北京大興國際機場線直徑9.0 m級盾構施工引起的地表位移和建筑物變形特征分析

羅富榮,王 鑫,韓 煊,李元凱

(1.北京市軌道交通建設管理有限公司,北京 100068； 2.城市軌道交通全自動運行系統與 安全監控北京市重點實驗室,北京 100068; 3.北京市勘察設計研究院有限公司,北京 100038)

引言

自2000年北京地鐵5號線首次引入土壓平衡盾構施工地鐵區間隧道以來，北京地鐵多條建成或在建線路采用了100余臺直徑6 m左右的常規地鐵盾構，經過近20年的研究與實踐，北京地區的常規地鐵盾構在設備制造、設計、施工以及風險控制等方面取得了豐富的經驗，特別是在城市復雜環境下盾構引起的沉降規律及其環境影響得到了系統的研究[1-15]。

而隨著京津冀地區城市的集群化發展，快速軌道交通建設提速，中型甚至大型盾構的使用也成為發展趨勢。在北京地區，地下直徑線采用直徑12.04 m的泥水加壓平衡盾構施工，地鐵14號線東風北橋站—將臺站、將臺站—望京南站區間采用直徑10.22 m土壓平衡盾構施工，已積累了一定的經驗。北京大興國際機場線是北京首次大范圍采用(共使用9臺)直徑9.0 m級的土壓平衡盾構集群化作業，盾構施工無論是在開挖面積、每環出土量、同步注漿量、最大扭矩、總推力、土艙壓力等施工參數都與常規地鐵盾構存在明顯的差異。這些條件的變化對其引起的地表位移規律有何影響還需進一步研究，國內外對直徑9.0 m級盾構施工變形特性的研究成果還非常少見，亟待圍繞確保大興機場線工程安全的重大需求，針對9.0 m級盾構施工變形預測與控制開展相應的理論、方法、技術等方面的研究。

針對以上問題，在對直徑9.0 m級盾構與一般常規地鐵盾構(直徑6.2 m)進行對比分析的基礎上，利用30組地表及10組建筑物沉降監測數據，對直徑9.0 m級盾構暗挖施工引起的地表及建筑物沉降變形規律進行了分析研究，并對其地層損失率、沉降槽寬度系數等沉降特征參數進行了反演分析研究。

1 依托工程

北京大興國際機場線是服務于大興國際機場的市域快線，南起新機場，北至草橋站后折返線。土建工程總長度41.2 km，地下段約22.4 km，其中采用盾構法施工長度約14.8 km，占地下段的66%，區間覆土厚度為13.60～22.16 m。大興機場線的平面位置如圖1所示。

圖1 北京大興國際機場線平面位置示意

1.1 區間結構及周邊環境概述

大興機場線是北京地區首次采用外徑9.0 m級的盾構(盾構機開挖直徑9 150 mm，盾體直徑9 100 mm，管片厚度0.45 m，寬度1.6 m)進行地下區間施工的工程。本工程盾構隧道施工周邊環境復雜，穿越眾多敏感建(構)筑物，其中包括南六環高速、既有鐵路、既有地鐵以及南水北調生命線工程等重大風險源，施工風險極大。9.0 m級盾構施工涉及復雜的巖土體與結構的相互作用問題，施工引起的地層位移演化規律受到工程地質條件、水文地質條件、施工工法、施工技術等多方面因素的制約，導致其自身的施工技術復雜、風險管控難度極大。這些都對9.0 m級盾構施工沉降控制帶來了極大的挑戰、提出了更高的要求。

1.2 工程地質及水文地質條件

本工程場地地面以下60 m深度范圍內地層按其沉積年代及工程性質分別為人工填土層、新近沉積層、第四紀沖洪積層。從上至下土層依次為：砂質粉土、黏質粉土、素填土①層，雜填土①1層，粉細砂素填土①3層，粉質黏土素填土①4層，砂質粉土黏質粉土②層，粉質黏土②1層，黏土②2層，砂質粉土黏質粉土③層，粉質黏土③1層，黏土③2層，粉細砂③3層，粉質黏土④層，黏土④1層，砂質粉土黏質粉土④2層，粉細砂④3層，卵石圓礫⑤層，粉細砂⑤2層，粉質黏土⑥層，砂質粉土黏質粉土⑥2層，粉細砂⑥3層，卵石圓礫⑦層，粉細砂⑦2層，卵石圓礫⑨層。盾構施工開挖面主要涉及的地層包括粉質黏土④層、粉細砂④3層以及卵石圓礫⑤層，粉細砂⑤2層。

