地鐵暗挖通道施工引起的各類變形的分析

王景賢

（中鐵十六局集團有限公司，北京 100018）

1 變形預測控制理論概述

由于地鐵暗挖施工是一種動態的施工，其對地表沉降的影響會隨著施工的進程而不斷發生變化，為了控制地表沉降，需要根據實際情況采取針對性的措施，盡可能使每個階段的沉降都得到控制，進而保證工程的質量和人員的安全，這就是所謂的變形預測控制理論。由于暗挖施工工序復雜，在對地表沉降進行控制時不能僅依靠一項系統工程，還應該綜合預測變形系統、規劃變形系統等。不論使用哪些系統，都應該確保使用過程前對系統工作原理足夠明確，使用時操作足夠熟練。對于暗挖法而言，變形監測與控制是貫穿整個工程的，因而我們也可以說其是對整個施工過程的控制。在對其進行變相監測時，除了要進行勘測外，還應當做好預測工作，切實保證每個環節都能在控制之中。只有做好了變形監測與預測，才能確保地鐵及周邊土層和建筑物的變形控制在一定的范圍內，才能確保施工的質量和安全。

2 淺埋暗挖法施工技術

在暗挖法中，比較常見的一種是淺埋暗挖法，淺埋暗挖法的特點就是邊開挖邊澆筑。淺埋暗挖法屬于不開槽施工方法，其主要工作原理就是，由于在開挖時土層會在短期內保持一定的穩固，此時借助相應的支護措施可以使圍巖或者土層表面形成密貼型薄壁支護結構。對于砂層、砂卵石層等地質，選擇淺埋暗挖法更合適。我國很多地鐵項目選擇的都是淺埋暗挖法。

事實上，淺埋暗挖法是在20 世紀80年代末才被認定的。通常情況下，淺埋暗挖法的適用范圍是第四紀軟弱地層，通過對該地層進行加固和處理來達到施工的目的。為了使圍巖的承重能夠保持在合適的范圍內，通常選擇短進尺進行地鐵隧道開挖。在施工前期就應當架設好支護結構并做好封閉措施，確保在圍巖和支護結構的共同作用下，隧道的荷載能夠在可承載的范圍內。當前期的變形得到有效控制后才可以進行二次模鑄襯砌工作。只有做好了初期支護工作，才能確保后期工程的順利進行，而二次襯砌則是對承載力的一種加固，尤其是一些特殊的工程，其荷載偏大，此時更需要進行二次襯砌。這樣做能夠有效避免施工過程中的不可預知性，從而減少不必要的損失。

由于地鐵施工的環境和地質復雜多樣，因此淺埋暗挖法并不適用于所有情況。一旦使用了淺埋暗挖法，就必須對地鐵隧道的地層、支護的材料和四周環境進行監測，掌握地鐵及周邊環境情況，依據監測結果制定科學合理的施工方案，確保施工環境的安全和施工質量。

3 臨近基坑的鄭州地鐵某暗挖通道變形監測與數值分析

接下來主要以鄭州某臨近基坑的地鐵暗挖隧道為例，對其變形監測和數據分析進行介紹。在進行三維數值模擬時選擇的是FLAC 3D 軟件，綜合基坑周邊地面沉降以及基坑圍護樁水平位移等情況，探討暗挖通道對明挖通道的影響。

3.1 工程概況

圖1 工程平面及測點布置

該項工程的平面圖如圖1所示。從圖中我們可以看到，位于東邊的是明挖基坑，位于西邊的是暗挖雙聯拱隧道，位于二者之間的就是暗挖通道。其中，明挖基坑的長約為29.60m，寬度約為14.60m，基坑深度為16.00m，該基坑通過鋼支撐與圍護樁形成支護，以增大承載力。對于暗挖通道，其長度比明挖基坑略長，約為35m，高度約為9.30m，通道寬度為5.20m。對于底板而言，其埋深和基坑的埋深基本是一樣的，支護結構是格柵鋼架和C20 濕噴混凝土。明挖通道和暗挖的間距控制在5.00 ～5.40m范圍內，整體來看，暗挖通道和基坑處于平行的狀態。暗挖通道的具體斷面如圖2所示。

