浅埋暗挖车站施工对周边建筑等环境变形的控制

2020-03-30王敦显张浩文

水利与建筑工程学报 2020年1期

王敦显，张浩文

(1.徐州市城市轨道交通有限责任公司，江苏徐州 221000；2.苏交科集团股份有限公司，江苏南京 210017)

城市地铁建设一般周边环境相对复杂，为保证建设过程中减少对交通和环境的影响，车站结构形式逐步出现多样化的特点。车站施工工法也发展成为明挖、盖挖和暗挖多种形式[1-3]。但由于地质条件多变及地下结构的复杂性，车站断面较大等特点使得暗挖车站在设计、施工等环节出现安全风险和环境风险的可能性较大[4]。所以在复杂周边环境的暗挖车站隧道施工时，如何精确控制沉降和及时完成支护封闭成环，使其与围岩共同作用形成联合支护体系，减小地表的沉降，保证隧道工程的安全施工一直是隧道工程的研究热点问题[5-6]。特别当城市地铁大跨度隧道工程所在地处于繁华市区，环境安全要求更高，有必要进行深入研究。

虞杨等[7]以青岛地铁3号线为工程背景，利用GeoFBA2D软件，分析开挖支护方法对地表沉降值的影响，并提出了经济、合理和安全的控制地面沉降的施工方法。赵俊等[8]利用有限元MIDAS/GTS研究了CRD工法开挖工程对徐州某单层暗挖地铁车站的单洞位移场影响，并获取了最佳开挖工序。陈峰[9]利用FLAC3D软件验证了盾构法与浅埋暗挖法结构修建北京地铁4号线车站的施工过程的安全兴与风险可控性。代维达[10]基于10个车站的地表沉降监测数据系统分析地表沉降与车站埋深、开挖面积等因素对北京地铁6号线浅埋暗挖法车站施工引起的地表沉降影响规律进行研究。骆建军等[11]以北京地铁黄庄站为背景，结合现场施工量测结果，揭示四号线在浅埋暗挖法施工条件下地表沉降的原因及沉降规律，分析了影响地表沉降的因素，并提出控制沉降的措施。王春国[12]分析了浅埋暗挖隧道上穿既有地铁隧道的工程时既有隧道沉降、结构应力、轴力和弯矩的变化规律。研究结果表明，新建隧道上穿施工会引起既有隧道的隆起。既有隧道内衬的正应力值均大于相应的外衬正应力值，既有衬砌的正应力值均小于C30混凝土的抗拉强度，不会造成受力破坏。何桥等[13]研究表明,中隔墙法施工能够很好地控制地层变形,但该法中4部开挖对拱顶、地表变形影响较大,施工时应引起重视。

上述研究表明，采用合理的用浅埋暗挖法是可以将地表沉降控制在设计要求的范围内的[14]。但是由于地质条件的多变以及施工参数的变化，使得研究成果具有一定的局限性，因此在施工过程中对地表沉降规律的分析，应当具体问题具体分析。CRD工法一般适用于围岩较差、跨度较大、地表沉陷难于控制的情况[15]。本文主要的研究内容是：以徐州地铁1号线车站为工程背景，通过数值模拟，计算CRD工法施工过程引起的隧道及地表沉降变形，同时基于隧道拱顶以及上部地表竖向位移监测数据，分析影响地表沉降因素，并阐述CRD工法控制上部建筑结构和周边地层沉降变形的有效性。

1 工程概况

1.1 地理位置及周边环境

徐州市轨道交通1号线一期工程的某车站，与2号线换乘，两线采用换乘厅通道换乘，两线车站同期实施。本站拟建场地周边环境较为复杂，西北侧为彭城广场，西南侧为中心时尚大道(地下一层，局部两层)、徐州中央百货大楼及悠沃地下商业街地块，东南侧为彭城饭店，东北侧为在建苏宁塔楼及附属裙楼(见图1)。1号线右线车站位于淮海路正下方，左线车站及外挂厅位于淮海路非机动车道北侧，起于中山路十字路口，终于彭城路；2号线车站起于河清路，止于淮海路，位于彭城路正下方。

