城市地下空間洞樁法監測指標折減及安全施工應用*

肖清華，邱澤民，雷升祥,2，何亞濤，李聰明，吳東宇，周國鵬

(1.西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031； 2.中國鐵建股份公司，北京 100091；3.廣州地鐵集團有限公司，廣東 廣州 510000)

0 引言

隨著我國城市基礎建設的迅猛發展，軌道交通和地下空間建設也不斷推進，特別是地下空間開發利用是目前解決城市有限空間問題的主要途徑[1-2]。然而，隨著地下空間逐步向深度大及跨度大方向發展，不可避免地會對地下空間結構本身和周邊臨近建筑物產生較大影響[3-4]。比如，2010年杭州地鐵事故、2019年青島地鐵事故和2019年廣州地鐵事故都導致了重大人員傷亡。調查結果表明，上述已經修建或正在修建的軌道與地下工程，都設置了正常的監測系統和監控體系，但卻仍然出現了重大事故。

由于地下空間大且地質與周邊條件都極為復雜，如果按照常規規范中的指標進行施工控制，可能會出現控制效果不理想的情況。因此，如何在現有規范的基礎上進一步趨嚴確定或優化開挖過程的監控指標將會是一大難題。

國內外學者對地下工程和安全監控等方面進行了相關研究，獲得了豐富成果。張頂立等[5]從細觀結構層面分析了不同地層結構形式對安全性的影響關系，結合“支護-圍巖”動態作用關系的分析，建立了極不穩定地層條件下復雜隧道圍巖安全性的評價指標體系，將圍巖超前變形、超前破壞和地層加固有效性作為核心評價指標，形成了包括9項基礎指標的評價體系，并提出了安全性的分級方法；王震[6]在城市隧道施工評價中引入危險指數法，以巖體力學分級為基礎，借鑒危險度指數評價法，提出了城市隧道施工安全的分級體系，將隧道施工安全等級分為I～VI級，該評價體系的各因素權重采用層次分析法確定，主觀因素對安全等級影響程度通過補償系數衡量；Goh等[7]用多元自適應回歸樣條和logistic回歸評價地下洞室開挖的穩定性，提出了一種新的評價方法，將多變量自適應回歸樣條(MARS)方法和邏輯回歸(LR)方法相結合，將觀察到的病例分為穩定、潛在不穩定和不穩定組。Dindarloo等[8]提出了一種基于最大沉降量的淺埋隧道分級系統，分類器根據幾何、地面和性能特征對隧道進行分類。Giardina[9]提出了一種基于最大沉降量的淺埋隧道分級系統，分類器根據幾何、地面和性能特征對隧道進行分類。這些研究都推動了隧道與地下工程的安全狀態研究進展，但是無論是國內還是國外其適用范圍都是有限的，且對于地下大空間這一特殊工況未進行充分考慮。

縱觀上述研究發現，對于地下空間的監測控制指標是否合理以及如何修改調整以使其更能復合實際情況等，還需做進一步探索。

本文依托采取洞樁法施工的廣州地鐵地下大空間工程建設，運用理論分析和現場試驗與測試等手段，對原有安全指標及其控制結果進行分析并優化，對比前后控制值的施工控制效果，為后續施工提供可靠依據，確保施工安全。

1 城市地下大空間洞樁法施工條件分析

鑒于城市環境較為復雜，工程本身規模、地質和周邊建筑等條件對施工安全影響極大。以廣州市軌道交通流花路站地下暗挖施工為例進行分析。

1.1 地下空間工程條件

廣州市軌道交通流花路站為地下車站，位于人民北路與流花路交叉路口處，臨近流花湖公園，車站走向基本為南北向，為地下2層3跨暗挖車站，平面布置如圖1所示。

圖1 地下平面布置

設計包括車站主體、車站附屬建筑(含通道、出入口、風道、風亭、冷卻塔)、結構初步設計，主體及配線均采用暗挖法施工。車站主體暗挖斷面為雙柱三連拱斷面，寬26m，高17.76m，隧道覆土厚約19.5m，采用初支+二襯的復合結構形式。車站配線暗挖斷面主要為小凈距并行雙隧道，隧道寬11.2m，高8.95m，隧道覆土厚約26.8m，配線交叉段局部采用寬26m、高16.5m大斷面單洞隧道，采用初支+二襯的復合結構形式。

