盾構隧道結合洞樁法修建地鐵車站地表沉降控制標準分析

王 芳，賀少輝，劉 軍，曹瑞瑯

（1.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044；2.北京建筑工程學院 土木與交通工程學院，北京 100044）

1 引 言

北京地鐵 14號線試驗段采用土壓平衡盾構開挖外徑為10 m的大斷面隧道，試驗段上的車站在盾構隧道先行貫通的基礎上結合洞樁法擴挖形成。盾構連續推進區間和車站行車隧道，可以充分發揮盾構法的優勢，而洞樁法則適于對地面沉降要求較高的地區[1－4]。從理論上來看，這種修建地鐵車站的方法結合了盾構法與洞樁法的優勢，但無工程先例可以借鑒，因此有必要對施工過程產生的地表沉降進行預測和控制，達到既能保證建（構）筑物及地下管線的安全，又使建設成本較為經濟合理的目的。

關于隧道施工引起的地表沉降預測方法有經驗法、理論法、模型試驗法、數值模擬方法等[5－11]。本文結合幾種地表沉降預測方法，對擴挖車站過程中引起的地表沉降進行分析，對比后得出符合具體工程的沉降控制值，以期指導施工。

2 工程概況

試驗段是內徑為9 m、限界8.8 m的單洞雙線盾構隧道，車站為地下3層側站臺式車站。盾構通過車站區段前，先在站端施工風道，兼做暗挖橫通道，盾構通過后自橫通道進入，采用洞樁法擴挖盾構隧道形成車站站臺。這種工法的核心思想是在盾構隧道內施工中柱和縱梁，對地層進行預加固處理后開挖小導洞并施作地下圍護樁，然后分層開挖中導洞土體。第一層土體開挖后，及時施作主拱初支和二襯，初支的一端通過預埋件與盾構隧道的頂管片連接，這樣就形成了梁、柱、拱、樁共同作用的支護體系，在此支護體系的保護下開挖下層土體和拆除管片，最后形成車站站臺，如圖 1 所示。盾構隧道管片寬1.8 m，為便于拆除管片，車站區段采用通縫拼裝方式。管片環由 1 塊K型管片，2 塊鄰接塊和6 塊標準塊組成，每塊40°，對稱布置。

圖1 施工步驟Fig.1 Construction steps

洞樁法擴挖施工步驟如下：

①盾構通過車站區段后，自橫通道進入盾構隧道內施工中柱和縱梁，架設洞內臨時支撐，開挖小導洞，洞內施工圍護樁。

②注漿加固拱頂土體，對稱開挖中導洞主拱部土體，施工頂拱初襯，設置臨時仰拱。

③沿隧道縱向分段（5.4 m）拆除K管片兩側小塊，鑿除小導洞局部初襯，留出二襯施工空間，施工主拱二襯。

④開挖土體至小導洞底板位置，拆除小導洞隔壁，對稱拆除上部管塊。

⑤開挖土體至第二道橫撐下，對稱拆除中部管片和相應支撐。

⑥開挖土體至坑底設計標高，對稱拆除下部管片和相應支撐，澆注底板、側墻二襯混凝土，待二襯混凝土結構達到設計強度后施工站臺板和附屬結構。

線路周邊工程地質勘探所揭示的地層規律表明，工程沿線地面以下50.9 m深度范圍內地層按其沉積年代及工程性質可分為人工堆積層和第四紀沉積層。本場區按地層巖性及其物理力學性質進一步分為幾個大層，如表1所列。隧道頂部圍巖穩定性較差，易坍落，無法形成自然壓力拱，圍巖分級為Ⅵ級。隧道高度范圍的土層主要為中粗砂④4層、粉質黏土⑥層、粉土⑥2層，圍巖穩定性較差，易塌落，圍巖分級為Ⅵ級。

表1 土層物理力學參數Table 1 Physico-mechanical parameters of soil

3 經驗公式分析地表沉降控制值

經驗公式一般是基于對實測結果的總結而得到的，具有針對性強、計算參數少、應用簡單的優點，因而在工程實踐中廣泛應用。

3.1 地表沉降槽反彎點距離i求法

北京地層具有黏性土與砂性土互層的特點，結合不同學者提出的考慮土層性質的公式進行分析。

（1）Attewell公式[6]

式中：H為隧道中心埋深；R為隧道半徑；K、n分別為統計系數，黏性土：K=1.0，n=1.0；砂土：K= 0.63～0.82，n=0.36～0.97；回填土：K=1.7，n =0.7。

由于車站斷面形狀不規則，采用等效圓算法R =8.0 m，H=22.8 m。

（2）New & Reilly公式[7]

