盾构隧道结合洞桩法修建地铁车站地表沉降控制标准分析

王 芳，贺少辉，刘 军，曹瑞琅

（1.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044；2.北京建筑工程学院 土木与交通工程学院，北京 100044）

1 引 言

北京地铁 14号线试验段采用土压平衡盾构开挖外径为10 m的大断面隧道，试验段上的车站在盾构隧道先行贯通的基础上结合洞桩法扩挖形成。盾构连续推进区间和车站行车隧道，可以充分发挥盾构法的优势，而洞桩法则适于对地面沉降要求较高的地区[1－4]。从理论上来看，这种修建地铁车站的方法结合了盾构法与洞桩法的优势，但无工程先例可以借鉴，因此有必要对施工过程产生的地表沉降进行预测和控制，达到既能保证建（构）筑物及地下管线的安全，又使建设成本较为经济合理的目的。

关于隧道施工引起的地表沉降预测方法有经验法、理论法、模型试验法、数值模拟方法等[5－11]。本文结合几种地表沉降预测方法，对扩挖车站过程中引起的地表沉降进行分析，对比后得出符合具体工程的沉降控制值，以期指导施工。

2 工程概况

试验段是内径为9 m、限界8.8 m的单洞双线盾构隧道，车站为地下3层侧站台式车站。盾构通过车站区段前，先在站端施工风道，兼做暗挖横通道，盾构通过后自横通道进入，采用洞桩法扩挖盾构隧道形成车站站台。这种工法的核心思想是在盾构隧道内施工中柱和纵梁，对地层进行预加固处理后开挖小导洞并施作地下围护桩，然后分层开挖中导洞土体。第一层土体开挖后，及时施作主拱初支和二衬，初支的一端通过预埋件与盾构隧道的顶管片连接，这样就形成了梁、柱、拱、桩共同作用的支护体系，在此支护体系的保护下开挖下层土体和拆除管片，最后形成车站站台，如图 1 所示。盾构隧道管片宽1.8 m，为便于拆除管片，车站区段采用通缝拼装方式。管片环由 1 块K型管片，2 块邻接块和6 块标准块组成，每块40°，对称布置。

图1 施工步骤Fig.1 Construction steps

洞桩法扩挖施工步骤如下：

①盾构通过车站区段后，自横通道进入盾构隧道内施工中柱和纵梁，架设洞内临时支撑，开挖小导洞，洞内施工围护桩。

②注浆加固拱顶土体，对称开挖中导洞主拱部土体，施工顶拱初衬，设置临时仰拱。

③沿隧道纵向分段（5.4 m）拆除K管片两侧小块，凿除小导洞局部初衬，留出二衬施工空间，施工主拱二衬。

④开挖土体至小导洞底板位置，拆除小导洞隔壁，对称拆除上部管块。

⑤开挖土体至第二道横撑下，对称拆除中部管片和相应支撑。

⑥开挖土体至坑底设计标高，对称拆除下部管片和相应支撑，浇注底板、侧墙二衬混凝土，待二衬混凝土结构达到设计强度后施工站台板和附属结构。

线路周边工程地质勘探所揭示的地层规律表明，工程沿线地面以下50.9 m深度范围内地层按其沉积年代及工程性质可分为人工堆积层和第四纪沉积层。本场区按地层岩性及其物理力学性质进一步分为几个大层，如表1所列。隧道顶部围岩稳定性较差，易坍落，无法形成自然压力拱，围岩分级为Ⅵ级。隧道高度范围的土层主要为中粗砂④4层、粉质黏土⑥层、粉土⑥2层，围岩稳定性较差，易塌落，围岩分级为Ⅵ级。

表1 土层物理力学参数Table 1 Physico-mechanical parameters of soil

3 经验公式分析地表沉降控制值

经验公式一般是基于对实测结果的总结而得到的，具有针对性强、计算参数少、应用简单的优点，因而在工程实践中广泛应用。

3.1 地表沉降槽反弯点距离i求法

北京地层具有黏性土与砂性土互层的特点，结合不同学者提出的考虑土层性质的公式进行分析。

（1）Attewell公式[6]

式中：H为隧道中心埋深；R为隧道半径；K、n分别为统计系数，黏性土：K=1.0，n=1.0；砂土：K= 0.63～0.82，n=0.36～0.97；回填土：K=1.7，n =0.7。

由于车站断面形状不规则，采用等效圆算法R =8.0 m，H=22.8 m。

（2）New & Reilly公式[7]

式中：Ki、Zi分别为第i层土的沉降槽宽度系数和土层厚度，Zi按表1取结构中心以上各层土厚度。Mairie和Taylor根据统计得出黏性土K=0.5，砂土和砾石K=0.35。

