，環(huán)向間距為0.4 m,單根長為3.0 m，結(jié)合鋼架設(shè)置。在破除橫通道開洞鋼架施工正線隧道時，應(yīng)連立三榀格柵鋼架。注漿采用水泥砂漿，管棚注漿水灰比為1∶1，小導(dǎo)管注漿水灰比為0.5～1.0。管棚注漿壓力控制在1.5 MPa以內(nèi)，小導(dǎo)管注漿壓力控制在1 MPa以內(nèi)。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 計算模型

計算采用MIDAS/GTS NX巖土有限元分析軟件建立三維有限元模型，考慮隧道開挖影響，模型沿隧道縱向取80 m，橫向取車站跨度的7倍(為150 m),深度為70 m。在有限元模型中采用了理想彈塑性材料，進(jìn)行非線性計算。圍巖材料的本構(gòu)模型采用摩爾-庫侖模型，以考慮圍巖的非線性變形。模型圍巖采用彈塑性各向同性體材料模擬，襯砌采用全長粘結(jié)式直梁材料模擬。采用地層結(jié)構(gòu)法計算左、右線隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形，同時分析左、右線主隧道開挖對中心時尚大道的影響。隧道施工的分步開挖過程通過軟件提供的“挖去”來實現(xiàn)。在隧道開挖工程計算中不考慮地下水滲流的影響，根據(jù)試驗結(jié)果，模擬計算需要的底層以及材料力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 材料力學(xué)參數(shù)

3.2 結(jié)果分析

地層損失使得開挖隧洞周圍土體會沿隧洞徑向擠壓，隧洞上部土體會沉降，下部土體會隆起；地表土體也會因此發(fā)生沉降。地層損失還會在土層—隧道橫斷面上造成明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。沿隧道縱向，因為有上部結(jié)構(gòu)的存在，使得地層的應(yīng)力分布顯著變化，即：在有上部結(jié)構(gòu)作用的位置，地層的初始應(yīng)力較大，開挖后地層損失應(yīng)力較多，造成沿隧道縱向沉降值在該部位較大。具體結(jié)果如下：

(1) 左線主隧道在開挖完畢后，如圖5所示，地表沉降槽寬度約為35 m，隧道底最大隆起最大29.4 mm，隧道頂最大沉降10.1 mm，小于30.0 mm的最大地表沉陷的控制標(biāo)準(zhǔn)；地層最大變形出現(xiàn)的位置為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)下方，如圖6所示。

圖5 左線主隧道橫斷面地表沉降云圖

圖6 左線主隧道縱斷面地表沉降云圖

(2) 右線主隧道在開挖完畢后，如圖7所示，地表沉降槽寬度約為33 m，隧道底最大隆起最大28.3 mm，隧道頂最大沉降18.1 mm，小于30.0 mm的最大地表沉陷的控制標(biāo)準(zhǔn)；地層最大變形出現(xiàn)位置同樣位于結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)下方，如圖8所示。

(3) 4號—6號暗挖橫通道開挖完畢后，如圖9所示，隧道底最大隆起最大29.1 mm，隧道頂最大沉降18.1 mm，小于30.0 mm的最大地表沉陷的控制標(biāo)準(zhǔn)。

(4) 經(jīng)過模擬計算，左、右線主隧道開挖完成后中心時尚大道基礎(chǔ)隆起豎向位移1.98 mm，可見主隧道開挖引起的建筑物基礎(chǔ)水平拉伸程度較小。各類管線變形值均小于10.00 mm，滿足規(guī)范要求。在施工過程中要特別關(guān)注周邊重要建筑物的沉降和變形，及時在洞內(nèi)、洞外采取加固措施。

圖7 右線主隧道橫斷面地表沉降云圖

圖8 右線主隧道縱斷面地表沉降云圖

圖9 中心時尚大道基礎(chǔ)沉降云圖

4 地鐵施工沉降變形監(jiān)測與分析

暗挖隧道易發(fā)生坍塌等事故，都會造成地面大范圍的沉降和變形，危及周邊建(構(gòu))筑物的安全。因此，施工前應(yīng)制定詳細(xì)的監(jiān)測方案，應(yīng)對暗挖隧道及其周邊可能產(chǎn)生的地表及建(構(gòu))筑物的變形詳細(xì)監(jiān)控量測，以做到信息化施工。為重點探討暗挖隧道對初支結(jié)構(gòu)和上部建筑是否會產(chǎn)生較大的變形和沉降以及對周邊環(huán)境的影響。對隧道底以及上部地表豎向位移等進(jìn)行監(jiān)測。利用監(jiān)測數(shù)據(jù)來判斷隧道結(jié)構(gòu)安全和上部建筑變形是否能滿足要求。

4.1 檢測點布置

為全面監(jiān)測暗挖隧道車站地表沉降，暗挖車站上部地表縱向部三排測點，暗挖車站左側(cè)部一排測點，3號橫通道線上方部一排測點，每排為9個測點，均勻分布在暗挖車站隧道地表兩側(cè)，具體測點如圖10所示。