式中：Ki、Zi分別為第i層土的沉降槽寬度系數和土層厚度，Zi按表1取結構中心以上各層土厚度。Mairie和Taylor根據統計得出黏性土K=0.5，砂土和礫石K=0.35。

（3）Sugiyama公式[9]

對工程所處地層分層考慮，式（1）、（3）的參數為土層加權平均值，計算結果見表 2。以上公式求出的地表沉降槽反彎點距離i值基本相同，取平均值i=10.31 m作為計算參數。

表2 沉降槽寬度計算Table 2 Calculation of settlement through width

3.2 地表沉降允許值計算

根據圍巖穩定性的要求，或根據建筑物和管線的正常使用要求，找出地表變形允許值，用于指導施工。由于地表沉降值易于現場監測，一般采用小于允許值的指標作為施工管理標準值。

3.2.1 根據圍巖穩定性計算

以地下工程側壁正上方土體不發生坍塌時允許產生的最大地表沉降值作為控制基準，采用地層梁理論推導出剪應變的方法來確定最大允許地表沉降值[12－13]，公式為

式中：K為經驗系數，軟巖K= (1.1～1.3)×10-3，硬巖K=1×10-3；β為弱面走向與水平面的夾角，β=45o +φ/2，φ為土層內摩擦角加權平均值。

3.2.2 根據地面沉降控制基準計算

根據經驗資料，距隧道中線一定距離以外的沉降曲線可以認為是一條直線，在容許傾斜坡度為[ f ]的條件下地面最大沉降值[14]為

根據北京地鐵施工總結的相關技術標準[13]規定，地表最大傾斜值[ f ]取0.255%。

3.2.3 根據建筑物位置確定

（1）地表建筑物基礎位于沉降槽一側

考慮差異沉降對建筑物的影響，即建筑物傾斜值不大于允許傾斜值[14]：

由沉降槽曲線可知，反彎點距離i處曲線斜率最大，以此作為建筑物允許傾斜值的極限條件：

參照相關規范[14]，砌體結構基礎局部傾斜在0.2%～0.3%以內，多層及高層建筑物基礎隨建筑物高度控制在0.15%～0.4%以內，通常地面建筑物小于20層按0.2%作為控制值。

（2）建筑物相鄰柱基間距大于等于2i

當建筑物處于受彎最不利位置，沉降過大可能導致建筑物基礎結構斷裂和上部結構產生壓性裂縫，當建筑物梁、板走向垂直于隧道縱向時[S]最小，根據建筑物基礎的極限應變作為沉降控制極限條件[14]，即

表3為以上公式計算沉降控制值，其中i為章節3.1分析得出的計算參數，i=10.31 m。

表3 地表沉降值計算Table 3 Calculation of ground surface settlement

3.2.4 地下管線允許的地表沉降

根據車站周邊管線調查情況可知，車站區段穿越多條地下管線，風險控制等級為二級和三級。施工過程對地下管線的影響主要有以下兩種情況。

（1）走向與隧道正交的剛性管線

其抵抗變形的能力以管節彎曲應力作為控制標準，長度較大的剛性管道按彈性地基梁原理進行分析[15]。當管線達到極限應力狀態時，有

（2）走向與隧道正交的柔性管線

對于柔性管線采用接頭處接縫最大張開值作為沉降控制標準，當管線與隧道走向正交時，管段在沉降槽曲率最大處接縫張開角最大，由Peck公式[5]可知，管段平面上沉降曲線的最小曲率半徑發生在x=0處，因此有

式中：［Δ］為管段接縫最大張開值；D0為管段直徑；b為管段長度，其他符號意義同前。

由地表下任一深度Z的沉降曲線反彎點公式[16]計算式（9）、（10）中ip值：

式中：Z0為隧道中心至地表深度；i0為地表沉降槽反彎點距離。

根據地勘報告，取施工范圍內管徑及埋深相對較大的管線作為控制目標，見表 4。表中，Smax為主要管線的理論允許最大沉降值，參數取值據文獻[15，17]。

表4 管線上方地表沉降值Table 4 Settlements of ground surface above the pipelines

4 統計資料分析地表沉降控制值

擴挖車站引起的地表沉降分為兩部分，第一部分是盾構施工引起的地表沉降，第二部分是擴挖施工引起的地表沉降。

4.1 盾構施工引起的地表沉降

目前盾構僅施工了車站相鄰區間，還未施工車站區段，由于車站與區間基本處于同一地層，且盾構施工參數基本相同，可以用區間盾構施工沉降監測值分析結果用于車站段盾構施工沉降分析。

區間監測數據完整的 12個斷面沉降統計結果見表5，為盾構通過后監測點沉降速率小于0.01～0.04 mm/d的監測值。統計結果顯示，83.3%的斷面最大地表沉降在5～20 mm之間，地表沉降最大值發生比例如圖2所示。

