洞樁法開挖引起的地面沉降規律及實用估測方法研究

宗 翔

（同濟大學建筑設計研究院（集團）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時，經常會遇到障礙物而難以采用明挖方式（管廊、大直徑管線），或者由于高架橋及匝道擋土墻等無法破除或者橫交道路保通要求較高也難以采用明挖方式，因而暗挖下穿成為必需。洞樁法是節點非開挖技術最為常見的方式，因其在保通和地表沉降控制的優勢，目前被廣泛應用于地鐵車站建設中［1］。

洞樁法是先行施工導洞，在洞內制作挖孔樁，待梁柱完成后，再施作頂部結構，然后在其保護下施工下部結構，實際上就是將蓋挖法施工的樁、梁、柱等轉入地下進行，施工過程中頂拱的形成尤其重要。開挖引起的地表沉降及其對周邊建筑物的影響是洞樁法施工主要關心的問題，王霆等［1］表明導洞開挖及初支、邊樁和中柱及導洞二襯、扣拱和拱部土體開挖及支護三個階段引起地表沉降比例為6：1.5：5。黃生根等［2］研究表明對地表沉降影響最大的主要是導洞開挖、初襯施工及二襯施工這三個階段，占總沉降量的比值分別為32%、55%和7%。劉加柱等［3］認為導洞開挖與扣拱施工是引起地表沉降的兩個主要階段，二者引起地表沉降比例高達近90%。目前，研究主要為現場實測數據分析和具體工程案例的數值模擬，得出經驗性的定性結論以指導施工，很難得出定量的結論，這是由于施工措施的多樣化和人工開挖的質量水平差異導致的。鑒于此，本文主要通過對典型工程案例的剖析，劃分主要施工階段，分析各階段沉降發展的特點及形成原因，在此基礎上，提出估測洞樁法施工引起地面沉降的實用方法。

1 工程案例論述

鄭州某地下空間沿創智路與隴海路斜交，斜交角度約67°。地下空間上層為車行環廊，下層為綜合管廊，結構總寬15.35 m，總高10.75 m；隴海路現狀為高架橋及上下擋土墻匝道，橋梁上部結構為三跨預應力箱梁，承臺10.5 m×6.5 m×2 m，埋深4 m，樁長40 m，匝道擋土墻為L型擋墻，墻高約4 m，寬度約3.6 m；橋樁離地下結構最小凈距為3.5 m，地下結構覆土約5.8 m。現場照片如圖1所示。

圖1 高架橋及擋土墻匝道照片Fig.1 Site photos of viaduct and retaining wall ramp

考慮到施工期間，匝道擋土墻不可拆除，需采用暗挖的方式下穿，為了保護高架橋梁的安全，橋梁下方仍采用明挖的方式。具體平面布置見圖2，于隴海路上下匝道及地面輔道外側分別建立兩座工作井，高架橋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，匝道擋土墻及外側輔道則采用暗挖的方式，暗挖采用洞樁法施工，從兩端工作井分別向接收井推進。暗挖過程主要分為五個階段：①小導洞施工完畢；②邊樁施工；③中導洞開挖；④頂部扣拱；⑤下部土體開挖和結構施工。設計與施工過程分別見圖3與圖4。

本工程地層從上至下依次為：①1.42 m 雜填土，②2.11 m 粉土，③5.96 m 粉土，④4.62 m 粉土，⑤9.64 m 粉土，⑥8.54 m 粉質黏土，⑦8.24 m 粉質黏土。勘察期間，場地地下水位在現自然地面以下26.3～36.4 m，相關地層設計參數見表1。

（1）小導洞施工完畢

在工作井內進行超前支護，包括深孔注漿、超前管棚和超前小導管等措施，考慮到中導洞跨度較大，為了控制地面沉降采用雙排鋼管棚超前支護，而小導洞由于單次開挖量和跨度均較小，采用單排鋼管棚結合超前小導管的支護。小導洞初襯厚度300 mm，骨架為鋼筋格柵。破除馬頭門，小導洞臺階法開挖，兩個小導洞施工前后間距不小于8 m。

（2）邊樁施工

小導洞初支完成，及時襯后注漿，在洞內進行混凝土排樁及冠梁的施工，梁頂預留格柵連接鋼板，進行導洞內初襯施工，其間應注意預留格柵接頭，隨后回填導洞內混凝土。需要注意的是，邊樁施工期間需破掉已形成的封閉的小導洞初襯結構。