本工程場地范圍內涉及的地下水主要包括：上層滯水(一)；層間潛水(三)：含水層主要為砂質粉土黏質粉土⑥2層及粉細砂⑥3層，局部具有微承壓性；層間潛水～承壓水(四)：主要含水層為卵石圓礫⑦層及其以下砂土、卵石地層，局部具有承壓性。典型的工程地質與水文地質剖面詳見圖2。

圖2 區間典型工程地質縱斷面

2 直徑9.0 m級盾構與常規地鐵盾構對比分析

大興機場線采用9臺直徑9.0 m級盾構機施工，平均每臺盾構機掘進2.9 km，單機掘進里程最大達3.8 km，76%區段涉及卵石地層，全線設置8處盾構始發或接收井，如此大規模的大直徑盾構同時掘進施工，在北京市軌道交通建設史上尚屬首次。與常規地鐵盾構相比，直徑9.0 m級盾構無論是在直徑、斷面面積等設計參數，還是每環出土量、最大扭矩、推力、土艙壓力等施工參數都與常規地鐵盾構存在明顯的差異，詳細對比見表1。

3 9.0 m級盾構施工引起的變形規律分析

3.1 現場實測數據的統計

針對北京大興機場線2個標段(磁各莊站—新發地站盾構區間(2號風井—3號風井區間)，永興河站至磁各莊站盾構區間)地面及建筑物沉降監測資料的梳理，共獲得了9.0 m級盾構施工所引起的地面沉降監測數據30組，建筑物沉降監測數據10組。

針對2個標段主要涉及的地層為：

人工堆積層：粉土素填土層；新近沉積層：粉土、粉質黏土及分細砂層；第四紀沉積層：粉砂、細砂、中砂、圓礫卵石、粉質黏土等。開挖面主要地層：粉質黏土、粉細砂及圓礫卵石。磁各莊站—新發地站盾構區間(2號風井—3號風井區間)，覆土深度10.7～12.1 m；永興河站至磁各莊站盾構區間，覆土深度9.0～16.7 m。

本次分析的建筑物的類型主要為單層或多層磚砌體結構；基礎形式為條形基礎；建筑物與盾構隧道位置關系主要為盾構下穿。典型的建筑物測點布置見圖3。

表1 直徑9.0 m級土壓平衡盾構與常規6.0 m級盾構對比

圖3 建筑物監測點布置情況

在分析過程中，沉降槽寬度i采用如下方法確定[14]，由Peck公式的基本形式[15]

(1)

式中，Sx為橫斷面上與隧道軸線距離為y的地面點沉降量；i為沉降槽寬度系數；K為沉降槽寬度系數，h為隧道軸線埋深；Vl為地層損失率。

可見，如果式(1)沉降曲線符合正態分布，則在“ln(s/smax)-y2”坐標系中繪制出的應該是一條直線。如果這條直線的斜率表示為m，則沉降槽寬度i可從以下公式中計算得到(圖4)

(2)

圖4 沉降槽寬度的確定

本文采用這一方法驗證測試數據是否符合正態分布的基本規律，同時可得到其沉降槽寬度i、寬度參數K，以及地層損失率Vl。

3.2 直徑9.0 m級盾構施工引起的地表及建筑物變形規律分析

圖5 DB-77斷面(左線)擬合與實測結果的對比

從現場監測數據擬合結果來看(圖5～圖8)，除了個別數據外，所搜集的40組實測數據都可以較好地采用正態分布擬合，對于9.0 m級盾構施工來說，在北京地區工程條件下，經典的Peck公式仍然基本適用，其地層瞬時位移的最主要原因還是由于洞室開挖引起的應力的釋放和重分布，其施工影響可以通過Peck方法中的計算參數地層損失率、沉降槽寬度系數等來較為準確的反映(本文數據的擬合采用北京市勘察設計研究院開發的“地鐵結構施工引起環境變形的多源信息化快速預測系統”)[16-20]。

圖6 DB-153斷面(左線)擬合與實測結果的對比

圖7 JGC-308-312(右線)擬合與實測結果的對比

圖8 JGC-225-229(左線)擬合與實測結果的對比

4 直徑9.0 m級盾構施工引起的地表沉降特征參數研究

在對現場監測成果進行分析的基礎上，研究基于正態曲線的9.0 m級盾構施工引起的地表沉降的特征參數集。

4.1 沉降槽寬度系數(K)

根據北京大興機場線直徑9.0 m級盾構施工所引起的30組地面沉降監測數據的統計結果，9.0 m級盾構施工所引起的沉降槽寬度系數K在0.25～0.63，其統計平均值為0.42(圖9)。

