粉细砂地层地铁渡线段沉降控制措施及数值分析

赵 龙

（中铁十四局集团隧道工程有限公司，山东 济南 250101）

在城市地铁建设项目中，为满足行车组织和故障救援的要求，渡线段的设置不可缺少。根据以往的经验，软土地层渡线段常与车站明挖合建；而硬土地层，尤其是在周围环境复杂，无法提供明挖空间的渡线段更多地采用暗挖手段。鉴于渡线段施工在地铁建设中的重要性，相关学者开展了系列研究。刘颖等[1]从工期、造价、经济指标、地下车站结构和风险工程等方面探讨了硬土地层的施工方案。阚宝财[2]探讨了富水砂卵石地层渡线段暗挖施工技术，介绍了渡线段施工方法、顺序、技术要点及主要技术措施。赵斌等[3]讨论了CRD 法开挖大断面渡线段的可行性，介绍了不同断面的导洞施工工艺、施工步序、深孔注浆参数和质量控制措施等。路亮、屈文斌、郭瑶、张旭等[4-7]也对相关问题进行研究，推动了渡线段暗挖施工技术的进步。

该文依托北京地铁13 号线软件园站～后厂村站区间渡线段暗挖工程，介绍了粉细砂地层暗挖施工沉降控制方法，通过数值模拟研究了使用CRD 法在开挖过程中的地层沉降，以期为相关工程的建设提供借鉴。

1 工程概况

1.1 区间简介

北京地铁13 号线软件园站～后厂村站区间起点设置于东北旺西路与软件园南街十字路口北侧的软件园站北端。线路出站后沿东北旺西路向北敷设，至东北旺西路与东北旺北路路口处下穿既有钻石大厦后向东敷设，下穿既有北京阿尔普尔节能装备有限公司厂房及东北旺北路西侧民房，然后接入位于东北旺北路与上地村西路路口西南角的后厂村站西端。区间全长1173.358 m，根据疏散要求，设置2 座联络通道，其中2 号联络通道兼做废水泵房。区间左线采用矿山法+盾构法施工，右线采用盾构法施工。

由于上方管线较多，包括污水管、雨水管、通信以及燃气等管线，后厂村站左线渡线段采用暗挖法施工。该文的研究对象为左线渡线段，该区间位于后厂村站西侧，长31.455 m，线路纵向坡度2‰，隧道拱顶埋深约6.7 m。

1.2 周围建构物

区间下穿唐家岭路，双向四车道，道路红线宽25m，已实现规划。根据现有的管线资料，区间上方管线较为密集，主要包括φ1200mm 雨水管、φ400mm 配水管、φ400mm燃气管、φ100mm 电力管、30mm×30mm、60mm×20mm 通信管等。其中φ1200mm 雨水管，埋深3.6m，与区间竖向净距3.1m；φ400mm 配水管，埋深1.9m，与区间竖向净距4.8m；φ400mm 燃气管，埋深2.4m，与区间竖向净距4.3m。

1.3 工程地质与水文地质

盾构区间沿线穿越的地层以粗粒的圆砾卵石土夹砂土层为主，圆砾卵石土层之间夹厚度不等的黏性土、粉土层。地下水主要为潜水（二）、承压水（三）和承压水（四）。

渡线段主要位于粉细砂层，自稳能力差，是一种典型的力学不稳定地层，一旦被开挖，极易破坏原有的平衡状态，使开挖面和洞壁失去约束而失稳。

2 地层沉降控制措施

2.1 施工方法

周围管线密布，环境复杂，为控制施工引起的地层沉降，因此该区间采用CRD 法施工，主要施工步骤为超前支护、开挖进尺一榀钢架间距、初喷砼、挂钢筋网、架立钢格栅、复喷砼、初期支护背后注浆、铺设防水层、架立二衬钢筋、浇筑二次衬砌混凝土以及二衬背后注浆。

2.2 施工步骤

CRD 法主要施工步骤如下：施做超前大管棚及超前小导管支护措施，开挖左侧上导洞；上导洞采用台阶法预留核心土开挖，施做初期支护及中隔壁、临时仰拱；滞后左侧上导洞一定距离，台阶法开挖左侧下导洞，施做初期支护及中隔壁；拱顶超前深孔注浆加固，滞后左侧下导洞一定距离，台阶法预留核心土开挖右侧上导洞，施做初期支护及临时仰拱；台阶法开挖右侧下导洞，上导洞与下导洞掌子面错开一定距离，施作初期支护及临时中隔壁；分段局部截断中隔壁（步长为4 m～6 m），敷设防水层，绑扎钢筋并支模浇筑底板二衬，达到设计强度的75%后，分段局部破除剩余临时支撑（步长4 m～6 m），形成封闭二衬。