（3）中導洞開挖

中導洞分左右兩側分別開挖，破除馬頭門，左側中導洞出洞，施工初襯；隨后右側導洞出洞，按預留格柵施工初襯，繼而連成整體。為保證安全，左右側中導洞施工應錯開8 m以上。

圖2 豎井、暗挖區間、高架橋及匝道擋土墻平面布置圖Fig.2 Plan of shaft，undermining，viaduct，retaining wall ramp

圖3 暗挖橫斷面及主要施工階段Fig.3 Undermining cross section and main construction stage

（4）頂部扣拱

自兩側豎井向中間豎井分段拆除初襯，分別完成左、右兩側的二次襯砌扣拱，扣拱過程中應注意臨時支撐體系的運用。

（5）下部土體開挖及結構施工

在頂拱強度達到要求后，拆除底板格柵，向下開挖，完成中板施工，待中板達到設計強度后，在中板的作用下，繼續向下開挖至底，完成底板及側墻。

2 監測方案及結果

施工過程中，暗挖區域主要監測內容包括洞內收斂及沉降、頂拱二襯結構內力及沉降、地表沉降及匝道路面沉降、橋梁承臺位移。本次主要研究地表沉降和匝道路面沉降。

2.1 監測方案

圖4 主要施工階段現場照片Fig.4 Site photos of main construction stage

表1 場地工程地質參數Table 1 Soil parameters

本次地表沉降共設置了9 組斷面，其中觀測明挖豎井共3 組斷面，分別是DB01、DB05、DB09，每組各有10 個沉降觀測點。暗挖區域共6 組斷面，每組各有11 個沉降觀測點。觀測點的具體平面布置見圖5。

2.2 地表沉降分析

施工主要分兩個工區進行，位于接收井（隴海路高架）以北為北側工區，以南則為南側工區，兩個工區基本同時進行。這里布點斷面可分為三類：4、6 監測斷面位于地面綠地，基本沒有活荷載；2、8 監測斷面位于地面路面，應考慮汽車車輛荷載；3、7 監測斷面位于匝道路面，不僅考慮汽車荷載，還應考慮匝道自重。各斷面沉降最大點隨施工進度的關系如圖6，根據施工記錄，各階段的施工時間跨度反應至圖中，由圖可知，地面綠地、地面路面和地面匝道的沉降走勢基本相同，由于荷載不同，各斷面表現出不同的沉降量，其中地面匝道沉降量最大，其次是地面道路，地面綠地沉降量最小。總體而言，邊樁施工和中導洞開挖期間地面沉降量最大，北側中導洞開挖沉降占比47.4%，邊樁施工沉降占比37.1%；南側中導洞開挖沉降占比54.2%，邊樁施工沉降占比22.5%。

2.2.1 小導洞施工完畢產生的沉降

圖5 監測點平面布置圖Fig.5 Layout plan of monitoring points

圖6 地表沉降隨施工進度的時間曲線Fig.6 Surface settlement-time curve with construction progress

小導洞施工過程中產生的地面沉降是比較小的，南北兩側監測的結果都在5 mm左右。這可能是由于兩個小導洞開挖斷面較小，考慮到初襯較強（一排超前管棚和一排超前小導管），開挖面卸載較小。另一方面，兩個導洞間距較大，凈距8.15 m，導洞跨度5 m，導洞之間的相互影響較小，上方土體基本沒有產生二次擾動。

2.2.2 邊樁施工產生的沉降

依據監測數據，北側工區邊樁施工產生的沉降量為12.79 mm，約占總沉降的37.1%，南側工區邊樁施工產生的沉降量為8.58 mm，約占總沉降的22.5%。這與文獻［1］所闡述的邊樁引起的地面沉降較小的結論不一致，這可能是由于邊樁施工時，需破除格柵，初襯破壞后，沒有采取措施補強，使原本封閉的結構體系遭到破壞而導致的。從南、北兩個工區對比可知，初襯破壞程度不同導致的沉降量有較大的差別，這與施工的進度、同一時間邊樁施工的數量及距離是悉悉相關的。要想控制好沉降，施工中應避免同時、近距離、大面積邊樁施工，并做好臨時補強措施。

