淺埋暗挖車站施工對周邊建筑等環境變形的控制

王敦顯，張浩文

(1.徐州市城市軌道交通有限責任公司，江蘇 徐州 221000；2.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210017)

城市地鐵建設一般周邊環境相對復雜，為保證建設過程中減少對交通和環境的影響，車站結構形式逐步出現多樣化的特點。車站施工工法也發展成為明挖、蓋挖和暗挖多種形式[1-3]。但由于地質條件多變及地下結構的復雜性，車站斷面較大等特點使得暗挖車站在設計、施工等環節出現安全風險和環境風險的可能性較大[4]。所以在復雜周邊環境的暗挖車站隧道施工時，如何精確控制沉降和及時完成支護封閉成環，使其與圍巖共同作用形成聯合支護體系，減小地表的沉降，保證隧道工程的安全施工一直是隧道工程的研究熱點問題[5-6]。特別當城市地鐵大跨度隧道工程所在地處于繁華市區，環境安全要求更高，有必要進行深入研究。

虞楊等[7]以青島地鐵3號線為工程背景，利用GeoFBA2D軟件，分析開挖支護方法對地表沉降值的影響，并提出了經濟、合理和安全的控制地面沉降的施工方法。趙俊等[8]利用有限元MIDAS/GTS研究了CRD工法開挖工程對徐州某單層暗挖地鐵車站的單洞位移場影響，并獲取了最佳開挖工序。陳峰[9]利用FLAC3D軟件驗證了盾構法與淺埋暗挖法結構修建北京地鐵4號線車站的施工過程的安全興與風險可控性。代維達[10]基于10個車站的地表沉降監測數據系統分析地表沉降與車站埋深、開挖面積等因素對北京地鐵6號線淺埋暗挖法車站施工引起的地表沉降影響規律進行研究。駱建軍等[11]以北京地鐵黃莊站為背景，結合現場施工量測結果，揭示四號線在淺埋暗挖法施工條件下地表沉降的原因及沉降規律，分析了影響地表沉降的因素，并提出控制沉降的措施。王春國[12]分析了淺埋暗挖隧道上穿既有地鐵隧道的工程時既有隧道沉降、結構應力、軸力和彎矩的變化規律。研究結果表明，新建隧道上穿施工會引起既有隧道的隆起。既有隧道內襯的正應力值均大于相應的外襯正應力值，既有襯砌的正應力值均小于C30混凝土的抗拉強度，不會造成受力破壞。何橋等[13]研究表明,中隔墻法施工能夠很好地控制地層變形,但該法中4部開挖對拱頂、地表變形影響較大,施工時應引起重視。

上述研究表明，采用合理的用淺埋暗挖法是可以將地表沉降控制在設計要求的范圍內的[14]。但是由于地質條件的多變以及施工參數的變化，使得研究成果具有一定的局限性，因此在施工過程中對地表沉降規律的分析，應當具體問題具體分析。CRD工法一般適用于圍巖較差、跨度較大、地表沉陷難于控制的情況[15]。本文主要的研究內容是：以徐州地鐵1號線車站為工程背景，通過數值模擬，計算CRD工法施工過程引起的隧道及地表沉降變形，同時基于隧道拱頂以及上部地表豎向位移監測數據，分析影響地表沉降因素，并闡述CRD工法控制上部建筑結構和周邊地層沉降變形的有效性。

1 工程概況

1.1 地理位置及周邊環境

徐州市軌道交通1號線一期工程的某車站，與2號線換乘，兩線采用換乘廳通道換乘，兩線車站同期實施。本站擬建場地周邊環境較為復雜，西北側為彭城廣場，西南側為中心時尚大道(地下一層，局部兩層)、徐州中央百貨大樓及悠沃地下商業街地塊，東南側為彭城飯店，東北側為在建蘇寧塔樓及附屬裙樓(見圖1)。1號線右線車站位于淮海路正下方，左線車站及外掛廳位于淮海路非機動車道北側，起于中山路十字路口，終于彭城路；2號線車站起于河清路，止于淮海路，位于彭城路正下方。

1號線車站形式為分離島車站，右線為地下單層車站，馬蹄形斷面，采用CRD法施工，右線結構拱頂覆土約21.17 m～21.60 m，跨度11.30 m，總高10.30 m，有效站臺寬4.60 m，長120.00 m。左線為地下4層車站，與明挖廳合建，采用明挖順作法施工；左線頂板覆土2.90 m～3.45 m；明挖廳為地下四層、局部地下五層的多柱多跨框架結構，頂板覆土0.50 m。左線有效站臺寬4.00 m，長120.00 m，明挖廳起點里程左DK9+669.800，明挖廳終點里程左DK9+846.800，明挖廳結構外包總長139.55 m，結構總寬56.15 m，左線車站標準段結構總高27.89 m，外掛廳標準段地下五層總高31.04 m，標準段地下四層結構總高22.95 m，圍護結構為地下連續墻+內支撐支護形式。

