暗挖區間豎井及橫通道對地下通道安全性影響研究

周春鋒

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600)

1 引言

隨著城市建設發展，越來越多的地下空間被開發利用，新規劃地鐵線路的建設必然會出現地鐵線路臨近各種既有建筑物或構筑物的情況[1-3]。目前地鐵結構在城市交通繁忙區域多采用暗挖法施工。暗挖施工存在一定的施工風險，當其臨近既有建筑結構時，會給建筑物的安全帶來影響[4-6]。

當暗挖地鐵車站或區間過長或體量過大時，通常會設置豎井、橫通道，增加工作面，以加快施工進度，縮短工期[7-8]。對于豎井橫通道臨近建筑物，一些文獻從理論分析、施工技術及數值模擬等方面進行了詳細分析:吳志剛[9]對地鐵車站暗挖豎井臨近建筑物的施工控制要點進行了分析；王吉華[10]針對地鐵暗挖區間豎井及橫通道穿越建筑及生活垃圾填埋層的情況，提出了豎井內外注漿加固、洞內深孔注漿加固、降低拱頂標高、施作臨時管道和洞內長短導管結合的綜合施工技術；田亮[11]等結合現場實測方法，探討了鋼支撐、開挖深度、管徑、埋深對鄰近地埋管線的影響；閆國棟[12]對地鐵施工橫通道轉區間正線處下穿既有建筑沉降控制進行了研究。綜上所述，目前關于暗挖地鐵結構豎井橫通道對周邊建筑物影響的研究很少，可借鑒的工程案例少，因此，開展暗挖地鐵結構的豎井橫通道對周邊影響分析有一定的工程價值。

2 工程概況

北京地鐵12號線大鐘寺站-薊門橋站區間(以下簡稱大薊區間)為暗挖區間，采用礦山法施工。區間起點位于大鐘寺市場東路與北三環西路路口西側的大鐘寺站，區間線路沿北三環西路路中敷設，終點位于薊門橋區的薊門橋站。區間左線、右線長度均為835.10 m(其中左線含長鏈0.549 m、短鏈0.684 m)，線間距為15～17.2 m，區間埋深25.4～32.6 m。區間設置2個施工豎井與橫通道:1號、2號施工豎井橫通道，其中1號豎井橫通道兼做聯絡通道(見圖1)。

圖1 大薊區間與西南地下通道位置關系

3 風險保護措施

(1)豎井采用倒掛井壁法施作，嚴格控制地層沉降。

(2)格柵鋼架間距在馬頭門進洞位置加密為0.4 m，馬頭門進洞處聯立三榀鋼架并封閉。

(3)及時進行初支背后注漿，必要時進行多次補漿。初期支護背后注漿以初期支護與土層的密貼為原則，漿液采用水泥漿或水泥砂漿，注漿壓力控制在0.3～0.5 MPa左右。

(4)臨近西南通道側采用地面深孔注漿加固地層，確保施工過程中地層強度滿足地面沉降要求。注漿壓力0.8～1.0 MPa，無側限抗壓強度0.8 MPa，滲透系數小于1×10-6cm/s，加固半徑小于0.5 m。

(5)橫通道采用臺階法，減少開挖面高度，同時在拱頂上方180°外1.5 m、內0.5 m范圍內采用地面深孔注漿加固地層，嚴格控制地層沉降。

(6)施工過程嚴格遵循“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、緊封閉、勤量測”十八字方針。

(7)施工過程中加強監測，做到信息化施工。

(8)制定詳細、有針對性的應急預案。

4 位移控制指標

結合地鐵施工對地下通道結構可能產生的危害，參考原通道設計及竣工資料，分析得出地下通道位移應滿足的控制指標。

(1)通道結構基礎縱向(通道內部人行方向)不均勻沉降控制值每5 m為5 mm，底板新增傾斜度小于1/1 000。

(2)通道結構基礎橫向(通道頂部行車方向)兩側側墻與跨中3點，各相鄰點不均勻沉降控制值為2.5 mm。

(3)通道側墻傾斜度小于1/1 500。

(4)通道間變形縫兩側高差控制值為3 mm。

(5)通道整體均勻沉降為15 mm。

5 數值計算分析

5.1 數值模型的建立

采用MIDAS GTS有限元分析軟件建立2號豎井橫通道臨近西南地下通道三維有限元分析模型(見圖2)。模型尺寸:X、Y、Z方向上長度分別約為83.5 m、60 m、83.6 m；邊界約束:底部約束X、Y、Z方向位移，四周約束X、Z方向位移，上表面為自由面。土體、豎井及橫通道加固體均采用實體單元模擬；豎井支護、橫通道初期支護及地下通道結構均采用板單元模擬。模型中2號豎井橫通道與西南地下通道的相對位置關系如圖3所示。

