暗挖大斷面區間隧道下穿既有結構沉降控制研究

肖昱XIAO Yu；董延昭DONG Yan-zhao

（石家莊市軌道交通集團有限責任公司，石家莊 050000）

0 引言

地鐵隧道通常敷設于城市道路下方，在地鐵隧道建設施做過程中，不可避免引起隧道影響區周邊巖土體擾動，破壞原有巖土體內部平衡，尤其是在施工中存在水文地質條件較差地層情況下，誘發地層出現一定數量的沉降與變形，嚴重情況下可能影響隧道上部建構筑物的結構安全，導致造成財產乃至生命損失。因此，研究地鐵區間隧道下穿既有建構筑物沉降規律對于處理圍巖穩定、支護設計提高變形控制技術具有重要的現實意義。

王夢恕[1]院士2004 年出版的《地下工程淺埋暗挖技術通論》全面透徹系統地總結闡述了城市地鐵淺埋暗挖工作原理、參數選取、管理理論；陽軍生、傅鶴林、康雪軍等結合其他城市地鐵建設差異地層、環境等暗挖隧道具體施工參數開展了廣泛研究[2-12]，以便充分發揮暗挖技術優勢。

淺埋暗挖法雖然在國內其他城市地鐵隧道建造近30年的工程實踐中積累了相當豐富的經驗和理論，但切合石家莊地鐵工程實踐而言，雖然可以借鑒國內其他城市類似地層的設計施工經驗，但計算中對本地區礦山法工程設計及施工參數范圍及施工規律作類似經驗假設顯然不妥，尤其對無水砂層為主的松散地層礦山法工程設計及施工，當前國內提供可借鑒的試驗、量測、分析統計及理論分析等規律總結相對較少，在應用上受到一定限制。基于上述研究現狀，有必要結合石家莊地鐵建設實踐，針對石家莊地區松散地層特點，從具體留~火區間礦山法施工的大斷面開挖支護、變形、破壞和穩定性設計施工出發，分析研究地表及地下過街通道沉降控制措施，確保地鐵隧道施工及地下過街通道運營安全。

1 工程概況

留村站～火炬廣場站區間沿長江大道東西向敷設，位于長江大道中間綠化隔離帶正下方；自留村站向東下越昆侖大街至火炬廣場站，區間垂直下穿兩座地下過街通道。區間隧道設計為雙線單洞大斷面，區間開挖斷面寬度12m、高度9.735m。線路平面為直線型式，Az 值88°9＇3.00″，左右線路間距5.1m，隧道拱頂覆土10.3～12.2m。隧道結構頂板埋深10.0~11.5m，結構頂板周邊圍巖組合主要為粉細砂層、中粗砂層，修正后圍巖分類屬VI 級圍巖，圍巖土體自穩能力差，形成自然塌落承載拱困難，施工過程中較易引起洞頂塌落。隧道結構邊墻圍巖組合主要為粉細砂層、中粗砂層和中粗砂（含卵石）層，修正后圍巖分級屬VI 級圍巖，巖土施工工程分級屬I 級，隧道結構處于地下水位以上，不考慮地下水影響。區間隧道（地質）縱剖圖見圖1。地下過街通道結構型式為等截面現澆鋼筋混凝土閉合矩形框架結構，筏板整體基礎，寬12m、高3.9m。通道底板距區間初支一次襯砌結構凈距約為2m，區間拱部土層為粉細砂層。

圖1 區間隧道縱剖圖

2 數值分析模型建立

2.1 模型尺寸及網格劃分

以留村站～火炬廣場站區間雙側壁導坑法（6 導洞）施工為工程背景建立計算模型，采用FLAC3D（三維有限差分程序）開展模擬計算，考慮模型建立尺寸效應引起的計算誤差，計算范圍取：左右邊界取4 倍斷面寬度，下邊界取4 倍斷面高度，上邊界到地面，縱向為24m，整個模型長24m、寬62m、高38m，計算模型見圖2。模型底部施加固定約束、四周邊界施加水平約束、頂面自由無約束。

圖2 數值模擬模型示意圖

2.2 計算參數選取

模型中土體、初期支護、二次襯砌均按照實體單元進行模擬，土體采用彈塑性本構模型Mohr-Coulomb 準則、初支和二襯均采用彈性本構關系。超前支護小導管注漿加固范圍土體選取提高土體力學參數條件進行模擬。根據勘察報告，計算用土體的力學物理性能指標見表1。