圖10 暗挖段地面沉降監(jiān)測平面圖

4.2 沉降分析

根據(jù)對時尚大道商業(yè)下方施工時地面沉降監(jiān)測點的監(jiān)測分析，選取沉降最大點所在斷面進(jìn)行分析，圖11為左線隧道中線上方觀測點研究豎向位移變化情況，由圖11可知，地表沉降隨隧道開挖進(jìn)程開展逐漸增大，地表沉降對前期開挖敏感性較弱，約開挖2周后地表呈現(xiàn)明顯的沉降變形，且變形逐漸增大，最終約在開挖14周后達(dá)到變形穩(wěn)定，DBC-07-07以及DBC-11-07的最大值沉降量約為5 mm，而DBC-09-07的最大值沉降量約為11 mm。

圖11 左線隧道暗挖施工地面沉降觀測值

為與時尚大道商業(yè)位置對比，取3號橫通道中線上方觀測點進(jìn)行對比分析，具體沉降量時程曲線如圖12所示。與前述類似，地表沉降量逐漸增大，但值得關(guān)注的是，與圖11相比，3號橫通道中線地表達(dá)到第一次沉降穩(wěn)定所需時間更長，且達(dá)到第一次穩(wěn)定對應(yīng)的沉降量約在15 mm～20 mm之間，這表明，當(dāng)隧道開挖下穿已有上覆建筑結(jié)構(gòu)時，上覆結(jié)構(gòu)會明顯抑制由隧道開挖引起的地表沉降量，約降低30%～50%，此外，地表沉降達(dá)到穩(wěn)定所需時間也有顯著降低。

此外，由圖12還可知，當(dāng)?shù)乇沓两颠_(dá)到穩(wěn)定一段時間后，又發(fā)生顯著的二次沉降，且二次沉降較一次沉降沉降速度更快，沉降量更大，最大沉降量約為30 mm，約為一次沉降的1.5倍～2.0倍。這是因為一次沉降是由左線隧道開挖引起的，而二次沉降則是由3號橫通道開挖引起的，但達(dá)到二次穩(wěn)定的所需時間遠(yuǎn)小于一次穩(wěn)定時間，這表明在立體空間交叉開挖施工中，兩次互交開挖引起的地表沉降遠(yuǎn)大于一次開挖，最大值約為50 mm，而第二次開挖對地表沉降量貢獻(xiàn)更大，但第二次開挖引起地表沉降達(dá)到穩(wěn)定所需時間更短。這要求對于同一立體空間的多次開挖工程，需更嚴(yán)格的監(jiān)測由開挖引起的沉降變形，嚴(yán)格控制變形量，及時進(jìn)行支護(hù)及地層加固，以保證上部及鄰近建筑安全。

圖12 3號橫通道暗挖施工地面沉降觀測值

為便于與左線隧道中線以及3號橫通道暗上方沉降進(jìn)行對比，圖13給出左線隧道暗挖以及3號橫通道暗挖拱頂沉降累計量。

圖13 左線隧道及3號橫通道暗挖拱頂沉降觀測值

由圖13可知，無論是左線隧道還是3號橫通道，其拱頂沉降量都隨開挖進(jìn)程逐漸增大，最大沉降量約為10 mm～12 mm，且同一隧道拱頂沉降逐漸達(dá)到協(xié)同發(fā)展。此外，對于下穿已有上覆建筑的單一隧道開挖，其拱頂沉降量小于地表沉降量，而對于立體空間交叉開挖的上部隧道，其拱頂沉降明顯小于地表沉降。

5 結(jié) 論

以徐州地鐵1號線車站為工程背景，通過數(shù)值模擬，計算CRD工法施工過程引起的隧道及地表沉降變形，同時基于隧道拱頂以及上部地表豎向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析影響地表沉降因素，并闡述CRD工法控制上部建筑結(jié)構(gòu)和周邊地層沉降變形的有效性：

(1) 數(shù)值計算結(jié)果表明，左、右線主隧道開挖完成后中心時尚大道基礎(chǔ)隆起豎向位移1.98 mm，可見主隧道開挖引起的建筑物基礎(chǔ)水平拉伸程度較小。各類管線變形值均小于10.00 mm，滿足規(guī)范要求。

(2) 地表沉降隨隧道開挖進(jìn)程開展逐漸增大，地表沉降對前期開挖敏感性較弱，約開挖2周后地表呈現(xiàn)明顯的沉降變形，且變形逐漸增大，最終約在開挖14周后達(dá)到變形穩(wěn)定。

(3) 當(dāng)隧道開挖下穿已有上覆建筑結(jié)構(gòu)時，上覆結(jié)構(gòu)會明顯抑制由隧道開挖引起的地表沉降量，約降低30%～50%，此外，地表沉降達(dá)到穩(wěn)定所需時間也有顯著降低。

(4) 對于下穿已有上覆建筑的單一隧道開挖，其拱頂沉降量小于地表沉降量，而對于立體空間交叉開挖的上部隧道，其拱頂沉降明顯小于地表沉降。