1.2 土巖混層地質條件

流花路站殘積土主要為粉質黏土，可塑狀～硬塑狀，部分為粉土，中密～密實狀，工程性質較好。另外，部分工程置于全風化和強風化巖層中，全風化呈堅硬土狀，工程性質較好，而強風化巖石呈半巖半土狀、碎塊狀，風化裂隙發育，為極軟巖，巖體完整性差，風化巖及殘積土具遇水軟化、失水干裂的特點。上述地層條件給地鐵工程施工帶來不利影響。

1.3 周邊環境條件及工程風險

周邊建筑物主要有廣控大廈、原廣州軍區總醫院康樂大廈、原廣州軍區東寶展覽中心、原廣州軍區總醫院門診部和東方賓館等。

1.4 洞樁法開挖方法

鑒于地質條件和周邊環境極為復雜，流花路車站主體部分采用洞樁法施工，在施工過程設置4個導洞，導洞長267m，凈空4.60m×5.60m，錨噴支護形式，其導洞斷面與開挖空間展布如圖2所示。

圖2 洞樁法斷面與開挖空間展布

由上述分析可知，地下空間隧道開挖斷面大、開挖步驟多導致力學轉換復雜，容易產生大的地表沉降，安全控制非常困難。

2 暗挖施工常規監測指標及控制效果分析

確定施工方法后，按規范選取監測控制指標進行安全施工并對其控制效果進行分析。鑒于篇幅所限，在此僅對與地面沉降及地面塌陷關聯性極大的地表沉降及地下空間中的拱頂沉降進行分析和說明。

2.1 暗挖施工監測現行規范安全控制指標

在地下空間施工安全監測中，一般可以綜合國家標準并結合各個地方標準選擇合理、可用的控制指標。鑒于篇幅所限，在此選取暗挖施工過程的地表沉降控制標準進行說明，其值如表1所示。

表1 地下暗挖施工地表沉降監測控制值

結合工程實際開挖情況與周邊環境，選取控制標準為：地面沉降20mm以內，沉降平均速率3mm/d，沉降最大速率4mm/d。

但從現場實際施工效果看，控制指標偏于寬松，容易造成地下空間施工過程垮塌事故，在實際試驗性開挖過程中，也發現拱頂和地面均有不安全跡象。基于此，必須對控制指標適當趨嚴縮小或優化。

2.2 控制標準趨嚴確定方法

2.2.1控制指標趨嚴方法

參考隨機介質理論法與地表沉降預測方法[10]，建立坐標系：以地下空間中心的正上方地表處為原點，向右為x軸，向下為y軸(地表沉降方向)。由此，則開挖直墻拱形地下空間引起的地表移動公式為：

(1)

式中：erf(x)為誤差函數；d,B,R分別為開挖斷面頂部的均勻下沉量、開挖寬度和中間變量，參數具體如圖3所示。

圖3 直墻拱地下空間開挖收斂位移

圖3中，A1是開挖平面區域，A2是變形收斂后的開挖區域，H是待開挖地下空間埋深。由此，d按簡化計算，將收斂變形面積簡化為地下開挖頂部的均勻下沉量，由此則有：

dB=A1-A2

(2)

(3)

(4)

誤差函數表達式為：

(5)

2.2.2不同地下空間施工控制指標的折減系數確定

1) 小斷面或單洞開挖

地下單洞施工時，其地表沉降控制可按規范進行確定。由式(1)可得，施工引起地表下沉最大值發生在x=0處，其最大下沉為：

(6)

2) 大斷面或多洞室開挖

就本文依托的地下工程而言，采取4個導洞的洞樁法施工，若忽略開挖順序對地表沉降的影響，根據疊加原理，可按圖3算得地表處的總下沉量。但因工程是沿x=0對稱的，因此為簡化計算，可只計算一側對中心的影響量。

令每個洞室對地表的沉降影響量為W(x)i,i=1,2，…，7。這里下角標即代表對應的每個洞室，已在圖2中標出，下文中的角標含義相同。

則4個導洞對地表下沉影響可用函數描述：

Q1=2ΣW(x)i,i=1,2

(7)

其中：

W(x)1=W(x-3s)=

(8)

W(x)2=W(x-s)=

(9)

d1為導洞的拱頂沉降計算簡化量，下文的d2同理。

當主洞室開挖完成，則會產生新的下沉量，3個主洞室對其的影響量分別為Q2=2W(x)5+W(x)6，其中：

W(x)5=W(x-r-s)=

(10)