圖1 車站與周邊建筑物平面關系圖

1.2 工程水文地質

暗挖隧道所處地層從上到下土層依次為:①1雜填土(厚度約3.0 m～6.0 m)、①1-2老城雜填土(厚度約3.4 m～8.0 m)、⑤3-4硬塑狀黏土(厚度約9.0 m～13.0 m)，土層總厚度約20.5 m～22.0 m，其中⑤3-4硬塑狀黏土為微透水層。土層下為基巖，分別為(12)7-3-2B中風化灰巖、(12)7-3-2B中風化頁巖、(12)6-3-2A中風化頁巖、(12)6-3B中風化灰巖、(12)6-3A中風化頁巖、(12)5-3A中風化粉砂巖，中風化灰巖層為較硬巖，風化程度較弱，但多發育節理或裂隙、溶蝕、巖溶發育，發育規律性差，且易富水。頁巖、砂巖為微透水層。暗挖主隧道高、寬均為11.5 m左右，暗挖主隧道拱頂位于土巖接合面(見圖2)。

圖2 礦山法車站隧道與中心時尚大道縱剖面圖

擬建場地下伏基巖為寒武系灰巖，含有巖溶，且較為發育。據鉆孔資料顯示，巖石常見溶隙及溶洞。擬建段屬淺覆蓋型巖溶，本車站見溶洞的鉆孔45個，鉆孔見洞率為59.20%，線巖溶率為3.55%。溶洞部分以充填型為主，充填物為硬—可塑狀褐黃黏土夾灰巖碎塊，部分為空洞。場地溶巖發育主要受構造控制，巖層傾角較陡，地表水沿節理下滲地下水運動強烈，巖溶發育方向受層面控制，多為NEE—SWW方向。隧道綜合圍巖等級為V級。

地下水類型分為填土中的上層滯水、上部土層中的潛水及基巖裂隙水。潛水(含上層滯水)主要由大氣降水、居民生活用水排放及大氣降水補給，水位動態變化較大，分布不連續，水量較小。基巖裂隙水主要賦存于寒武系灰巖溶洞和裂隙中，受巖體破碎程度、節理裂隙發育程度及溶洞大小等控制，水量變化較大，由地層地下水及周圍基巖裂隙水補給，在構造破碎帶、節理裂隙密集處匯集，水量較大，具有承壓性。根據現有勘察資料，場區地下水(潛水)埋深約3.20 m～7.10 m，水位標高約25.25 m～29.33 m，受地形影響起伏較大，根據地區經驗，潛水水位變化幅度約為1.00 m。巖溶裂隙水水位埋深為5.00 m～7.00 m, 溶裂隙水水位受大氣降水影響顯著，年動態隨季節而變化，年變幅3.00 m～5.00 m。

2 開挖過程及支護形式

2.1 開挖過程

考慮該車站周邊環境較為復雜，且上部結構都為重要工程，這要求施工安全度高，地面沉降精確控制。綜合考慮此處水文地質條件，因此，選用CRD工法進行開挖，要遵循“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”，以對建筑物或周邊管線進行保護。暗挖總體思路：左線暗挖隧道通過破除連續墻1#小導洞進洞，右線暗挖隧道通過3#橫通道進入主洞，再由3#橫通道向西側施工暗挖主洞。具體步驟如圖3所示。正線暗挖隧道分為標準段、端頭井段。車站標準段開挖寬度11.50 m，開挖高度10.57 m。盾構始發及接收段開挖寬度12.00 m，開挖高度11.07 m。拱頂覆土約21.30 m，在時尚大道底板下13.76 m。

圖3 隧道開挖順序

2.2 支護形式

為保證初期支護具有足夠的剛度和強度，承受施工期間的全部荷載、并能有效的控制地層變形，初期支護形式結構為復合式襯砌形式，作為永久結構的一部分，初期支護在使用階段與二次襯砌結構共同承受土壓力。考慮耐久性設計以及使用期間荷載的變化，二次襯砌采用模筑鋼筋混凝土結構并按可能發生的最不利情況下的水壓力及初期支護因材料性能退化和剛度下降引起的荷載轉移，按照二襯剛度和折減后的初襯剛度比進行分配，水壓力全部由二襯承擔(見圖4)。