表5 區間地表沉降監測數據統計Table 5 Monitoring data statistics of ground surface settlement for running tunnel

圖2 地表沉降比例Fig.2 Proportion of ground surface settlement

表6為盾構施工過程地表沉降統計[18]，是各斷面橫向沉降曲線正態分布擬合值。

根據以往工程經驗，北京地鐵盾構法施工監測控制標準見表 7[14]。從統計結果看，地表沉降和盾構斷面收斂值基本滿足表7所列的控制值。車站和區間基本處于同一地層，且盾構施工參數基本相同，因此，車站區段盾構施工地表沉降以20 mm作為控制值。

4.2 洞樁法擴挖施工引起的地表沉降

洞樁法擴挖產生地層損失的主要工序是小導洞開挖和主拱開挖，進而引起地層變位，這個過程采用允許相對位移值的方法確定地表沉降。相對位移值是實測位移值與兩測點距離之比，或拱頂位移值與隧道寬度之比。《錨桿噴射混凝土支護技術規范》[19]規定：隧道周邊任意點的實測相對位移值或用回歸分析推算的最終位移值均應小于表8所列數值，即隧道拱頂下沉或邊墻收斂=隧道寬度×相對收斂值。

表6 盾構施工過程地表沉降統計Table 6 Ground surface settlement statistics in shield construction process

表7 北京地鐵盾構法施工監測控制基準Table 7 Monitoring and control standard of metro shield construction in Beijing

表8 洞周允許相對收斂值Table 8 Allowable relative convergence values around cave

北京市地鐵隧道根據施工經驗和地質條件一般采用 0.2%作為洞周相對收斂控制標準，10號線洞樁法車站導洞拱頂下沉統計值約為15 mm。考慮到擴挖車站在盾構隧道完成后且土層未完全固結沉降時施工，土層已產生擾動，其強度指標和變形都有所變化[20]，建議采用0.3%作為控制標準。

小導洞寬度為 5.1 m，主拱寬度取平均值為4.0 m。計算如下：小導洞拱頂下沉值=5.1×103×0.3%=15.3 mm，小導洞邊墻相對收斂值=5.1×103×0.3%=15.3 mm，主拱拱頂下沉=4.0×103×0.3%=12.0 mm。

工程實踐證明，控制淺埋暗挖隧道穩定性和地層沉降的主要因素是拱頂下沉，水平收斂影響不大[14]。岳廣學等[21]統計淺埋暗挖隧道拱頂下沉和地表沉降比值為 0.5～1.5，張頂立等[22]根據不同地層條件總結了拱頂下沉與地表沉降的關系，結合本工程地質條件確定地表沉降不大于拱頂下沉值，即小導洞開挖過程地表沉降不大于15.3 mm，主拱開挖過程地表沉降不大于12.0 mm。10號線洞樁法施工過程導洞和主拱開挖引起的沉降占總沉降的70%[1－4]，其他過程占 30%，按照這個比例，確定擴挖施工其余工序引起的沉降約為小導洞和主拱施工總沉降的1/2，即12.7 mm。表9為地表沉降計算值。

表9 地表沉降值Table 9 Ground surface settlements

5 數值模擬分析

采用 Flac3D建立的三維模型如圖 3所示。圖中，圍巖和二襯采用實體單元，初期支護和管片采用殼單元，I25a型鋼支撐采用梁單元模擬，地層加固按提高圍巖參數處理。模型左右取3倍開挖寬度，上邊界取至地表，下邊界取2倍開挖高度，縱向取54 m。計算參數見表10。

對于 14號線試驗段而言，目前已進行了區間盾構施工，還未推進到車站位置。由于車站和區間基本處于同一地層，為了進一步分析車站施工過程產生的地層沉降，采用區間盾構施工監測數據調整數值模擬參數，在此基礎上再模擬車站擴挖部分施工，更符合實際情況。

數值模擬分為兩部分，第一部分為盾構隧道施工，第二部分為車站擴挖部分施工。

表10 結構單元物理力學參數Table 10 Physico-mechanical parameters of structural elements

5.1 盾構隧道施工模擬

5.1.1 參數選擇

盾構施工模擬的一個重要參數為開挖面盾構推力，盾構推力P采用在開挖面施加梯度荷載的方法模擬，公式為

式中：γi為第i 層土重力密度；h為第i層土厚度；K0為側壓力系數；α為盾構推力參數。根據現場監測實際土壓和總推力的關系，數值模擬中取α= 2。

盾構施工過程對地層擾動而導致土體變位，可以認為是地層在不同影響因素下產生應力釋放引起的。由于各種影響因素難以逐一量化，因此，用地層應力釋放率LDF進行簡化模擬。

5.1.2 數值模擬過程

數值模擬過程是開挖一環土體后，計算一步產生地層不平衡力，在開挖邊界反向施加應力，即網格節點處地層應力=LDF×開挖產生的不平衡力。通過反復計算后，第一步中LDF取0.8，較為符合工程實際。計算至平衡后，刪去施加的地層應力，激活管片單元和注漿圈，模擬同步注漿。再次計算至平衡后，提高注漿圈參數，模擬補注漿和漿液硬化。如此往復循環，直至開挖完成。