（3）Sugiyama公式[9]

对工程所处地层分层考虑，式（1）、（3）的参数为土层加权平均值，计算结果见表 2。以上公式求出的地表沉降槽反弯点距离i值基本相同，取平均值i=10.31 m作为计算参数。

表2 沉降槽宽度计算Table 2 Calculation of settlement through width

3.2 地表沉降允许值计算

根据围岩稳定性的要求，或根据建筑物和管线的正常使用要求，找出地表变形允许值，用于指导施工。由于地表沉降值易于现场监测，一般采用小于允许值的指标作为施工管理标准值。

3.2.1 根据围岩稳定性计算

以地下工程侧壁正上方土体不发生坍塌时允许产生的最大地表沉降值作为控制基准，采用地层梁理论推导出剪应变的方法来确定最大允许地表沉降值[12－13]，公式为

式中：K为经验系数，软岩K= (1.1～1.3)×10-3，硬岩K=1×10-3；β为弱面走向与水平面的夹角，β=45º +φ/2，φ为土层内摩擦角加权平均值。

3.2.2 根据地面沉降控制基准计算

根据经验资料，距隧道中线一定距离以外的沉降曲线可以认为是一条直线，在容许倾斜坡度为[ f ]的条件下地面最大沉降值[14]为

根据北京地铁施工总结的相关技术标准[13]规定，地表最大倾斜值[ f ]取0.255%。

3.2.3 根据建筑物位置确定

（1）地表建筑物基础位于沉降槽一侧

考虑差异沉降对建筑物的影响，即建筑物倾斜值不大于允许倾斜值[14]：

由沉降槽曲线可知，反弯点距离i处曲线斜率最大，以此作为建筑物允许倾斜值的极限条件：

参照相关规范[14]，砌体结构基础局部倾斜在0.2%～0.3%以内，多层及高层建筑物基础随建筑物高度控制在0.15%～0.4%以内，通常地面建筑物小于20层按0.2%作为控制值。

（2）建筑物相邻柱基间距大于等于2i

当建筑物处于受弯最不利位置，沉降过大可能导致建筑物基础结构断裂和上部结构产生压性裂缝，当建筑物梁、板走向垂直于隧道纵向时[S]最小，根据建筑物基础的极限应变作为沉降控制极限条件[14]，即

表3为以上公式计算沉降控制值，其中i为章节3.1分析得出的计算参数，i=10.31 m。

表3 地表沉降值计算Table 3 Calculation of ground surface settlement

3.2.4 地下管线允许的地表沉降

根据车站周边管线调查情况可知，车站区段穿越多条地下管线，风险控制等级为二级和三级。施工过程对地下管线的影响主要有以下两种情况。

（1）走向与隧道正交的刚性管线

其抵抗变形的能力以管节弯曲应力作为控制标准，长度较大的刚性管道按弹性地基梁原理进行分析[15]。当管线达到极限应力状态时，有

（2）走向与隧道正交的柔性管线

对于柔性管线采用接头处接缝最大张开值作为沉降控制标准，当管线与隧道走向正交时，管段在沉降槽曲率最大处接缝张开角最大，由Peck公式[5]可知，管段平面上沉降曲线的最小曲率半径发生在x=0处，因此有

式中：［Δ］为管段接缝最大张开值；D0为管段直径；b为管段长度，其他符号意义同前。

由地表下任一深度Z的沉降曲线反弯点公式[16]计算式（9）、（10）中ip值：

式中：Z0为隧道中心至地表深度；i0为地表沉降槽反弯点距离。

根据地勘报告，取施工范围内管径及埋深相对较大的管线作为控制目标，见表 4。表中，Smax为主要管线的理论允许最大沉降值，参数取值据文献[15，17]。

表4 管线上方地表沉降值Table 4 Settlements of ground surface above the pipelines

4 统计资料分析地表沉降控制值

扩挖车站引起的地表沉降分为两部分，第一部分是盾构施工引起的地表沉降，第二部分是扩挖施工引起的地表沉降。

4.1 盾构施工引起的地表沉降

目前盾构仅施工了车站相邻区间，还未施工车站区段，由于车站与区间基本处于同一地层，且盾构施工参数基本相同，可以用区间盾构施工沉降监测值分析结果用于车站段盾构施工沉降分析。

区间监测数据完整的 12个断面沉降统计结果见表5，为盾构通过后监测点沉降速率小于0.01～0.04 mm/d的监测值。统计结果显示，83.3%的断面最大地表沉降在5～20 mm之间，地表沉降最大值发生比例如图2所示。