2.2.3 中導洞開挖產生的沉降

中導洞開挖產生的沉降量是最大的，北側工區沉降量為16.34 mm，約占總沉降的47.4%，南側工區沉降量為20.66 mm，約占總沉降的54.2%，這一監測結果與一般情況下初襯施工及二襯施工產生沉降量較大的結論不一致［2］。中導洞開挖產生較大沉降可能是由于中導洞將兩側小導洞連接起來，卸載范圍大幅增加，整個15.5 m跨度體系完全轉變為初襯結構承擔。另一方面，中導洞開挖時，出現了較多拱部掉土的現象，這與中導洞超前支護相關（兩排超前管棚），在沒有超前小導管注漿的情況下，單靠超前管棚，極易產生掉土，從而使地面進一步沉降，這在設計與施工中應予以重視。

中導洞開挖，由于地面沉降量發展過快，為了控制沉降，采用了拱頂注漿的措施。合適注漿量和注漿壓力非常重要，能有效阻止沉降進一步發展。

2.2.4 頂部扣拱產生的沉降

與一般情況不同，本工程頂部扣拱基本不產生沉降，這可能與每次拆除初襯之前采取一定預先豎向支撐有關。更有可能是，在超前支護和初襯做強的情況下（深孔注漿+超前管棚+格柵初襯），隨著拱部土體的全部挖除，注漿體的強度快速增長，形成初襯連帶厚注漿體的頂拱保護層，保護層能夠在短期內承受較大的荷載，故而在拆除初襯進行頂部二襯扣拱時保證沉降不發展。

本工程洞樁法二襯扣拱期間沉降不發展情況與沈陽新樂遺址地鐵站管幕預筑法主體結構施工期間沉降不發展類似［4］，都是強勁的初襯形成受力體系后，承受大部分拱頂荷載，這種平衡體系在主體二襯結構施工中基本不發生變化。

2.2.5 下部土體開挖及結構施工產生的沉降

在頂拱和邊樁的保護下，進行下部土體的開挖，采用全逆作的方式施工結構中板和底板，期間產生的地面沉降很小，均在5 mm以內。此過程主要是邊樁在下挖過程中產生的側向變形和邊樁嵌固長度變短導致的豎向沉降造成的。

總體而言，對于洞樁法這種人工開挖、工況繁雜、步序較多、施工補救措施靈活的工法而言，沉降預測是很困難的，更不宜強調過多解析方法。由于每個工程采用的開挖方式、支護強度和地質水文條件各異，得出的工程經驗也不盡相同，因此個案的分析和工程師的預判相當重要。

3 中導洞開挖階段的沉降估測

由前可知，邊樁施工和中導洞開挖是沉降形成的主要階段，北側區域、南側區域此兩階段占總沉降量的84.5%、76.7%，因此這兩階段的沉降估測和沉降控制極為重要。一般而言，在經歷過小導洞開挖、邊樁施工之后，結構的體系及邊界條件基本不變，緊接著的中導洞開挖工序也是“沿襲”前階段的邊界條件和受力規律，此外，施工上的方式和參數也會被“沿襲”下來，因此可以認為，在不出現極端措施的情況下，可以用邊樁施工之后的沉降估測中導洞開挖的沉降。

3.1 邊樁施工和中導洞開挖沉降規律

采用洞樁法施工，由于施工步序的復雜性和人為開挖的不確定等問題，很難用精確的理論解析去預測沉降，目前都是采用實測數據與數值模擬進行分析與解釋。

以南、北兩個工區的地面匝道實測數據為對象，研究發現，邊樁施工階段和中導洞開挖階段的沉降均大體符合Peck 曲線［5］（R 方均大于0.9），由于中導洞的開挖，最大沉降變大，沉降槽寬度變窄。由于中導洞是分左洞和右洞兩次開挖的，待一側導洞完成初襯之后方能進行另一導洞的開挖，故Peck曲線會向后開挖的一側偏移［4］，而并非呈完全的中心線對稱，詳見圖7。

圖7 兩階段沉降規律Fig.7 Two-stage settlement rule

3.2 兩階段的沉降曲線關系

Peck 曲線采用高斯公式描述，其中Smax為最大沉降，i為沉降槽寬度，Sx=Smaxexp（-x2∕2i2）。兩個變量之間存在如下關系：Smax=，其中Vl是地層損失，與施工水平、地質情況等相關。