表1 土層物理性能計算指標

超前小導管注漿加固范圍及支護結構計算參數見表2。

表2 支護結構單元模擬計算參數

3 地表沉降特征分析

為消除邊界效應引起的計算結果影響，選擇中間截面地層沉降進行分析，施工各階段地層變形分析見圖3。

圖3 施工各階段地表沉降監測曲線

從施工各階段拱頂沉降量變化可看出：拱頂最大沉降量在不同施工階段呈現量值不同的變化規律；導洞1、導洞2 上臺階開挖后，導洞拱頂最大沉降量2.89mm；導洞1、導洞2 下臺階開挖完成后，導洞拱頂最大沉降量3.24mm；導洞3、導洞4 開挖完成后，拱頂最大沉降量為14.05mm；導洞5 上臺階開挖完成后，洞頂最大沉降量為16.52mm；導洞5 下臺階開挖完成后，洞頂最大沉降量為17.43mm；導洞6 開挖完成，拱頂最大沉降量33.42mm；截斷局部臨時支撐后，澆筑底板及兩側墻二襯，頂緊臨時支撐后，拱頂最大沉降量為35.71mm；破除剩余臨時支撐，澆筑剩余二襯結構，形成封閉二襯，拱頂最終沉降量為42.60mm。

臨時支撐未拆除前，拱頂最大沉降量為17.74mm，拆除底部支撐后，拱頂最大沉降量為36.71mm，拱頂最終沉降量為46.91mm。可見拆撐引起拱頂沉降顯著。

施工完成后，不同埋深處最終沉降曲線見圖4。

圖4 不同埋深處沉降曲線圖

沉降槽呈“V”字形，地表最大沉降量為22.31mm。從圖4 可以看出，不同斷面處各地層沉降位移曲線均呈“V”形。地下過街通道的最大沉降值30.11mm 滿足沉降要求，可見對地下建筑的沉降控制效果較為理想。

4 現場監測分析

4.1 現場監測沉降規律

留~火區間使用雙側壁6 導坑法進行開挖施工的時，在地表建立施工監測點，對施工過程開展地表沉降變形監測，測線長60m，一共設置13 個測點。地下過街通道處地表監測點布置見圖5。

圖5 地下過街通道處地表監測點布置圖

在開挖施工期間對地表測點的沉降進行觀測，由于左線測點在施工過程中因人為因素觀測次數偏少，考慮隧道開挖引起的地表變形左右對稱特征，僅對左線測點的沉降值生成曲線。地表監測沉降曲線見圖6。

圖6 地表監測沉降曲線圖

在圖中可觀察到：①在施工過程中引起的土層的豎向位移會不斷增大。②地表處的最大沉降量為21.04mm，位于監測點J-07。與數值計算結果趨近，說明數值計算結果對現場施工具備指導作用。

4.2 沉降控制措施

①開挖前選擇超前深孔注漿加固地層，加固范圍包括初襯外側2m、內側1m，沿線路向前后5m，共24m。

②隧道采用雙側壁六導坑法施工。相鄰導洞前后錯開10~15m，各導洞采用上下臺階法施工，上下臺階距離控制在3~5m，同時各臺階基于土層自穩狀態采用1：（0.5~0.7）放坡，核心土斷面應等于或大于開挖斷面的50%，核心土縱向長度應不小于3m。

③施工期間分步對掌子面進行注漿封閉。沿隧道斷面方向，注漿導管間距600×600mm。導管單根長度3.0m、沿隧道縱向注漿加固循環長度3m、各注漿循環段縱向搭接1m。注漿材料選用水玻璃漿液。

④分步環形開挖預留核心土，開挖后分步架設鋼格柵，及時施做網、噴支護措施，在上部初襯保護之下開挖下部斷面土方。施工過程嚴格控制每步開挖循環的進尺，不得超過設計鋼格柵間距；遇特殊困難地段，應適當縮短開挖進尺，相應匹配縮小鋼格柵間距。

5 結論

通過對石家莊地鐵1 號線留村站~火炬廣場站區間淺埋暗挖大斷面區間隧道施工的進行數值模擬計算，結合現場變形監測，進行了隧道施工地表以及地下建構筑物沉降規律研究，得出以下結論：①由數值模擬可知，在施工的不同階段地表的下沉量存在較大差異。拆除下部臨時支撐及形成最終封閉二襯兩個階段的地下過街通道下沉量占地下過街通道最大下沉量的79%，所以控制這兩個階段的地層變形是減少地下建筑物最終變形的關鍵。②留~火區間選擇雙側壁六導坑法施工，能夠有效控制地表以及地下過街通道的沉降量，其中地表的最大沉降量為20.20mm，地下過街通道的最大沉降量21.01mm。③加強超前支護進行小導管注漿，切實跟進拱背空洞充填壓注漿液，是防止和減少地表沉降影響的重要技術手段。施工中，認真進行了超前小導管注漿加固，改善了土層結構，在初襯完成后又及時進行了拱背回填注漿，填充了初襯與圍巖的部分空隙，有效地減少了地表沉降量。