圖4 隧道橫斷面圖

2.3 特殊地段設計措施

拱部位于土巖分界線，在明挖結構施工完成后，在隧道拱部范圍內一次打設大管棚進行超前支護。管棚采用直徑108 mm、厚6 mm的鋼管，環向間距為0.4 m,長度為40.0 m。由于位于土巖結合面，管棚環向統一采用鋼花管根據實際情況進行注漿。在管棚中間增加超前小導管對土巖接合面拱部范圍的巖土進行注漿加固。小導管采用直徑42.0 mm、厚3.5 mm的鋼花管，環向間距為0.4 m,單根長為3.0 m，結合鋼架設置。在破除橫通道開洞鋼架施工正線隧道時，應連立三榀格柵鋼架。注漿采用水泥砂漿，管棚注漿水灰比為1∶1，小導管注漿水灰比為0.5～1.0。管棚注漿壓力控制在1.5 MPa以內，小導管注漿壓力控制在1 MPa以內。

3 數值模擬分析

3.1 計算模型

計算采用MIDAS/GTS NX巖土有限元分析軟件建立三維有限元模型，考慮隧道開挖影響，模型沿隧道縱向取80 m，橫向取車站跨度的7倍(為150 m),深度為70 m。在有限元模型中采用了理想彈塑性材料，進行非線性計算。圍巖材料的本構模型采用摩爾-庫侖模型，以考慮圍巖的非線性變形。模型圍巖采用彈塑性各向同性體材料模擬，襯砌采用全長粘結式直梁材料模擬。采用地層結構法計算左、右線隧道支護結構變形，同時分析左、右線主隧道開挖對中心時尚大道的影響。隧道施工的分步開挖過程通過軟件提供的“挖去”來實現。在隧道開挖工程計算中不考慮地下水滲流的影響，根據試驗結果，模擬計算需要的底層以及材料力學參數如表1所示。

表1 材料力學參數

3.2 結果分析

地層損失使得開挖隧洞周圍土體會沿隧洞徑向擠壓，隧洞上部土體會沉降，下部土體會隆起；地表土體也會因此發生沉降。地層損失還會在土層—隧道橫斷面上造成明顯的應力集中現象。沿隧道縱向，因為有上部結構的存在，使得地層的應力分布顯著變化，即：在有上部結構作用的位置，地層的初始應力較大，開挖后地層損失應力較多，造成沿隧道縱向沉降值在該部位較大。具體結果如下：

(1) 左線主隧道在開挖完畢后，如圖5所示，地表沉降槽寬度約為35 m，隧道底最大隆起最大29.4 mm，隧道頂最大沉降10.1 mm，小于30.0 mm的最大地表沉陷的控制標準；地層最大變形出現的位置為結構基礎下方，如圖6所示。

圖5 左線主隧道橫斷面地表沉降云圖

圖6 左線主隧道縱斷面地表沉降云圖

(2) 右線主隧道在開挖完畢后，如圖7所示，地表沉降槽寬度約為33 m，隧道底最大隆起最大28.3 mm，隧道頂最大沉降18.1 mm，小于30.0 mm的最大地表沉陷的控制標準；地層最大變形出現位置同樣位于結構基礎下方，如圖8所示。

(3) 4號—6號暗挖橫通道開挖完畢后，如圖9所示，隧道底最大隆起最大29.1 mm，隧道頂最大沉降18.1 mm，小于30.0 mm的最大地表沉陷的控制標準。

(4) 經過模擬計算，左、右線主隧道開挖完成后中心時尚大道基礎隆起豎向位移1.98 mm，可見主隧道開挖引起的建筑物基礎水平拉伸程度較小。各類管線變形值均小于10.00 mm，滿足規范要求。在施工過程中要特別關注周邊重要建筑物的沉降和變形，及時在洞內、洞外采取加固措施。

圖7 右線主隧道橫斷面地表沉降云圖

圖8 右線主隧道縱斷面地表沉降云圖

圖9 中心時尚大道基礎沉降云圖

4 地鐵施工沉降變形監測與分析

暗挖隧道易發生坍塌等事故，都會造成地面大范圍的沉降和變形，危及周邊建(構)筑物的安全。因此，施工前應制定詳細的監測方案，應對暗挖隧道及其周邊可能產生的地表及建(構)筑物的變形詳細監控量測，以做到信息化施工。為重點探討暗挖隧道對初支結構和上部建筑是否會產生較大的變形和沉降以及對周邊環境的影響。對隧道底以及上部地表豎向位移等進行監測。利用監測數據來判斷隧道結構安全和上部建筑變形是否能滿足要求。