可以假設，在經歷過小導洞開挖、邊樁施工之后，結構體系及邊界條件基本不變，施工方式和參數也大致相同，在不出現極端措施的情況下，中導洞開挖的地層損失率與邊樁施工的相同，即地層損失只與開挖斷面面積相關。以下標1 為中導洞開挖沉降曲線參數，下標2 為邊樁施工沉降曲線參數，存在如下關系：

其中S 為各階段開挖的斷面面積。由表2 可知，對于北側工區，按式（1）計算結果為2.03=1.68·i2∕i1，對于南側工區，按式（1）計算結果為1.93=1.68·i2∕i1。其中，1.68 為中導洞開挖的面積（包括兩側小導洞）與兩側小導洞開挖的面積之比，見圖3（b）和圖3（d）。通過表2 可知，i2∕i1=1.2，基本滿足式（1）。

i 為沉降槽寬度，與地層、施工方法和開挖跨度有關，本次不討論具體的沉降槽寬度確定方法，而重點討論兩個階段的關系。對于淺埋暗挖法而言，由于開挖跨度大，覆土很淺，沉降槽寬度受開挖跨度影響很大。孟丹等［6］研究表明，對于從中間向兩側擴大開挖時，當開挖斷面較大時，開挖跨度的影響不能忽略，理論上差值為L∕2（L 為開挖跨度）。反過來，對于從兩側向中間擴大開挖時，由于受中部沉降影響，沉降槽寬度會變窄，理論上差值也是L∕2。通過表2 的擬合結果可知，i1=i2-0.417L，即沉降槽寬度減小的幅度為小導洞凈距L=8.15 m的0.417倍。當然，以上結論是關于本工程南北兩個案例的經驗，仍需更多的實例驗證。

表2 擬合曲線主要參數Table 2 Main parameters of fitting curve

圖8 沉降槽寬度變化示意Fig.8 Change of settlement trough width

3.3 沉降估測實用方法

通過以上結論可以估測洞樁法施工引起的地面沉降，為施工對周邊環境的分析以及是否需要采用更強的措施提供一定的依據，主要分為以下步驟：

（1）根據計算與經驗，結合當地工程地質與水文條件，設計合理施工方法，布置地面沉降監測點。監測兩側導洞開挖及邊樁施工引起的地面沉降。

（2）用Peck 曲線擬合地面沉降曲線，找出最大沉降Smax2，沉降槽寬度i2等關鍵參數。

（3）通過小導洞凈距跨度，估算中導洞開挖后的沉降槽寬度i1=i2-0.417L，通過中導洞開挖的面積（包括兩側小導洞）與兩側小導洞開挖的面積之比，估算地層損失率的比例關系Vl1∕Vl2=S1∕S2，從而根據Smax1∕Smax2=S1∕S2·i2∕i1估算Smax1。

（4）根據關系參數Smax1和i1估算中導洞開挖之后的地面沉降曲線。

（5）根據邊樁施工及中導洞開挖這兩階段沉降占總體沉降的關系，估測最終產生的沉降。

（6）若根據（4）或（5）產生的沉降量超過了預先設定的限值，則后續施工中應采取更為有力的措施，避免發生風險事件。

4 結 論

（1）按施工步序和沉降曲線特征，將洞樁法暗挖施工分為五個階段，根據實測數據發現，邊樁施工和中導洞開挖期間地面沉降量最大，北側中導洞開挖沉降占比47.4%，邊樁施工沉降占比37.1%；南側中導洞開挖沉降占比54.2%，邊樁施工沉降占比22.5%。依據工程特點給出了沉降發展的相關解釋，為設計、施工提供了應注意的事項和理論依據。

（2）根據實測數據研究發現，邊樁施工階段和中導洞開挖階段的沉降均符合Peck 曲線，文章重點對比研究了兩個階段最大沉降量、沉降槽寬度之間的關系。

（3）建立了估測洞樁法施工引起的地面沉降的實用方法：以邊樁施工引起的地面沉降為基礎，根據兩階段沉降曲線關鍵參數之間的關系，求解中導洞開挖階段的最大沉降量和沉降槽寬度，用于預測中導洞開挖階段的地面沉降；再依據邊樁施工及中導洞開挖這兩階段沉降占總體沉降的比例，估測最終產生的沉降。沉降估測方法為后續施工及周邊環境保護提供一定的理論依據。