表5 区间地表沉降监测数据统计Table 5 Monitoring data statistics of ground surface settlement for running tunnel

图2 地表沉降比例Fig.2 Proportion of ground surface settlement

表6为盾构施工过程地表沉降统计[18]，是各断面横向沉降曲线正态分布拟合值。

根据以往工程经验，北京地铁盾构法施工监测控制标准见表 7[14]。从统计结果看，地表沉降和盾构断面收敛值基本满足表7所列的控制值。车站和区间基本处于同一地层，且盾构施工参数基本相同，因此，车站区段盾构施工地表沉降以20 mm作为控制值。

4.2 洞桩法扩挖施工引起的地表沉降

洞桩法扩挖产生地层损失的主要工序是小导洞开挖和主拱开挖，进而引起地层变位，这个过程采用允许相对位移值的方法确定地表沉降。相对位移值是实测位移值与两测点距离之比，或拱顶位移值与隧道宽度之比。《锚杆喷射混凝土支护技术规范》[19]规定：隧道周边任意点的实测相对位移值或用回归分析推算的最终位移值均应小于表8所列数值，即隧道拱顶下沉或边墙收敛=隧道宽度×相对收敛值。

表6 盾构施工过程地表沉降统计Table 6 Ground surface settlement statistics in shield construction process

表7 北京地铁盾构法施工监测控制基准Table 7 Monitoring and control standard of metro shield construction in Beijing

表8 洞周允许相对收敛值Table 8 Allowable relative convergence values around cave

北京市地铁隧道根据施工经验和地质条件一般采用 0.2%作为洞周相对收敛控制标准，10号线洞桩法车站导洞拱顶下沉统计值约为15 mm。考虑到扩挖车站在盾构隧道完成后且土层未完全固结沉降时施工，土层已产生扰动，其强度指标和变形都有所变化[20]，建议采用0.3%作为控制标准。

小导洞宽度为 5.1 m，主拱宽度取平均值为4.0 m。计算如下：小导洞拱顶下沉值=5.1×103×0.3%=15.3 mm，小导洞边墙相对收敛值=5.1×103×0.3%=15.3 mm，主拱拱顶下沉=4.0×103×0.3%=12.0 mm。

工程实践证明，控制浅埋暗挖隧道稳定性和地层沉降的主要因素是拱顶下沉，水平收敛影响不大[14]。岳广学等[21]统计浅埋暗挖隧道拱顶下沉和地表沉降比值为 0.5～1.5，张顶立等[22]根据不同地层条件总结了拱顶下沉与地表沉降的关系，结合本工程地质条件确定地表沉降不大于拱顶下沉值，即小导洞开挖过程地表沉降不大于15.3 mm，主拱开挖过程地表沉降不大于12.0 mm。10号线洞桩法施工过程导洞和主拱开挖引起的沉降占总沉降的70%[1－4]，其他过程占 30%，按照这个比例，确定扩挖施工其余工序引起的沉降约为小导洞和主拱施工总沉降的1/2，即12.7 mm。表9为地表沉降计算值。

表9 地表沉降值Table 9 Ground surface settlements

5 数值模拟分析

采用 Flac3D建立的三维模型如图 3所示。图中，围岩和二衬采用实体单元，初期支护和管片采用壳单元，I25a型钢支撑采用梁单元模拟，地层加固按提高围岩参数处理。模型左右取3倍开挖宽度，上边界取至地表，下边界取2倍开挖高度，纵向取54 m。计算参数见表10。

对于 14号线试验段而言，目前已进行了区间盾构施工，还未推进到车站位置。由于车站和区间基本处于同一地层，为了进一步分析车站施工过程产生的地层沉降，采用区间盾构施工监测数据调整数值模拟参数，在此基础上再模拟车站扩挖部分施工，更符合实际情况。

数值模拟分为两部分，第一部分为盾构隧道施工，第二部分为车站扩挖部分施工。

表10 结构单元物理力学参数Table 10 Physico-mechanical parameters of structural elements

5.1 盾构隧道施工模拟

5.1.1 参数选择

盾构施工模拟的一个重要参数为开挖面盾构推力，盾构推力P采用在开挖面施加梯度荷载的方法模拟，公式为

式中：γi为第i 层土重力密度；h为第i层土厚度；K0为侧压力系数；α为盾构推力参数。根据现场监测实际土压和总推力的关系，数值模拟中取α= 2。

盾构施工过程对地层扰动而导致土体变位，可以认为是地层在不同影响因素下产生应力释放引起的。由于各种影响因素难以逐一量化，因此，用地层应力释放率LDF进行简化模拟。

5.1.2 数值模拟过程

数值模拟过程是开挖一环土体后，计算一步产生地层不平衡力，在开挖边界反向施加应力，即网格节点处地层应力=LDF×开挖产生的不平衡力。通过反复计算后，第一步中LDF取0.8，较为符合工程实际。计算至平衡后，删去施加的地层应力，激活管片单元和注浆圈，模拟同步注浆。再次计算至平衡后，提高注浆圈参数，模拟补注浆和浆液硬化。如此往复循环，直至开挖完成。