1号线车站形式为分离岛车站，右线为地下单层车站，马蹄形断面，采用CRD法施工，右线结构拱顶覆土约21.17 m～21.60 m，跨度11.30 m，总高10.30 m，有效站台宽4.60 m，长120.00 m。左线为地下4层车站，与明挖厅合建，采用明挖顺作法施工；左线顶板覆土2.90 m～3.45 m；明挖厅为地下四层、局部地下五层的多柱多跨框架结构，顶板覆土0.50 m。左线有效站台宽4.00 m，长120.00 m，明挖厅起点里程左DK9+669.800，明挖厅终点里程左DK9+846.800，明挖厅结构外包总长139.55 m，结构总宽56.15 m，左线车站标准段结构总高27.89 m，外挂厅标准段地下五层总高31.04 m，标准段地下四层结构总高22.95 m，围护结构为地下连续墙+内支撑支护形式。

图1 车站与周边建筑物平面关系图

1.2 工程水文地质

暗挖隧道所处地层从上到下土层依次为:①1杂填土(厚度约3.0 m～6.0 m)、①1-2老城杂填土(厚度约3.4 m～8.0 m)、⑤3-4硬塑状黏土(厚度约9.0 m～13.0 m)，土层总厚度约20.5 m～22.0 m，其中⑤3-4硬塑状黏土为微透水层。土层下为基岩，分别为(12)7-3-2B中风化灰岩、(12)7-3-2B中风化页岩、(12)6-3-2A中风化页岩、(12)6-3B中风化灰岩、(12)6-3A中风化页岩、(12)5-3A中风化粉砂岩，中风化灰岩层为较硬岩，风化程度较弱，但多发育节理或裂隙、溶蚀、岩溶发育，发育规律性差，且易富水。页岩、砂岩为微透水层。暗挖主隧道高、宽均为11.5 m左右，暗挖主隧道拱顶位于土岩接合面(见图2)。

图2 矿山法车站隧道与中心时尚大道纵剖面图

拟建场地下伏基岩为寒武系灰岩，含有岩溶，且较为发育。据钻孔资料显示，岩石常见溶隙及溶洞。拟建段属浅覆盖型岩溶，本车站见溶洞的钻孔45个，钻孔见洞率为59.20%，线岩溶率为3.55%。溶洞部分以充填型为主，充填物为硬—可塑状褐黄黏土夹灰岩碎块，部分为空洞。场地溶岩发育主要受构造控制，岩层倾角较陡，地表水沿节理下渗地下水运动强烈，岩溶发育方向受层面控制，多为NEE—SWW方向。隧道综合围岩等级为V级。

地下水类型分为填土中的上层滞水、上部土层中的潜水及基岩裂隙水。潜水(含上层滞水)主要由大气降水、居民生活用水排放及大气降水补给，水位动态变化较大，分布不连续，水量较小。基岩裂隙水主要赋存于寒武系灰岩溶洞和裂隙中，受岩体破碎程度、节理裂隙发育程度及溶洞大小等控制，水量变化较大，由地层地下水及周围基岩裂隙水补给，在构造破碎带、节理裂隙密集处汇集，水量较大，具有承压性。根据现有勘察资料，场区地下水(潜水)埋深约3.20 m～7.10 m，水位标高约25.25 m～29.33 m，受地形影响起伏较大，根据地区经验，潜水水位变化幅度约为1.00 m。岩溶裂隙水水位埋深为5.00 m～7.00 m, 溶裂隙水水位受大气降水影响显著，年动态随季节而变化，年变幅3.00 m～5.00 m。