圖2 三維有限元分析模型

圖3 地下通道與豎井、橫通道相對位置關系

5.2 計算參數

模型共分14個土層，各土層物理力學參數見表1，地下通道與豎井、橫通道材料參數見表2。

表1 土體物理力學參數

續表1

表2 _材料計算取值

5.3 模擬工序

豎井分層開挖支護，開挖深度為38.233 m，分26層進行模擬。豎井開挖結束后，進行橫通道施工，橫通道分段開挖支護，按照斷面和加固的不同，分4段進行模擬。

5.4 計算結果與分析

地下通道最靠近豎井橫通道的斷面受施工影響最大，本文主要以該斷面內各個開挖工況對地下通道監測點位移為研究對象，分析豎井橫通道開挖對地下通道橫斷面的位移影響規律。該斷面內監測點布置如圖4所示。

圖4 計算分析斷面及監測點布置

5.4.1 位移計算結果分析

頂板位置設置3個監測點，各測點沉降隨施工步變化情況如圖5所示。

通過圖5可以看出，各監測點的沉降值在不同施工步下的變化規律一致。豎井施工前期，頂板三個測點的沉降值相差不大，部分豎井開挖深度內沉降有所減小；豎井開挖至24.73 m時，頂板位置出現了一定的不均勻沉降。豎井施工后，B點的沉降值在頂板三個測點中最大，為5.76 mm；橫通道分段施工后，B點最終沉降量為6.35 mm，沉降量增加0.59 mm。A點最終沉降量為5.67 mm，沉降量增加0.74 mm；C點最終沉降量為5.93 mm，沉降量增大0.65 mm。

圖5 頂板測點沉降隨施工步變化曲線

頂板位置由豎井開挖引起的沉降量約占總沉降的86.8%～90.6%，橫通道施工引起沉降量約占總沉降的9.3%～13.1%。造成這種沉降量分布規律的主要原因為豎井與地下通道距離較近，施工影響大，而橫通道在平面位置上與地下通道雖然較近，但空間距離遠，開挖產生的擾動較小，故僅產生了9.3%～13.1%左右的沉降量。

底板位置設置3個監測點，各測點沉降隨施工步變化情況如圖6所示。

圖6 底板測點沉降隨施工步變化曲線

通過圖6可以看出，在本次模擬中，底板沉降規律與頂板非常相似。豎井施工前期，底板三個測點的沉降值相差不大，部分豎井開挖深度內沉降有所減小；豎井開挖至24.73 m時，底板位置出現了一定的不均勻沉降。豎井施工后，G點的沉降值在頂板三個測點中最大，為5.81 mm；橫通道分段施工后，G點最終沉降量為6.41 mm，沉降量增加0.60 mm。F點最終沉降量為5.71 mm，沉降量增加0.75 mm；H點最終沉降量為6.05 mm，沉降量增大0.68 mm。

底板位置由豎井開挖引起的沉降量約占總沉降的86.8%～90.7%，橫通道施工引起沉降量約占總沉降的9.2%～13.1%。造成這種沉降量分布規律的主要原因與頂板相似。

對于側墻位置2個監測點D和E，主要監測其水平位移值，監測結果如圖7所示。

圖7 側墻測點水平位移隨施工步變化曲線

通過圖7可以看出，豎井施工前期，側墻兩測點水平位移值基本一致；豎井開挖至24.73 m后，兩測點水平位移值出現差異；豎井施工后，兩測點水平位移值基本接近整個施工過程中的峰值，且D點水平位移值(0.42 mm)大于E點水平位移值(0.32 mm)；橫通道施工階段，兩測點水平位移大幅度減小，D點最終水平位移值為0.1 mm，減小了0.32 mm，E點水平位移值為-0.05 mm，減小了0.37 mm。水平位移值較小的原因主要為地下通道埋深淺，側土壓力較小，同時有整體支護結構的存在，豎井橫通道施工過程中側土壓力變化值較小，側墻的水平位移主要由不均勻沉降引起，故水平位移值一直保持較小狀態。