2.3 喷锚支护施工要求

喷锚支护施工要求如下：1）喷射混凝土采用湿喷工艺。2）喷射混凝土应多次进行，初喷厚度不宜小于钢筋网的最小保护层厚度。3）混凝土的喷射应分段、分片、分层且由下而上进行。4）喷射混凝土的质量检测的要求有以下3 点。①预埋厚度控制钉和喷射线控制喷层厚度，采用钻孔法检查喷射混凝土厚度。②喷层厚度检查点密度。结构性喷层为每100 m2/个，防护性喷层为400 m2/个，隧洞拱部喷层为每50 m2/个～80 m2/个。③满足喷层厚度的测点不小于60%，最小值不小于设计厚度的60%，检查孔处喷层厚度的平均值不小于设计厚度。

2.4 施工监测

2.4.1 监测目的

地下工程按信息化设计，现场监测可判断围岩稳定性、支护衬砌设计和施工方法的合理性，通过监控测量达到以下3 个目的：1）及时对比监测数据与预测值，判断施工工艺和支护参数的合理性，保障施工安全和地表建、构筑物的安全，指导下一步施工。2）及时反馈现场监测的数据和信息，优化和完善设计方案。3）依托监测数据，反演和优化理论预测方法，使计算和设计更贴近实际，指导今后的工程建设。

2.4.2 监测项目

监测项目主要有地质及支护观察、地下管线变形、地表沉降、初期支护拱顶位移和净空收敛、建构筑物沉降及倾斜等。

2.4.3 监测信息管理与反馈

监测信息的及时管理和反馈对控制施工现场尤其重要，应注意以下事项：1）应及时提交监控量测的日报、周报和月报，工程结束后提交总报告。监测成果报告中应包括技术说明、依据规范、监测方法和时间、使用仪器及精度，列出监测值、变形速率和变形差值，描绘变形曲线，并结合控制值与监测结果提出结论性意见。2）监测成果按黄色、橙色和红色三级预警进行管理和控制。预警级别和状态描述见表1。3）在开挖过程中，应将监测数据及时送给设计人员，以便于设计人员根据监测数据及时调整设计参数。

表1 预警级别和状态描述

3 地层沉降控制分析

3.1 建立模型

渡线段采用CRD 法开挖，初期支护采用厚度300 mm的C20 喷射混凝土，直径6.5 mm 间距0.15 m×0.15 m 的单层钢筋网，间距0.5 m 的格栅钢架。采用Midas GTS 有限元分析软件建立CRD 法开挖模型，分析渡线段开挖对周围地层变形的影响和初期支护结构的受力特征。计算采用地层-结构模型；隧道围岩本构关系采用修正摩尔库伦模型，以考虑围岩的非线性变形，衬砌结构采用弹塑性各向同性体材料模拟，喷射混凝土初期衬砌采用全长黏结式直梁材料模拟。计算模型的断面图如图1 所示。

图1 计算模型断面图

3.2 结果分析

图2 是渡线段采用CRD 法开挖各阶段竖直位移图。可以看出，首先开挖左侧上导洞，该工序引起的沉降值为3.79mm；接着开挖左侧下导洞，该工序完成后的沉降值为3.35mm；然后开挖右侧上导洞，此时，拱顶沉降值为3.37mm；最后完成侧侧下导洞的开挖，拱顶累积沉降值为2.89mm。值得注意的是开挖上部核心土时引起拱顶地层的沉降，而下部核心土的开挖释放地层应力，开挖面下部土体上拱，从而导致拱顶累积沉降值减少。总的来说，渡线段在采用CRD 法开挖的过程中，最大拱顶沉降为3.79mm，最大地表沉降为2.72mm，开挖面和地层变形稳定，满足设计要求。

图2 开挖各阶段竖向位移图

4 结论

依托北京地铁13 号线软件园站～后厂村站区间渡线段暗挖工程，由于粉细砂地层自稳能力差，周围环境复杂，采用大管棚超前支护，CRD 法开挖，有效控制了地层沉降。详细介绍了粉细砂地层暗挖施工沉降控制措施和施工步序、施工监测及环境保护方案、风险工程处理手段，为类似工程的建设提供借鉴。采用有限元数值仿真模拟了CRD 法开挖过程，结果表明，渡线段CRD 法掘进过程中，最大拱顶沉降为3.79 mm，最大地表沉降为2.72 mm，开挖面和地层变形稳定，满足设计要求。