2 开挖过程及支护形式

2.1 开挖过程

考虑该车站周边环境较为复杂，且上部结构都为重要工程，这要求施工安全度高，地面沉降精确控制。综合考虑此处水文地质条件，因此，选用CRD工法进行开挖，要遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”，以对建筑物或周边管线进行保护。暗挖总体思路：左线暗挖隧道通过破除连续墙1#小导洞进洞，右线暗挖隧道通过3#横通道进入主洞，再由3#横通道向西侧施工暗挖主洞。具体步骤如图3所示。正线暗挖隧道分为标准段、端头井段。车站标准段开挖宽度11.50 m，开挖高度10.57 m。盾构始发及接收段开挖宽度12.00 m，开挖高度11.07 m。拱顶覆土约21.30 m，在时尚大道底板下13.76 m。

图3 隧道开挖顺序

2.2 支护形式

为保证初期支护具有足够的刚度和强度，承受施工期间的全部荷载、并能有效的控制地层变形，初期支护形式结构为复合式衬砌形式，作为永久结构的一部分，初期支护在使用阶段与二次衬砌结构共同承受土压力。考虑耐久性设计以及使用期间荷载的变化，二次衬砌采用模筑钢筋混凝土结构并按可能发生的最不利情况下的水压力及初期支护因材料性能退化和刚度下降引起的荷载转移，按照二衬刚度和折减后的初衬刚度比进行分配，水压力全部由二衬承担(见图4)。

图4 隧道横断面图

2.3 特殊地段设计措施

拱部位于土岩分界线，在明挖结构施工完成后，在隧道拱部范围内一次打设大管棚进行超前支护。管棚采用直径108 mm、厚6 mm的钢管，环向间距为0.4 m,长度为40.0 m。由于位于土岩结合面，管棚环向统一采用钢花管根据实际情况进行注浆。在管棚中间增加超前小导管对土岩接合面拱部范围的岩土进行注浆加固。小导管采用直径42.0 mm、厚3.5 mm的钢花管，环向间距为0.4 m,单根长为3.0 m，结合钢架设置。在破除横通道开洞钢架施工正线隧道时，应连立三榀格栅钢架。注浆采用水泥砂浆，管棚注浆水灰比为1∶1，小导管注浆水灰比为0.5～1.0。管棚注浆压力控制在1.5 MPa以内，小导管注浆压力控制在1 MPa以内。

3 数值模拟分析

3.1 计算模型

计算采用MIDAS/GTS NX岩土有限元分析软件建立三维有限元模型，考虑隧道开挖影响，模型沿隧道纵向取80 m，横向取车站跨度的7倍(为150 m),深度为70 m。在有限元模型中采用了理想弹塑性材料，进行非线性计算。围岩材料的本构模型采用摩尔-库仑模型，以考虑围岩的非线性变形。模型围岩采用弹塑性各向同性体材料模拟，衬砌采用全长粘结式直梁材料模拟。采用地层结构法计算左、右线隧道支护结构变形，同时分析左、右线主隧道开挖对中心时尚大道的影响。隧道施工的分步开挖过程通过软件提供的“挖去”来实现。在隧道开挖工程计算中不考虑地下水渗流的影响，根据试验结果，模拟计算需要的底层以及材料力学参数如表1所示。

表1 材料力学参数

3.2 结果分析

地层损失使得开挖隧洞周围土体会沿隧洞径向挤压，隧洞上部土体会沉降，下部土体会隆起；地表土体也会因此发生沉降。地层损失还会在土层—隧道横断面上造成明显的应力集中现象。沿隧道纵向，因为有上部结构的存在，使得地层的应力分布显著变化，即：在有上部结构作用的位置，地层的初始应力较大，开挖后地层损失应力较多，造成沿隧道纵向沉降值在该部位较大。具体结果如下：

(1) 左线主隧道在开挖完毕后，如图5所示，地表沉降槽宽度约为35 m，隧道底最大隆起最大29.4 mm，隧道顶最大沉降10.1 mm，小于30.0 mm的最大地表沉陷的控制标准；地层最大变形出现的位置为结构基础下方，如图6所示。

