洞桩法开挖引起的地面沉降规律及实用估测方法研究

宗 翔

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海200092）

0 引 言

城市地下道路或地下管廊在下穿被交路口时，经常会遇到障碍物而难以采用明挖方式（管廊、大直径管线），或者由于高架桥及匝道挡土墙等无法破除或者横交道路保通要求较高也难以采用明挖方式，因而暗挖下穿成为必需。洞桩法是节点非开挖技术最为常见的方式，因其在保通和地表沉降控制的优势，目前被广泛应用于地铁车站建设中［1］。

洞桩法是先行施工导洞，在洞内制作挖孔桩，待梁柱完成后，再施作顶部结构，然后在其保护下施工下部结构，实际上就是将盖挖法施工的桩、梁、柱等转入地下进行，施工过程中顶拱的形成尤其重要。开挖引起的地表沉降及其对周边建筑物的影响是洞桩法施工主要关心的问题，王霆等［1］表明导洞开挖及初支、边桩和中柱及导洞二衬、扣拱和拱部土体开挖及支护三个阶段引起地表沉降比例为6：1.5：5。黄生根等［2］研究表明对地表沉降影响最大的主要是导洞开挖、初衬施工及二衬施工这三个阶段，占总沉降量的比值分别为32%、55%和7%。刘加柱等［3］认为导洞开挖与扣拱施工是引起地表沉降的两个主要阶段，二者引起地表沉降比例高达近90%。目前，研究主要为现场实测数据分析和具体工程案例的数值模拟，得出经验性的定性结论以指导施工，很难得出定量的结论，这是由于施工措施的多样化和人工开挖的质量水平差异导致的。鉴于此，本文主要通过对典型工程案例的剖析，划分主要施工阶段，分析各阶段沉降发展的特点及形成原因，在此基础上，提出估测洞桩法施工引起地面沉降的实用方法。

1 工程案例论述

郑州某地下空间沿创智路与陇海路斜交，斜交角度约67°。地下空间上层为车行环廊，下层为综合管廊，结构总宽15.35 m，总高10.75 m；陇海路现状为高架桥及上下挡土墙匝道，桥梁上部结构为三跨预应力箱梁，承台10.5 m×6.5 m×2 m，埋深4 m，桩长40 m，匝道挡土墙为L型挡墙，墙高约4 m，宽度约3.6 m；桥桩离地下结构最小净距为3.5 m，地下结构覆土约5.8 m。现场照片如图1所示。

图1 高架桥及挡土墙匝道照片Fig.1 Site photos of viaduct and retaining wall ramp

考虑到施工期间，匝道挡土墙不可拆除，需采用暗挖的方式下穿，为了保护高架桥梁的安全，桥梁下方仍采用明挖的方式。具体平面布置见图2，于陇海路上下匝道及地面辅道外侧分别建立两座工作井，高架桥梁下方建立一座接收井，工作井和接收井均采用明挖的方式，匝道挡土墙及外侧辅道则采用暗挖的方式，暗挖采用洞桩法施工，从两端工作井分别向接收井推进。暗挖过程主要分为五个阶段：①小导洞施工完毕；②边桩施工；③中导洞开挖；④顶部扣拱；⑤下部土体开挖和结构施工。设计与施工过程分别见图3与图4。

本工程地层从上至下依次为：①1.42 m 杂填土，②2.11 m 粉土，③5.96 m 粉土，④4.62 m 粉土，⑤9.64 m 粉土，⑥8.54 m 粉质黏土，⑦8.24 m 粉质黏土。勘察期间，场地地下水位在现自然地面以下26.3～36.4 m，相关地层设计参数见表1。

（1）小导洞施工完毕

在工作井内进行超前支护，包括深孔注浆、超前管棚和超前小导管等措施，考虑到中导洞跨度较大，为了控制地面沉降采用双排钢管棚超前支护，而小导洞由于单次开挖量和跨度均较小，采用单排钢管棚结合超前小导管的支护。小导洞初衬厚度300 mm，骨架为钢筋格栅。破除马头门，小导洞台阶法开挖，两个小导洞施工前后间距不小于8 m。