5.2 车站扩挖部分模拟

由于车站结构埋深浅，跨度大，开挖与支护工序多，尤其是主拱初支施作和K管片两侧小块拆除阶段，受力转换复杂，直接影响结构和地层稳定。由于目前尚无类似工程经验，且地面环境和地下管线等复杂的环境条件对地层沉降控制提出了很高的要求。根据工程结构形式和施工方式，主要从地表沉降和拱顶下沉方面加以分析。

扩挖法建造车站的主要思路是盾构隧道贯通后，先施工隧道内中柱和纵梁，开挖小导洞并施作围护桩和冠梁，与隧道内纵梁共同形成支座。中导洞第一层土开挖后施作主拱初支，形成双跨结构，减小了结构上部承载结构的跨度。K管片两侧小块拆除后及时施作主拱二衬，结构形成了稳定的承载体系，上部荷载通过主拱、中柱和围护桩传至深层土体，从而为后续施工提供了安全保证，并有效地控制了结构和地层的沉降，进而减少了对地面建筑物和地下管线的影响。为了防止偏载的影响，两侧同时扩挖。

扩挖部分围护桩的受力特征为同时承受主拱传来的斜向压力、临时支撑的支撑力以及和桩侧水平土压力，属于偏压结构体系。围护桩直径为800 mm，间距为1.2 m，其实际受力情况近似于地下连续墙。在分部开挖土体过程中，围护桩属于压弯构件，因此可以按等效刚度原则简化为地下连续墙，公式为

式中：D为桩径；t为桩间距；D+t为地下连续墙的长度；h为地下连续墙的厚度。

图4为沉降监测点，图5为地表监测点沉降历时曲线，图6为拱顶监测点下沉历时曲线。图5和图6的横坐标为扩挖施工步骤，同图1。图5显示，在扩挖过程中，分部开挖产生的结构中心上方地表沉降为22.1 mm，关键工序为小导洞开挖和主拱开挖的过程，这两个过程产生的地表沉降约占扩挖过程总沉降的80%。

图4 沉降监测点（单位：mm）Fig.4 Monitoring points of settlement(unit: mm)

从图6可见，由于中柱和纵梁的作用，扩挖过程对盾构拱顶影响较小。小导洞开挖和主拱开挖引起监测点5和监测点6产生较大下沉，分别占总下沉量的80%左右。图7为扩挖过程地表沉降曲线。

图5 地表监测点沉降值历时曲线Fig.5 Time-history curves of monitoring points settlements on ground surface

图6 拱顶监测点下沉值历时曲线Fig.6 Time-history curves of monitoring points settlements on arch crown

图7 数值模拟沉降曲线Fig.7 Curves of ground surface settlements based on numerical simulation

综上分析可见，由经验公式法、统计数据分析和数值模拟法得出最大沉降控制值相近，约为33～40 mm。根据北京地铁工程施工监测控制基准[14]，地铁车站地表沉降控制基准值为 60 mm。根据文献[23]的结论，浅埋暗挖车站地表沉降控制在 80 mm以内不会对结构及地表建筑物和地下管线产生较大影响，再结合文献[24]对北京地铁车站地表沉降统计结果，建议采用60 mm作为扩挖车站沉降控制标准。

对比北京地铁 10号线洞桩法车站施工和数值模拟结果，设定导洞开挖、主拱开挖和其它工序引起的沉降比例为0.36∶0.34∶0.3。根据浅埋暗挖隧道施工过程三级控制要求，确定地表沉降控制极限值为60 mm，预警值为极限值的60%，报警值为极限值的80%，最终盾构隧道结合洞桩法扩挖车站地表沉降分步控制标准见表11。

表11 最大地表沉降控制标准Table 11 Control standard of maximum ground surface settlement

6 结 论

（1）盾构施工地表沉降控制值为 20 mm，扩挖过程地表沉降控制值为40 mm，符合北京地铁车站施工地表控制基准和实际统计结果。

（2）根据洞桩法扩挖车站主要施工步骤沉降分析和数值模拟结果，按比例确定主要工序地表沉降控制值。

（3）对地表沉降采用三级控制标准，建立相应的地表沉降控制基准，分级分步进行沉降控制。

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