圖9 9.0 m級盾構施工引起地表沉降槽寬度系數K統計

對比常規地鐵盾構(圖9)：根據北京地區26組采用常規地鐵盾構(通常為直徑6.2 m的盾構)施工變形監測的統計結果，除了極個別的情況，沉降槽寬度系數K均在0.35～0.7，統計平均值為0.46。

可見，在直徑9.0 m級盾構施工引起的地層沉降槽寬度系數基本沒有明顯的差別。這主要是因為盾構施工所形成沉降槽主要還是由于開挖應力釋放造成，地鐵隧道埋深一般較深(均在10 m以上)，斷面形狀對沉降槽的影響不明顯[11-13]。

4.2 地層損失率(Vl)

根據北京大興機場線直徑9.0 m級盾構施工所引起的30組地面沉降監測數據的統計結果，地層損失率的范圍在0.18%～1.21%，數據的離散性較大，但地層損失率的主要分布范圍在0.36%～1.09%(占統計樣本接近90%)，其統計平均值為0.63%(圖10)。

圖10 9.0 m級盾構施工引起地表沉降槽地層損失率統計

對比常規地鐵盾構(圖10)：根據北京地區26組采用常規地鐵盾構(通常為直徑6.2 m的盾構)施工變形監測統計結果，地層損失率Vl在0.17%～2.44%，其中90%以上都在0.20%～1.5%，其統計平均值在0.70%～0.80%。

可見，直徑9.0 m級盾構暗挖引起的地層損失率相對略小。但是考慮到9.0 m級盾構斷面面積(約66 m2)是常規地鐵盾構斷面面積(約30 m2)的2倍多，9.0 m級盾構引起的地層損失還是相對較大的。同時可見，由于地層損失率不僅與工程地質、水文地質條件有關，還和施工方法、施工技術水平和管理水平等諸多因素有關，因此離散性較大。

5 直徑9.0 m級盾構施工引起的建筑物沉降分析

根據本次北京大興機場線直徑9.0 m級盾構施工所引起的10組建筑物沉降監測數據的統計結果，9.0 m級盾構施工所引起的建筑物沉降槽寬度系數K在0.32～0.85，其統計平均值為0.61(圖11)，較地表沉降槽寬度系數大，即相對于地面沉降，建筑物的沉降分布有均勻化的趨勢。究其原因：建筑物結構剛度會起到對地層位移的約束作用，根據共同作用原理，剛度具有傳遞、協調作用，由此造成變形均勻化。建筑結構的沉降曲線雖仍保持為正態分布特征，但其結構剛度對沉降曲線的影響反映在沉降槽寬度的變化上，即反映在槽寬系數K的變化上。也就是說，若建筑物結構剛度越大，則對地表的約束作用越大，K值越大，其沉降槽曲線越淺，越平緩。

圖11 9.0 m級盾構施工引起建筑物沉降槽寬度系數K統計

根據本次10組建筑物沉降監測數據的統計結果，地層損失率在0.23%～0.63%，數據的離散性同樣較大，其統計平均值為0.40%(圖12)，略小于地面沉降統計結果。

圖12 9.0 m級盾構施工引起建筑沉降槽地層損失率統計

6 結論

在對直徑9.0 m級盾構與一般常規地鐵盾構進行對比分析的基礎上，利用30組地表及10組建筑物現場實測數據，對9.0 m級盾構暗挖施工引起的地表及建筑物沉降變形規律進行了分析研究，并對其地層損失率、沉降槽寬度系數等沉降特征參數進行了反演分析研究。得到的主要結論如下。

(1)直徑9.0 m級盾構引起的周邊地表及建筑物沉降變形能夠較好地符合正態分布。

(2)直徑9.0 m級盾構施工所引起的地面沉降槽寬度系數在0.25～0.63，平均值為0.42，對比北京地區常規地鐵盾構引起的地層沉降槽寬度系數無明顯的差別；9.0 m級盾構施工引起的建筑物沉降槽寬度系數在0.32～0.85，平均值為0.61，建筑物結構剛度作用對地層變形有所約束，較地表沉降槽寬度系數大。

(3)直徑9.0 m級盾構施工所引起的地面沉降地層損失率主要在0.36%～1.09%(占統計樣本的接近90%)，平均值為0.63%，較常規盾構略小。但考慮到9.0 m級盾構斷面面積約為常規地鐵盾構隧道2倍多，所引起的地層損失還是相對較大的。9.0 m級盾構施工引起的建筑物沉降地層損失率在0.23%～0.63%，平均值為0.40%，略小于地面沉降統計結果。