（2）边桩施工

小导洞初支完成，及时衬后注浆，在洞内进行混凝土排桩及冠梁的施工，梁顶预留格栅连接钢板，进行导洞内初衬施工，其间应注意预留格栅接头，随后回填导洞内混凝土。需要注意的是，边桩施工期间需破掉已形成的封闭的小导洞初衬结构。

（3）中导洞开挖

中导洞分左右两侧分别开挖，破除马头门，左侧中导洞出洞，施工初衬；随后右侧导洞出洞，按预留格栅施工初衬，继而连成整体。为保证安全，左右侧中导洞施工应错开8 m以上。

图2 竖井、暗挖区间、高架桥及匝道挡土墙平面布置图Fig.2 Plan of shaft，undermining，viaduct，retaining wall ramp

图3 暗挖横断面及主要施工阶段Fig.3 Undermining cross section and main construction stage

（4）顶部扣拱

自两侧竖井向中间竖井分段拆除初衬，分别完成左、右两侧的二次衬砌扣拱，扣拱过程中应注意临时支撑体系的运用。

（5）下部土体开挖及结构施工

在顶拱强度达到要求后，拆除底板格栅，向下开挖，完成中板施工，待中板达到设计强度后，在中板的作用下，继续向下开挖至底，完成底板及侧墙。

2 监测方案及结果

施工过程中，暗挖区域主要监测内容包括洞内收敛及沉降、顶拱二衬结构内力及沉降、地表沉降及匝道路面沉降、桥梁承台位移。本次主要研究地表沉降和匝道路面沉降。

2.1 监测方案

图4 主要施工阶段现场照片Fig.4 Site photos of main construction stage

表1 场地工程地质参数Table 1 Soil parameters

本次地表沉降共设置了9 组断面，其中观测明挖竖井共3 组断面，分别是DB01、DB05、DB09，每组各有10 个沉降观测点。暗挖区域共6 组断面，每组各有11 个沉降观测点。观测点的具体平面布置见图5。

2.2 地表沉降分析

施工主要分两个工区进行，位于接收井（陇海路高架）以北为北侧工区，以南则为南侧工区，两个工区基本同时进行。这里布点断面可分为三类：4、6 监测断面位于地面绿地，基本没有活荷载；2、8 监测断面位于地面路面，应考虑汽车车辆荷载；3、7 监测断面位于匝道路面，不仅考虑汽车荷载，还应考虑匝道自重。各断面沉降最大点随施工进度的关系如图6，根据施工记录，各阶段的施工时间跨度反应至图中，由图可知，地面绿地、地面路面和地面匝道的沉降走势基本相同，由于荷载不同，各断面表现出不同的沉降量，其中地面匝道沉降量最大，其次是地面道路，地面绿地沉降量最小。总体而言，边桩施工和中导洞开挖期间地面沉降量最大，北侧中导洞开挖沉降占比47.4%，边桩施工沉降占比37.1%；南侧中导洞开挖沉降占比54.2%，边桩施工沉降占比22.5%。

2.2.1 小导洞施工完毕产生的沉降

图5 监测点平面布置图Fig.5 Layout plan of monitoring points

图6 地表沉降随施工进度的时间曲线Fig.6 Surface settlement-time curve with construction progress

小导洞施工过程中产生的地面沉降是比较小的，南北两侧监测的结果都在5 mm左右。这可能是由于两个小导洞开挖断面较小，考虑到初衬较强（一排超前管棚和一排超前小导管），开挖面卸载较小。另一方面，两个导洞间距较大，净距8.15 m，导洞跨度5 m，导洞之间的相互影响较小，上方土体基本没有产生二次扰动。

2.2.2 边桩施工产生的沉降

依据监测数据，北侧工区边桩施工产生的沉降量为12.79 mm，约占总沉降的37.1%，南侧工区边桩施工产生的沉降量为8.58 mm，约占总沉降的22.5%。这与文献［1］所阐述的边桩引起的地面沉降较小的结论不一致，这可能是由于边桩施工时，需破除格栅，初衬破坏后，没有采取措施补强，使原本封闭的结构体系遭到破坏而导致的。从南、北两个工区对比可知，初衬破坏程度不同导致的沉降量有较大的差别，这与施工的进度、同一时间边桩施工的数量及距离是悉悉相关的。要想控制好沉降，施工中应避免同时、近距离、大面积边桩施工，并做好临时补强措施。