(11)

則在大范圍開挖的情況下，地表的沉降函數為Q=Q1+Q2。取地表沉降的最大值點Qmax2，即：

(12)

與單洞室進行比較，按不同地下工程的空間關系，地表沉降不同體現了沉降控制標準的對應關系，據此可得到折減系數，即

(13)

結合工程實際，d=0.05m，R=14.23m，B1=4.6m,B2=8.6m,計算得到η=0.669 2，取η=0.67。

以原控制標準并按上述系數折減，取本工程地下洞室開挖的地表沉降控制值為：地面沉降13.4mm以內，沉降平均速率2mm/d，沉降最大速率3mm/d。

3 基于趨嚴控制指標的洞樁法施工工藝與安全控制效果分析

如果按折減指標進行施工控制，則會對施工方法及過程要求更嚴，因而需要基于趨嚴控制指標提出可靠的施工控制方法。

3.1 施工控制方法與施工工藝

基于趨嚴安全控制需要，導洞斷面與開挖如圖4所示。洞樁法開挖施工的詳細施工步序確定如下。

圖4 導洞斷面與開挖

1) 小導管及管棚超前支護(加固)，先開挖1，3小導洞，施工導洞初期支護。距離1，3小導洞約8～10m后開挖2，4小導洞，施工導洞初期支護。

2) 在小導洞洞通后在內采用人工成孔，施作邊樁及中柱基礎。施工鋼管柱，鋼管柱邊與孔壁之間填砂臨時穩定鋼管柱。

3) 施工邊樁冠梁,架立邊導洞內主拱的格柵鋼架，并按要求噴混凝土。C20混凝土回填邊導洞上部空間。安裝鋼管柱系統以及柱內的鋼筋籠。施工頂縱梁結構，并預留主拱二襯的鋼筋接頭，鋪設防水層。

4) 開挖主拱土體，施作主拱初期支護。主拱開挖順序為中拱先行，邊拱緊跟。中主拱開挖15～20m后，兩側主拱對稱開挖。

5) 逐段拆除小導洞邊墻，鋪設防水層，立模澆筑主拱二襯。二襯待初支扣拱施工完成后再施工二襯扣拱，先施工中拱，后施工邊拱。

6) 向下開挖土體至地下1層中板底面下約1.5m位置，施作側墻系統錨桿、噴射混凝土、敷設側墻防水層,施作地下1層中板、邊樁冠梁。

7) 向下開挖土體至基底位置，施作側墻系統錨桿、噴射混凝土、鋪設防水層，澆筑邊樁冠梁、底板、下層側墻。

8) 施作地下1層側墻，施作內部結構。

3.2 施工風險控制效果分析

為了更好地了解洞樁法施工工藝對安全控制的效果，現場對其進行監測，獲得了部分測量數據并繪制位移-時間變化曲線。在此以最為關鍵的主體結構暗挖前期工程中的5號井—6號井區段小導洞若干監測點地表沉降部分數據進行分析，地表沉降監測成果如表2所示。

由表2可知，地表最大沉降為2.99mm，沉降速率最大值僅為0.10mm/d，說明沉降變化率不大。測得數據均在可控范圍內且數據穩定，地面和周邊環境正常，說明按照趨嚴監控指標進行施工控制是可行的。

表2 5號井—6號井區段小導洞地表沉降監測(部分)

4 結語

1) 隨著地下空間逐步向深度大及跨度大方向發展，地下工程建設具有投資大、周期長、技術復雜、不可預見風險因素多和對社會環境影響大等特點，其安全控制指標與常規條件下有較大差異，如果確定不合理，會對地下空間結構本身和周邊臨近建筑物產生較大影響，也給施工安全控制帶來極大困難。

2) 現場監測數據結果表明，基于隨機介質理論、結合土層吸收沉降特點確定的地下空間施工趨嚴控制指標和地下工程洞樁法施工監控指標以及施工控制工藝，可以滿足施工安全控制要求。

3) 由于現場地質等條件變化頻繁，對施工安全影響非常大，盡管運用理論分析和現場試驗與測試等手段得到了趨嚴控制指標及施工工藝，其控制效果及控制指標的優化還需結合工程實際進行深入研究。