圖2 暗挖通道斷面

3.2 暗挖通道開挖

在開挖通道時，最常用的方法是臺階法，一般將臺階分為3 部分，每層臺階的距離為5m，按照從上往下的順序依次開挖。當上臺階開挖完成后，進行第二道鋼支撐的假設，當中臺階開挖到4m 時開始建設第三道鋼支撐，當中臺階開挖到20m 時，開始下臺階開挖，開挖深度為16m，此時基坑和通道開挖完畢，基坑昨晚底板。

3.3 監測結果分析

圖3 圍護樁水平位移曲線

圖3展示的是圍護樁的水平位移曲線，在開挖前期，圍護樁發生一定的變形，向坑內傾斜。由于同時對上臺階進行了開挖，因此樁頂出現了明顯的位移。在不斷開挖的情況下，樁體中下部呈現出快速位移的趨勢，變形曲線已經由傾斜變成了弓形，而最大位移也因此發生了下移。當開挖進度進行到后期時，樁體變形程度更大，位移也隨之增大，樁的底部向基坑外側彎曲突出。測量結果顯示，最大水平位移比監測預警限值要小，為11.88m，并且變形程度在標準范圍內，基坑整體呈現出穩定的狀態。

圖4表示的是地表沉降情況，根據圖4我們可以看到，地表沉降程度隨開挖時間而表現出均勻沉降的趨勢。地表沉降率偏小的時間段集中在架設鋼支撐階段，沉降值不會超過6m。當基坑不斷進行開挖時，其沉降速度加快。

圖4 地表沉降曲線

4 數值計算

4.1 計算模型

圖5顯示的是基本網格單元。在計算模型中選擇的是莫爾—庫倫模型，而圍樁和暗挖通道選擇的則是理想彈性體模型。當模型初步建成后，選擇矩形網格進行土體單元的建設。

圖5 幾何單元網絡

4.2 計算結果分析及比較

圍護樁位移監測值和數值計算值的關系如圖6所示，通過計算我們發現，在開挖前期，也就是開挖前2 步時，由于同時進行上臺階的開挖，導致樁頂向基坑內側變形的速度增加，變形程度幾乎接近計算的最大值，再往后隨著開挖進程的深入，其變形速度逐漸減小，甚至不再進一步發生變形。到第3 步時，樁體中下部發生變形較明顯，變形曲線逐漸變為弓形。到第4 步時，樁體繼續變形。從開挖整個過程來看，樁體的最大水平位移是10.71mm，其出現在第2、3 道鋼支撐之間。

圖6 圍護樁水平位移監測值與計算值對比曲線

4.3 不同開挖順序對基坑穩定性的影響分析

由于地鐵暗挖施工要對地層進行開挖，因此難免會對周圍地層產生影響。開挖的方法和順序有很多種，不同的順序會引起不同的開挖效應，而不同的開挖效應又會引起支護結構不同程度的變形，因此需要對開挖順序對地層變形性影響進行研究。本項目主要從三種不同順序進行分析：第一種順序是暗挖通道與明挖基坑同時進行；第二種順序是先挖基坑再挖通道；第三種順序是先挖通道再挖基坑。

圖7 三大方案圍護樁位移對比曲線

通過對比三個順序測量的數值結果，做出圍護樁的位移圖，如圖7，通過圖我們可以發現，采用第三種順序產生的位移最小，采用第二種順序產生的位移最大。因此我們得出結論：由于通道開挖對圍護樁水平位移影響最大，因此需要先對其進行開挖，該順序可以使基坑受到的影響最小，從而確保基坑保持一定的穩定。

通過對三種開挖順序測量的基坑隆起值、地表沉降值以及通道襯砌變形值分析，如表1，我們發現，第三種開挖順尋的基坑隆起最大，第二種開挖順序引起的地表沉降最明顯，第一種開挖順序的通道襯砌變形最明顯。綜合分析認為第三種開挖順序更合理，更利于基坑的穩定性。

表1 其他項目比較

5 結語

基坑變形在開挖前期表現最明顯，地表沉降隨開挖時間而均勻沉降，選擇先開挖暗通道再開挖基坑的順序可以最大限度地保證基坑的穩定。