2.2.3 中导洞开挖产生的沉降

中导洞开挖产生的沉降量是最大的，北侧工区沉降量为16.34 mm，约占总沉降的47.4%，南侧工区沉降量为20.66 mm，约占总沉降的54.2%，这一监测结果与一般情况下初衬施工及二衬施工产生沉降量较大的结论不一致［2］。中导洞开挖产生较大沉降可能是由于中导洞将两侧小导洞连接起来，卸载范围大幅增加，整个15.5 m跨度体系完全转变为初衬结构承担。另一方面，中导洞开挖时，出现了较多拱部掉土的现象，这与中导洞超前支护相关（两排超前管棚），在没有超前小导管注浆的情况下，单靠超前管棚，极易产生掉土，从而使地面进一步沉降，这在设计与施工中应予以重视。

中导洞开挖，由于地面沉降量发展过快，为了控制沉降，采用了拱顶注浆的措施。合适注浆量和注浆压力非常重要，能有效阻止沉降进一步发展。

2.2.4 顶部扣拱产生的沉降

与一般情况不同，本工程顶部扣拱基本不产生沉降，这可能与每次拆除初衬之前采取一定预先竖向支撑有关。更有可能是，在超前支护和初衬做强的情况下（深孔注浆+超前管棚+格栅初衬），随着拱部土体的全部挖除，注浆体的强度快速增长，形成初衬连带厚注浆体的顶拱保护层，保护层能够在短期内承受较大的荷载，故而在拆除初衬进行顶部二衬扣拱时保证沉降不发展。

本工程洞桩法二衬扣拱期间沉降不发展情况与沈阳新乐遗址地铁站管幕预筑法主体结构施工期间沉降不发展类似［4］，都是强劲的初衬形成受力体系后，承受大部分拱顶荷载，这种平衡体系在主体二衬结构施工中基本不发生变化。

2.2.5 下部土体开挖及结构施工产生的沉降

在顶拱和边桩的保护下，进行下部土体的开挖，采用全逆作的方式施工结构中板和底板，期间产生的地面沉降很小，均在5 mm以内。此过程主要是边桩在下挖过程中产生的侧向变形和边桩嵌固长度变短导致的竖向沉降造成的。

总体而言，对于洞桩法这种人工开挖、工况繁杂、步序较多、施工补救措施灵活的工法而言，沉降预测是很困难的，更不宜强调过多解析方法。由于每个工程采用的开挖方式、支护强度和地质水文条件各异，得出的工程经验也不尽相同，因此个案的分析和工程师的预判相当重要。

3 中导洞开挖阶段的沉降估测

由前可知，边桩施工和中导洞开挖是沉降形成的主要阶段，北侧区域、南侧区域此两阶段占总沉降量的84.5%、76.7%，因此这两阶段的沉降估测和沉降控制极为重要。一般而言，在经历过小导洞开挖、边桩施工之后，结构的体系及边界条件基本不变，紧接着的中导洞开挖工序也是“沿袭”前阶段的边界条件和受力规律，此外，施工上的方式和参数也会被“沿袭”下来，因此可以认为，在不出现极端措施的情况下，可以用边桩施工之后的沉降估测中导洞开挖的沉降。

3.1 边桩施工和中导洞开挖沉降规律

采用洞桩法施工，由于施工步序的复杂性和人为开挖的不确定等问题，很难用精确的理论解析去预测沉降，目前都是采用实测数据与数值模拟进行分析与解释。

以南、北两个工区的地面匝道实测数据为对象，研究发现，边桩施工阶段和中导洞开挖阶段的沉降均大体符合Peck 曲线［5］（R 方均大于0.9），由于中导洞的开挖，最大沉降变大，沉降槽宽度变窄。由于中导洞是分左洞和右洞两次开挖的，待一侧导洞完成初衬之后方能进行另一导洞的开挖，故Peck曲线会向后开挖的一侧偏移［4］，而并非呈完全的中心线对称，详见图7。

图7 两阶段沉降规律Fig.7 Two-stage settlement rule

3.2 两阶段的沉降曲线关系

Peck 曲线采用高斯公式描述，其中Smax为最大沉降，i为沉降槽宽度，Sx=Smaxexp（-x2∕2i2）。两个变量之间存在如下关系：Smax=，其中Vl是地层损失，与施工水平、地质情况等相关。