4.1 檢測點布置

為全面監測暗挖隧道車站地表沉降，暗挖車站上部地表縱向部三排測點，暗挖車站左側部一排測點，3號橫通道線上方部一排測點，每排為9個測點，均勻分布在暗挖車站隧道地表兩側，具體測點如圖10所示。

圖10 暗挖段地面沉降監測平面圖

4.2 沉降分析

根據對時尚大道商業下方施工時地面沉降監測點的監測分析，選取沉降最大點所在斷面進行分析，圖11為左線隧道中線上方觀測點研究豎向位移變化情況，由圖11可知，地表沉降隨隧道開挖進程開展逐漸增大，地表沉降對前期開挖敏感性較弱，約開挖2周后地表呈現明顯的沉降變形，且變形逐漸增大，最終約在開挖14周后達到變形穩定，DBC-07-07以及DBC-11-07的最大值沉降量約為5 mm，而DBC-09-07的最大值沉降量約為11 mm。

圖11 左線隧道暗挖施工地面沉降觀測值

為與時尚大道商業位置對比，取3號橫通道中線上方觀測點進行對比分析，具體沉降量時程曲線如圖12所示。與前述類似，地表沉降量逐漸增大，但值得關注的是，與圖11相比，3號橫通道中線地表達到第一次沉降穩定所需時間更長，且達到第一次穩定對應的沉降量約在15 mm～20 mm之間，這表明，當隧道開挖下穿已有上覆建筑結構時，上覆結構會明顯抑制由隧道開挖引起的地表沉降量，約降低30%～50%，此外，地表沉降達到穩定所需時間也有顯著降低。

此外，由圖12還可知，當地表沉降達到穩定一段時間后，又發生顯著的二次沉降，且二次沉降較一次沉降沉降速度更快，沉降量更大，最大沉降量約為30 mm，約為一次沉降的1.5倍～2.0倍。這是因為一次沉降是由左線隧道開挖引起的，而二次沉降則是由3號橫通道開挖引起的，但達到二次穩定的所需時間遠小于一次穩定時間，這表明在立體空間交叉開挖施工中，兩次互交開挖引起的地表沉降遠大于一次開挖，最大值約為50 mm，而第二次開挖對地表沉降量貢獻更大，但第二次開挖引起地表沉降達到穩定所需時間更短。這要求對于同一立體空間的多次開挖工程，需更嚴格的監測由開挖引起的沉降變形，嚴格控制變形量，及時進行支護及地層加固，以保證上部及鄰近建筑安全。

圖12 3號橫通道暗挖施工地面沉降觀測值

為便于與左線隧道中線以及3號橫通道暗上方沉降進行對比，圖13給出左線隧道暗挖以及3號橫通道暗挖拱頂沉降累計量。

圖13 左線隧道及3號橫通道暗挖拱頂沉降觀測值

由圖13可知，無論是左線隧道還是3號橫通道，其拱頂沉降量都隨開挖進程逐漸增大，最大沉降量約為10 mm～12 mm，且同一隧道拱頂沉降逐漸達到協同發展。此外，對于下穿已有上覆建筑的單一隧道開挖，其拱頂沉降量小于地表沉降量，而對于立體空間交叉開挖的上部隧道，其拱頂沉降明顯小于地表沉降。

5 結 論

以徐州地鐵1號線車站為工程背景，通過數值模擬，計算CRD工法施工過程引起的隧道及地表沉降變形，同時基于隧道拱頂以及上部地表豎向位移監測數據，分析影響地表沉降因素，并闡述CRD工法控制上部建筑結構和周邊地層沉降變形的有效性：

(1) 數值計算結果表明，左、右線主隧道開挖完成后中心時尚大道基礎隆起豎向位移1.98 mm，可見主隧道開挖引起的建筑物基礎水平拉伸程度較小。各類管線變形值均小于10.00 mm，滿足規范要求。

(2) 地表沉降隨隧道開挖進程開展逐漸增大，地表沉降對前期開挖敏感性較弱，約開挖2周后地表呈現明顯的沉降變形，且變形逐漸增大，最終約在開挖14周后達到變形穩定。

(3) 當隧道開挖下穿已有上覆建筑結構時，上覆結構會明顯抑制由隧道開挖引起的地表沉降量，約降低30%～50%，此外，地表沉降達到穩定所需時間也有顯著降低。

(4) 對于下穿已有上覆建筑的單一隧道開挖，其拱頂沉降量小于地表沉降量，而對于立體空間交叉開挖的上部隧道，其拱頂沉降明顯小于地表沉降。