北京大兴国际机场线直径9.0 m级盾构施工引起的地表位移和建筑物变形特征分析

罗富荣,王 鑫,韩 煊,李元凯

(1.北京市轨道交通建设管理有限公司,北京 100068； 2.城市轨道交通全自动运行系统与 安全监控北京市重点实验室,北京 100068; 3.北京市勘察设计研究院有限公司,北京 100038)

引言

自2000年北京地铁5号线首次引入土压平衡盾构施工地铁区间隧道以来，北京地铁多条建成或在建线路采用了100余台直径6 m左右的常规地铁盾构，经过近20年的研究与实践，北京地区的常规地铁盾构在设备制造、设计、施工以及风险控制等方面取得了丰富的经验，特别是在城市复杂环境下盾构引起的沉降规律及其环境影响得到了系统的研究[1-15]。

而随着京津冀地区城市的集群化发展，快速轨道交通建设提速，中型甚至大型盾构的使用也成为发展趋势。在北京地区，地下直径线采用直径12.04 m的泥水加压平衡盾构施工，地铁14号线东风北桥站—将台站、将台站—望京南站区间采用直径10.22 m土压平衡盾构施工，已积累了一定的经验。北京大兴国际机场线是北京首次大范围采用(共使用9台)直径9.0 m级的土压平衡盾构集群化作业，盾构施工无论是在开挖面积、每环出土量、同步注浆量、最大扭矩、总推力、土舱压力等施工参数都与常规地铁盾构存在明显的差异。这些条件的变化对其引起的地表位移规律有何影响还需进一步研究，国内外对直径9.0 m级盾构施工变形特性的研究成果还非常少见，亟待围绕确保大兴机场线工程安全的重大需求，针对9.0 m级盾构施工变形预测与控制开展相应的理论、方法、技术等方面的研究。

针对以上问题，在对直径9.0 m级盾构与一般常规地铁盾构(直径6.2 m)进行对比分析的基础上，利用30组地表及10组建筑物沉降监测数据，对直径9.0 m级盾构暗挖施工引起的地表及建筑物沉降变形规律进行了分析研究，并对其地层损失率、沉降槽宽度系数等沉降特征参数进行了反演分析研究。

1 依托工程

北京大兴国际机场线是服务于大兴国际机场的市域快线，南起新机场，北至草桥站后折返线。土建工程总长度41.2 km，地下段约22.4 km，其中采用盾构法施工长度约14.8 km，占地下段的66%，区间覆土厚度为13.60～22.16 m。大兴机场线的平面位置如图1所示。

图1 北京大兴国际机场线平面位置示意

1.1 区间结构及周边环境概述

大兴机场线是北京地区首次采用外径9.0 m级的盾构(盾构机开挖直径9 150 mm，盾体直径9 100 mm，管片厚度0.45 m，宽度1.6 m)进行地下区间施工的工程。本工程盾构隧道施工周边环境复杂，穿越众多敏感建(构)筑物，其中包括南六环高速、既有铁路、既有地铁以及南水北调生命线工程等重大风险源，施工风险极大。9.0 m级盾构施工涉及复杂的岩土体与结构的相互作用问题，施工引起的地层位移演化规律受到工程地质条件、水文地质条件、施工工法、施工技术等多方面因素的制约，导致其自身的施工技术复杂、风险管控难度极大。这些都对9.0 m级盾构施工沉降控制带来了极大的挑战、提出了更高的要求。

1.2 工程地质及水文地质条件

本工程场地地面以下60 m深度范围内地层按其沉积年代及工程性质分别为人工填土层、新近沉积层、第四纪冲洪积层。从上至下土层依次为：砂质粉土、黏质粉土、素填土①层，杂填土①1层，粉细砂素填土①3层，粉质黏土素填土①4层，砂质粉土黏质粉土②层，粉质黏土②1层，黏土②2层，砂质粉土黏质粉土③层，粉质黏土③1层，黏土③2层，粉细砂③3层，粉质黏土④层，黏土④1层，砂质粉土黏质粉土④2层，粉细砂④3层，卵石圆砾⑤层，粉细砂⑤2层，粉质黏土⑥层，砂质粉土黏质粉土⑥2层，粉细砂⑥3层，卵石圆砾⑦层，粉细砂⑦2层，卵石圆砾⑨层。盾构施工开挖面主要涉及的地层包括粉质黏土④层、粉细砂④3层以及卵石圆砾⑤层，粉细砂⑤2层。