5.2 車站擴挖部分模擬

由于車站結構埋深淺，跨度大，開挖與支護工序多，尤其是主拱初支施作和K管片兩側小塊拆除階段，受力轉換復雜，直接影響結構和地層穩定。由于目前尚無類似工程經驗，且地面環境和地下管線等復雜的環境條件對地層沉降控制提出了很高的要求。根據工程結構形式和施工方式，主要從地表沉降和拱頂下沉方面加以分析。

擴挖法建造車站的主要思路是盾構隧道貫通后，先施工隧道內中柱和縱梁，開挖小導洞并施作圍護樁和冠梁，與隧道內縱梁共同形成支座。中導洞第一層土開挖后施作主拱初支，形成雙跨結構，減小了結構上部承載結構的跨度。K管片兩側小塊拆除后及時施作主拱二襯，結構形成了穩定的承載體系，上部荷載通過主拱、中柱和圍護樁傳至深層土體，從而為后續施工提供了安全保證，并有效地控制了結構和地層的沉降，進而減少了對地面建筑物和地下管線的影響。為了防止偏載的影響，兩側同時擴挖。

擴挖部分圍護樁的受力特征為同時承受主拱傳來的斜向壓力、臨時支撐的支撐力以及和樁側水平土壓力，屬于偏壓結構體系。圍護樁直徑為800 mm，間距為1.2 m，其實際受力情況近似于地下連續墻。在分部開挖土體過程中，圍護樁屬于壓彎構件，因此可以按等效剛度原則簡化為地下連續墻，公式為

式中：D為樁徑；t為樁間距；D+t為地下連續墻的長度；h為地下連續墻的厚度。

圖4為沉降監測點，圖5為地表監測點沉降歷時曲線，圖6為拱頂監測點下沉歷時曲線。圖5和圖6的橫坐標為擴挖施工步驟，同圖1。圖5顯示，在擴挖過程中，分部開挖產生的結構中心上方地表沉降為22.1 mm，關鍵工序為小導洞開挖和主拱開挖的過程，這兩個過程產生的地表沉降約占擴挖過程總沉降的80%。

圖4 沉降監測點（單位：mm）Fig.4 Monitoring points of settlement(unit: mm)

從圖6可見，由于中柱和縱梁的作用，擴挖過程對盾構拱頂影響較小。小導洞開挖和主拱開挖引起監測點5和監測點6產生較大下沉，分別占總下沉量的80%左右。圖7為擴挖過程地表沉降曲線。

圖5 地表監測點沉降值歷時曲線Fig.5 Time-history curves of monitoring points settlements on ground surface

圖6 拱頂監測點下沉值歷時曲線Fig.6 Time-history curves of monitoring points settlements on arch crown

圖7 數值模擬沉降曲線Fig.7 Curves of ground surface settlements based on numerical simulation

綜上分析可見，由經驗公式法、統計數據分析和數值模擬法得出最大沉降控制值相近，約為33～40 mm。根據北京地鐵工程施工監測控制基準[14]，地鐵車站地表沉降控制基準值為 60 mm。根據文獻[23]的結論，淺埋暗挖車站地表沉降控制在 80 mm以內不會對結構及地表建筑物和地下管線產生較大影響，再結合文獻[24]對北京地鐵車站地表沉降統計結果，建議采用60 mm作為擴挖車站沉降控制標準。

對比北京地鐵 10號線洞樁法車站施工和數值模擬結果，設定導洞開挖、主拱開挖和其它工序引起的沉降比例為0.36∶0.34∶0.3。根據淺埋暗挖隧道施工過程三級控制要求，確定地表沉降控制極限值為60 mm，預警值為極限值的60%，報警值為極限值的80%，最終盾構隧道結合洞樁法擴挖車站地表沉降分步控制標準見表11。

表11 最大地表沉降控制標準Table 11 Control standard of maximum ground surface settlement

6 結 論

（1）盾構施工地表沉降控制值為 20 mm，擴挖過程地表沉降控制值為40 mm，符合北京地鐵車站施工地表控制基準和實際統計結果。

（2）根據洞樁法擴挖車站主要施工步驟沉降分析和數值模擬結果，按比例確定主要工序地表沉降控制值。

（3）對地表沉降采用三級控制標準，建立相應的地表沉降控制基準，分級分步進行沉降控制。

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