邻近建筑物深大竖井施工引起地表沉降分析研究

□文/李力亨

竖井作为地铁车站暗挖法施工重要部分，对车站主体结构的施工进度起着控制性作用[1]。由于竖井深度通常达到30～40 m且开挖面较传统基坑小得多，采用传统基坑支护既不合理、也不经济；当竖井横通道附近存在重要建筑物及管线时，一旦变形过大，不仅影响自身安危，更可能导致建筑物开裂、沉陷以及管线破裂等[2～3]，贾波[4]、陶禹[5]、骆建军等[6]通过对邻近建筑物的地铁竖井开挖引起沉降的研究，得出正确的加固方式对控制建筑物沉降起着至关重要作用的结论。

1 工程概况

北京地铁19号线北太平庄站与12号线在北太平庄路和北三环中路路口交汇，形成“T”形换乘车站，整个车站体量大，工期紧张。车站东北象限为北京城建大厦楼房，西北象限为远望楼宾馆，南侧近距离侧穿北太平桥，周边环境复杂；既有建筑物导致不能多设置竖井，因此设置于车站东北角的4#竖井同时承担了19号线和12号线车站部分的施工任务。见图1。

图1 4#竖井横通道平面

4#竖井开挖尺寸为6.25 m×7.25 m，壁厚350 mm，净空为5.9 m×6.9 m，采用倒挂格栅钢架的方式支护，井壁是270 mm×270 mm的格栅钢架+湿喷混凝土，格栅由4 根25 mm 主筋形成“口”字形骨架，钢筋主筋之间用角钢焊接牢固。

竖井井口所处地层为填土，为确保竖井使用期间井口的稳定性及安全性，在井口设置了深1 m、宽1.5 m的现浇钢筋混凝土锁口圈梁；锁口圈梁预埋ϕ22 mm@1 000 mm的竖向连接筋，对井壁格栅钢架起倒挂作用。

横通道分七层，初支采用格栅钢架+喷射混凝土，各层净空均为4 m×5 m；首层和最底层横通道初支厚度350 mm，其余初支壁厚均为300 m。

2 水文地质条件

竖井开挖范围内从上而下为杂填土、粉土填土、粉细砂以及卵石。见图2。

图2 竖井横通道横剖面

竖井横通道施工范围内存在填土、杂填土以及粉细砂，尤其横通道的拱顶及竖井内破马头门处，均处于粉细砂地层，工程性质很差，开挖后若不及时支护，容易变形、沉降。本次竖井横通道施工期间，采用井点降水将地下水降至井底以下0.5 m。

钻孔勘察资料显示，该区域内主要赋存有潜水、层间潜水。钻探未揭露上层滞水。

潜水埋深为7.60 m，含水层岩性主要为③粉土，分布不连续，仅在部分钻孔内对该层水有所揭露。

层间潜水（三）埋深10.90～15.95 m，含水层岩性主要为④3粉细砂，局部为⑥2粉土，透水性较好。

层间潜水（四）埋深约30.20 m，含水层岩性主要为卵石圆砾。

3 施工工艺及变形控制

3.1 施工工艺

井口以下10 m的范围，格栅钢架竖向间距为750 mm，井内破第一层横通道拱顶上方格栅钢架密排，间距400 mm，余下范围格栅钢架竖向间距都采用500 mm。在竖井处于素填土、人工填土、粉细砂地层及靠近地下人行通道一侧，每榀斜向下打设直径32.5 mm、壁厚3.25 mm 的超前小导管，超前注浆改良粉细砂等不良地层。小导管与格栅钢架牢固焊接。

结合现场泥浆池要求，竖井施工至横通道底板下方约1.5～2 m 用型钢临时封底，破首层横通道马头门前，于马头门上方水平打设超前小导管注浆加固，形成棚护作用；破马头门后，横通道格栅钢架要与竖井钢架可靠焊接，确保马头门处受力安全。见图3。

图3 竖井支撑

横通道掘进前，对拱顶进行超前深孔注浆，注浆压力控制在0.3～0.8 MPa，对注浆加固体进行检测，其无侧限抗压强度≮0.8 MPa，渗透系数＜1×10-6cm/s。

横通道采用矿山法施工，分上下台阶，为确保上台阶掌子面稳定，上台阶开挖采用预留核心土环形开挖。上层横通道与下层横通道之间须错距8 m 以上，横通道开挖至车站围护桩处进行临时端墙封堵。

3.2 变形控制

竖井和横通道施工引起的地表总沉降控制值为30 mm；电力管沟及给水管的总沉降控制值为10 mm；地下人行通道的控制值为15 mm[7～8]。见图4。

图4 竖井与周边环境监测平面

4 施工控制数值模拟分析及实测结果

采用MADIS GTS 有限元软件建立地层-结构模型，模拟横通道开挖对地表沉降的累计沉降，初支结构视为弹性材料，地层视作莫尔-库伦理想弹塑性材料，模型左右边界做横向约束，下边界做竖向约束，最上端为自由边界。见表1-表2和图5-图6。

表1 地层力学性质指标

表2 横通道物理力学参数

图5 横通道有限元计算模型

图6 横通道施工沉降

由图6 可知，横通道施工引发的地表累计沉降约为13.6 mm。

第一层横通道拱顶距离地面12.5 m，电力管沟（2 000 mm×2 100 m）距离第一层横通道拱顶仅247 mm，给水管（ϕ1 600 mm）距离第一层横通道拱顶9.2 m，竖井距离地下人行通道仅2.22 m；以上均为4#竖井横通道施工过程中的重大风险源，因此，制定合理、严密的现场监测方案[9～13]非常必要。

为证明有限元数值计算的可靠性，对竖井横通道及周边进行现场实测，选择靠近4#竖井横通道的地表、人行通道及管线统计了其沉降值，见图7。

图7 沉降变形

由图7可知，地表沉降最终稳定在12.5 mm左右，满足变形控制要求；证实了有限元数值分析的可靠性，也表明4#竖井横通道施工工序和支护方法合理，保证了自身及周边环境安全。

由图6和图7可知，竖井横通道的施工步序、超前注浆加固范围及材料是适用的，很好地控制了地表及周边建筑的沉降。

5 结论

1）城市复杂环境中的深大竖井及邻近管线横通道的施工须采用可靠的超前加固方案且保证实施到位。

2）复杂地层中深度达40 m 的竖井采用倒挂井壁法是可行的；只要严格实行初支施工步序，能将地表沉降控制在规定范围内。

3）地质条件差的地层，施工前打设超前小导管，一方面起到改良地层作用，一方面可抑制初支下沉，对稳定井壁起到控制作用。