5.4.2 位移控制效果分析

針對第4節的各項位移控制指標，分析豎井橫通道施工引起的地下通道位移是否滿足要求。

(1)縱向不均勻沉降及整體沉降

地下通道基礎縱向(通道內部人行方向)不均勻沉降控制值每5 m為5 mm，底板縱向最小沉降、最大沉降及每5 m不均勻沉降隨施工步變化如圖8所示。

通過圖8可以看出，豎井施工前期，縱向最大沉降、最小沉降及每5 m不均勻沉降均增大；隨著豎井開挖深度的增大，縱向最小沉降有所減小，導致每5 m不均勻沉降逐漸增大；當豎井開挖至24.3 m時，最大沉降增大幅度大于最小沉降，每5 m不均勻沉降再次增大；橫通道施工階段，最小沉降變化不大，最大沉降繼續增大，每5 m不均勻沉降繼續增大。在豎井橫通道施工過程中，豎井施工引起的不均勻沉降約占85%，最終穩定值為0.82 mm；豎井施工引起的最大沉降約占90%，最終穩定值為6.41 mm。縱向不均勻沉降和最大沉降均能滿足控制標準。

圖8 縱向最小沉降、最大沉降及每5 m不均勻沉降隨施工步變化曲線

(2)橫向不均勻沉降

對于地下通道頂板和底板的側墻和跨中位置，相鄰點不均勻沉降隨施工步變化如圖9、圖10所示。

圖9 頂板側墻和跨中位置相鄰點不均勻沉降隨施工步變化曲線

圖10 底板側墻和跨中位置相鄰點不均勻沉降隨施工步變化曲線

通過圖9、圖10可以看出，頂板和底板的側墻和跨中位置相鄰點不均勻沉降變化規律一致。豎井施工前期，側墻和跨中位置相鄰點不均勻沉降較小，在0.2 mm范圍內變化；當豎井開挖至24.3 m時，側墻和跨中位置相鄰點不均勻沉降以較大幅度增大；橫通道第一、二段施工后，側墻和跨中位置相鄰點不均勻沉降基本不變，其值在第三、四段施工后有所減小。在豎井橫通道施工過程中，頂板和底板的側墻和跨中位置相鄰點不均勻沉降最大值分別為0.84 mm、0.86 mm，均滿足控制標準。

(3)側墻傾斜

地下通道側墻傾斜度須滿足1/1 500的要求，以施工步為橫坐標軸，以傾斜度倒數為縱坐標，繪制側墻傾斜度倒數隨施工步變化曲線(見圖11)。

圖11 側墻測點水平位移隨施工步變化曲線

通過圖11可以看出，豎井施工前期，側墻傾斜度較小，隨著豎井開挖深度加大，傾斜度以較大幅度增大；當豎井開挖至9.4 m時，傾斜度趨于平穩；當豎井開挖至24.3 m時，傾斜度再次增大；橫通道施工階段，側墻傾斜度變化很小，且通道兩側側墻傾斜度基本一致。在豎井橫通道施工過程中，側墻傾斜度最大值為1/7 620，滿足1/1 500的控制要求。

6 結束語

(1)北京地鐵12號線大鐘寺站-薊門橋站暗挖區間2號豎井臨近西南地下通道，環境因素復雜，存在施工風險，除洞內保護措施外，地面深孔注漿措施同樣必要。

(2)豎井橫通道施工過程中各項位移指標均滿足控制標準，且距離最大允許位移值尚有一定的余量，表明地下通道處于安全狀態。

(3)豎井引起的地下通道位移占總位移量的87%以上，橫通道施工階段地下通道位移占總位移量的13%以下，甚至部分位移項在橫通道施工階段有所減小。豎井施工對地下通道影響遠大于橫通道施工，是施工控制關鍵工序。

(4)豎井橫通道施工過程中，需加強現場監測，并根據監測結果及時調整施工參數，確保地下通道安全。