图5 左线主隧道横断面地表沉降云图

图6 左线主隧道纵断面地表沉降云图

(2) 右线主隧道在开挖完毕后，如图7所示，地表沉降槽宽度约为33 m，隧道底最大隆起最大28.3 mm，隧道顶最大沉降18.1 mm，小于30.0 mm的最大地表沉陷的控制标准；地层最大变形出现位置同样位于结构基础下方，如图8所示。

(3) 4号—6号暗挖横通道开挖完毕后，如图9所示，隧道底最大隆起最大29.1 mm，隧道顶最大沉降18.1 mm，小于30.0 mm的最大地表沉陷的控制标准。

(4) 经过模拟计算，左、右线主隧道开挖完成后中心时尚大道基础隆起竖向位移1.98 mm，可见主隧道开挖引起的建筑物基础水平拉伸程度较小。各类管线变形值均小于10.00 mm，满足规范要求。在施工过程中要特别关注周边重要建筑物的沉降和变形，及时在洞内、洞外采取加固措施。

图7 右线主隧道横断面地表沉降云图

图8 右线主隧道纵断面地表沉降云图

图9 中心时尚大道基础沉降云图

4 地铁施工沉降变形监测与分析

暗挖隧道易发生坍塌等事故，都会造成地面大范围的沉降和变形，危及周边建(构)筑物的安全。因此，施工前应制定详细的监测方案，应对暗挖隧道及其周边可能产生的地表及建(构)筑物的变形详细监控量测，以做到信息化施工。为重点探讨暗挖隧道对初支结构和上部建筑是否会产生较大的变形和沉降以及对周边环境的影响。对隧道底以及上部地表竖向位移等进行监测。利用监测数据来判断隧道结构安全和上部建筑变形是否能满足要求。

4.1 检测点布置

为全面监测暗挖隧道车站地表沉降，暗挖车站上部地表纵向部三排测点，暗挖车站左侧部一排测点，3号横通道线上方部一排测点，每排为9个测点，均匀分布在暗挖车站隧道地表两侧，具体测点如图10所示。

图10 暗挖段地面沉降监测平面图

4.2 沉降分析

根据对时尚大道商业下方施工时地面沉降监测点的监测分析，选取沉降最大点所在断面进行分析，图11为左线隧道中线上方观测点研究竖向位移变化情况，由图11可知，地表沉降随隧道开挖进程开展逐渐增大，地表沉降对前期开挖敏感性较弱，约开挖2周后地表呈现明显的沉降变形，且变形逐渐增大，最终约在开挖14周后达到变形稳定，DBC-07-07以及DBC-11-07的最大值沉降量约为5 mm，而DBC-09-07的最大值沉降量约为11 mm。

图11 左线隧道暗挖施工地面沉降观测值

为与时尚大道商业位置对比，取3号横通道中线上方观测点进行对比分析，具体沉降量时程曲线如图12所示。与前述类似，地表沉降量逐渐增大，但值得关注的是，与图11相比，3号横通道中线地表达到第一次沉降稳定所需时间更长，且达到第一次稳定对应的沉降量约在15 mm～20 mm之间，这表明，当隧道开挖下穿已有上覆建筑结构时，上覆结构会明显抑制由隧道开挖引起的地表沉降量，约降低30%～50%，此外，地表沉降达到稳定所需时间也有显著降低。

此外，由图12还可知，当地表沉降达到稳定一段时间后，又发生显著的二次沉降，且二次沉降较一次沉降沉降速度更快，沉降量更大，最大沉降量约为30 mm，约为一次沉降的1.5倍～2.0倍。这是因为一次沉降是由左线隧道开挖引起的，而二次沉降则是由3号横通道开挖引起的，但达到二次稳定的所需时间远小于一次稳定时间，这表明在立体空间交叉开挖施工中，两次互交开挖引起的地表沉降远大于一次开挖，最大值约为50 mm，而第二次开挖对地表沉降量贡献更大，但第二次开挖引起地表沉降达到稳定所需时间更短。这要求对于同一立体空间的多次开挖工程，需更严格的监测由开挖引起的沉降变形，严格控制变形量，及时进行支护及地层加固，以保证上部及邻近建筑安全。