本工程场地范围内涉及的地下水主要包括：上层滞水(一)；层间潜水(三)：含水层主要为砂质粉土黏质粉土⑥2层及粉细砂⑥3层，局部具有微承压性；层间潜水～承压水(四)：主要含水层为卵石圆砾⑦层及其以下砂土、卵石地层，局部具有承压性。典型的工程地质与水文地质剖面详见图2。

图2 区间典型工程地质纵断面

2 直径9.0 m级盾构与常规地铁盾构对比分析

大兴机场线采用9台直径9.0 m级盾构机施工，平均每台盾构机掘进2.9 km，单机掘进里程最大达3.8 km，76%区段涉及卵石地层，全线设置8处盾构始发或接收井，如此大规模的大直径盾构同时掘进施工，在北京市轨道交通建设史上尚属首次。与常规地铁盾构相比，直径9.0 m级盾构无论是在直径、断面面积等设计参数，还是每环出土量、最大扭矩、推力、土舱压力等施工参数都与常规地铁盾构存在明显的差异，详细对比见表1。

3 9.0 m级盾构施工引起的变形规律分析

3.1 现场实测数据的统计

针对北京大兴机场线2个标段(磁各庄站—新发地站盾构区间(2号风井—3号风井区间)，永兴河站至磁各庄站盾构区间)地面及建筑物沉降监测资料的梳理，共获得了9.0 m级盾构施工所引起的地面沉降监测数据30组，建筑物沉降监测数据10组。

针对2个标段主要涉及的地层为：

人工堆积层：粉土素填土层；新近沉积层：粉土、粉质黏土及分细砂层；第四纪沉积层：粉砂、细砂、中砂、圆砾卵石、粉质黏土等。开挖面主要地层：粉质黏土、粉细砂及圆砾卵石。磁各庄站—新发地站盾构区间(2号风井—3号风井区间)，覆土深度10.7～12.1 m；永兴河站至磁各庄站盾构区间，覆土深度9.0～16.7 m。

本次分析的建筑物的类型主要为单层或多层砖砌体结构；基础形式为条形基础；建筑物与盾构隧道位置关系主要为盾构下穿。典型的建筑物测点布置见图3。

表1 直径9.0 m级土压平衡盾构与常规6.0 m级盾构对比

图3 建筑物监测点布置情况

在分析过程中，沉降槽宽度i采用如下方法确定[14]，由Peck公式的基本形式[15]

(1)

式中，Sx为横断面上与隧道轴线距离为y的地面点沉降量；i为沉降槽宽度系数；K为沉降槽宽度系数，h为隧道轴线埋深；Vl为地层损失率。

可见，如果式(1)沉降曲线符合正态分布，则在“ln(s/smax)-y2”坐标系中绘制出的应该是一条直线。如果这条直线的斜率表示为m，则沉降槽宽度i可从以下公式中计算得到(图4)

(2)

图4 沉降槽宽度的确定

本文采用这一方法验证测试数据是否符合正态分布的基本规律，同时可得到其沉降槽宽度i、宽度参数K，以及地层损失率Vl。

3.2 直径9.0 m级盾构施工引起的地表及建筑物变形规律分析

图5 DB-77断面(左线)拟合与实测结果的对比

从现场监测数据拟合结果来看(图5～图8)，除了个别数据外，所搜集的40组实测数据都可以较好地采用正态分布拟合，对于9.0 m级盾构施工来说，在北京地区工程条件下，经典的Peck公式仍然基本适用，其地层瞬时位移的最主要原因还是由于洞室开挖引起的应力的释放和重分布，其施工影响可以通过Peck方法中的计算参数地层损失率、沉降槽宽度系数等来较为准确的反映(本文数据的拟合采用北京市勘察设计研究院开发的“地铁结构施工引起环境变形的多源信息化快速预测系统”)[16-20]。

图6 DB-153断面(左线)拟合与实测结果的对比

图7 JGC-308-312(右线)拟合与实测结果的对比

图8 JGC-225-229(左线)拟合与实测结果的对比

4 直径9.0 m级盾构施工引起的地表沉降特征参数研究

在对现场监测成果进行分析的基础上，研究基于正态曲线的9.0 m级盾构施工引起的地表沉降的特征参数集。

4.1 沉降槽宽度系数(K)

根据北京大兴机场线直径9.0 m级盾构施工所引起的30组地面沉降监测数据的统计结果，9.0 m级盾构施工所引起的沉降槽宽度系数K在0.25～0.63，其统计平均值为0.42(图9)。