可以假设，在经历过小导洞开挖、边桩施工之后，结构体系及边界条件基本不变，施工方式和参数也大致相同，在不出现极端措施的情况下，中导洞开挖的地层损失率与边桩施工的相同，即地层损失只与开挖断面面积相关。以下标1 为中导洞开挖沉降曲线参数，下标2 为边桩施工沉降曲线参数，存在如下关系：

其中S 为各阶段开挖的断面面积。由表2 可知，对于北侧工区，按式（1）计算结果为2.03=1.68·i2∕i1，对于南侧工区，按式（1）计算结果为1.93=1.68·i2∕i1。其中，1.68 为中导洞开挖的面积（包括两侧小导洞）与两侧小导洞开挖的面积之比，见图3（b）和图3（d）。通过表2 可知，i2∕i1=1.2，基本满足式（1）。

i 为沉降槽宽度，与地层、施工方法和开挖跨度有关，本次不讨论具体的沉降槽宽度确定方法，而重点讨论两个阶段的关系。对于浅埋暗挖法而言，由于开挖跨度大，覆土很浅，沉降槽宽度受开挖跨度影响很大。孟丹等［6］研究表明，对于从中间向两侧扩大开挖时，当开挖断面较大时，开挖跨度的影响不能忽略，理论上差值为L∕2（L 为开挖跨度）。反过来，对于从两侧向中间扩大开挖时，由于受中部沉降影响，沉降槽宽度会变窄，理论上差值也是L∕2。通过表2 的拟合结果可知，i1=i2-0.417L，即沉降槽宽度减小的幅度为小导洞净距L=8.15 m的0.417倍。当然，以上结论是关于本工程南北两个案例的经验，仍需更多的实例验证。

表2 拟合曲线主要参数Table 2 Main parameters of fitting curve

图8 沉降槽宽度变化示意Fig.8 Change of settlement trough width

3.3 沉降估测实用方法

通过以上结论可以估测洞桩法施工引起的地面沉降，为施工对周边环境的分析以及是否需要采用更强的措施提供一定的依据，主要分为以下步骤：

（1）根据计算与经验，结合当地工程地质与水文条件，设计合理施工方法，布置地面沉降监测点。监测两侧导洞开挖及边桩施工引起的地面沉降。

（2）用Peck 曲线拟合地面沉降曲线，找出最大沉降Smax2，沉降槽宽度i2等关键参数。

（3）通过小导洞净距跨度，估算中导洞开挖后的沉降槽宽度i1=i2-0.417L，通过中导洞开挖的面积（包括两侧小导洞）与两侧小导洞开挖的面积之比，估算地层损失率的比例关系Vl1∕Vl2=S1∕S2，从而根据Smax1∕Smax2=S1∕S2·i2∕i1估算Smax1。

（4）根据关系参数Smax1和i1估算中导洞开挖之后的地面沉降曲线。

（5）根据边桩施工及中导洞开挖这两阶段沉降占总体沉降的关系，估测最终产生的沉降。

（6）若根据（4）或（5）产生的沉降量超过了预先设定的限值，则后续施工中应采取更为有力的措施，避免发生风险事件。

4 结 论

（1）按施工步序和沉降曲线特征，将洞桩法暗挖施工分为五个阶段，根据实测数据发现，边桩施工和中导洞开挖期间地面沉降量最大，北侧中导洞开挖沉降占比47.4%，边桩施工沉降占比37.1%；南侧中导洞开挖沉降占比54.2%，边桩施工沉降占比22.5%。依据工程特点给出了沉降发展的相关解释，为设计、施工提供了应注意的事项和理论依据。

（2）根据实测数据研究发现，边桩施工阶段和中导洞开挖阶段的沉降均符合Peck 曲线，文章重点对比研究了两个阶段最大沉降量、沉降槽宽度之间的关系。

（3）建立了估测洞桩法施工引起的地面沉降的实用方法：以边桩施工引起的地面沉降为基础，根据两阶段沉降曲线关键参数之间的关系，求解中导洞开挖阶段的最大沉降量和沉降槽宽度，用于预测中导洞开挖阶段的地面沉降；再依据边桩施工及中导洞开挖这两阶段沉降占总体沉降的比例，估测最终产生的沉降。沉降估测方法为后续施工及周边环境保护提供一定的理论依据。