图9 9.0 m级盾构施工引起地表沉降槽宽度系数K统计

对比常规地铁盾构(图9)：根据北京地区26组采用常规地铁盾构(通常为直径6.2 m的盾构)施工变形监测的统计结果，除了极个别的情况，沉降槽宽度系数K均在0.35～0.7，统计平均值为0.46。

可见，在直径9.0 m级盾构施工引起的地层沉降槽宽度系数基本没有明显的差别。这主要是因为盾构施工所形成沉降槽主要还是由于开挖应力释放造成，地铁隧道埋深一般较深(均在10 m以上)，断面形状对沉降槽的影响不明显[11-13]。

4.2 地层损失率(Vl)

根据北京大兴机场线直径9.0 m级盾构施工所引起的30组地面沉降监测数据的统计结果，地层损失率的范围在0.18%～1.21%，数据的离散性较大，但地层损失率的主要分布范围在0.36%～1.09%(占统计样本接近90%)，其统计平均值为0.63%(图10)。

图10 9.0 m级盾构施工引起地表沉降槽地层损失率统计

对比常规地铁盾构(图10)：根据北京地区26组采用常规地铁盾构(通常为直径6.2 m的盾构)施工变形监测统计结果，地层损失率Vl在0.17%～2.44%，其中90%以上都在0.20%～1.5%，其统计平均值在0.70%～0.80%。

可见，直径9.0 m级盾构暗挖引起的地层损失率相对略小。但是考虑到9.0 m级盾构断面面积(约66 m2)是常规地铁盾构断面面积(约30 m2)的2倍多，9.0 m级盾构引起的地层损失还是相对较大的。同时可见，由于地层损失率不仅与工程地质、水文地质条件有关，还和施工方法、施工技术水平和管理水平等诸多因素有关，因此离散性较大。

5 直径9.0 m级盾构施工引起的建筑物沉降分析

根据本次北京大兴机场线直径9.0 m级盾构施工所引起的10组建筑物沉降监测数据的统计结果，9.0 m级盾构施工所引起的建筑物沉降槽宽度系数K在0.32～0.85，其统计平均值为0.61(图11)，较地表沉降槽宽度系数大，即相对于地面沉降，建筑物的沉降分布有均匀化的趋势。究其原因：建筑物结构刚度会起到对地层位移的约束作用，根据共同作用原理，刚度具有传递、协调作用，由此造成变形均匀化。建筑结构的沉降曲线虽仍保持为正态分布特征，但其结构刚度对沉降曲线的影响反映在沉降槽宽度的变化上，即反映在槽宽系数K的变化上。也就是说，若建筑物结构刚度越大，则对地表的约束作用越大，K值越大，其沉降槽曲线越浅，越平缓。

图11 9.0 m级盾构施工引起建筑物沉降槽宽度系数K统计

根据本次10组建筑物沉降监测数据的统计结果，地层损失率在0.23%～0.63%，数据的离散性同样较大，其统计平均值为0.40%(图12)，略小于地面沉降统计结果。

图12 9.0 m级盾构施工引起建筑沉降槽地层损失率统计

6 结论

在对直径9.0 m级盾构与一般常规地铁盾构进行对比分析的基础上，利用30组地表及10组建筑物现场实测数据，对9.0 m级盾构暗挖施工引起的地表及建筑物沉降变形规律进行了分析研究，并对其地层损失率、沉降槽宽度系数等沉降特征参数进行了反演分析研究。得到的主要结论如下。

(1)直径9.0 m级盾构引起的周边地表及建筑物沉降变形能够较好地符合正态分布。

(2)直径9.0 m级盾构施工所引起的地面沉降槽宽度系数在0.25～0.63，平均值为0.42，对比北京地区常规地铁盾构引起的地层沉降槽宽度系数无明显的差别；9.0 m级盾构施工引起的建筑物沉降槽宽度系数在0.32～0.85，平均值为0.61，建筑物结构刚度作用对地层变形有所约束，较地表沉降槽宽度系数大。

(3)直径9.0 m级盾构施工所引起的地面沉降地层损失率主要在0.36%～1.09%(占统计样本的接近90%)，平均值为0.63%，较常规盾构略小。但考虑到9.0 m级盾构断面面积约为常规地铁盾构隧道2倍多，所引起的地层损失还是相对较大的。9.0 m级盾构施工引起的建筑物沉降地层损失率在0.23%～0.63%，平均值为0.40%，略小于地面沉降统计结果。