鄰近建筑物深大豎井施工引起地表沉降分析研究

□文/李力亨

豎井作為地鐵車站暗挖法施工重要部分，對(duì)車站主體結(jié)構(gòu)的施工進(jìn)度起著控制性作用[1]。由于豎井深度通常達(dá)到30～40 m且開(kāi)挖面較傳統(tǒng)基坑小得多，采用傳統(tǒng)基坑支護(hù)既不合理、也不經(jīng)濟(jì)；當(dāng)豎井橫通道附近存在重要建筑物及管線時(shí)，一旦變形過(guò)大，不僅影響自身安危，更可能導(dǎo)致建筑物開(kāi)裂、沉陷以及管線破裂等[2～3]，賈波[4]、陶禹[5]、駱建軍等[6]通過(guò)對(duì)鄰近建筑物的地鐵豎井開(kāi)挖引起沉降的研究，得出正確的加固方式對(duì)控制建筑物沉降起著至關(guān)重要作用的結(jié)論。

1 工程概況

北京地鐵19號(hào)線北太平莊站與12號(hào)線在北太平莊路和北三環(huán)中路路口交匯，形成“T”形換乘車站，整個(gè)車站體量大，工期緊張。車站東北象限為北京城建大廈樓房，西北象限為遠(yuǎn)望樓賓館，南側(cè)近距離側(cè)穿北太平橋，周邊環(huán)境復(fù)雜；既有建筑物導(dǎo)致不能多設(shè)置豎井，因此設(shè)置于車站東北角的4#豎井同時(shí)承擔(dān)了19號(hào)線和12號(hào)線車站部分的施工任務(wù)。見(jiàn)圖1。

圖1 4#豎井橫通道平面

4#豎井開(kāi)挖尺寸為6.25 m×7.25 m，壁厚350 mm，凈空為5.9 m×6.9 m，采用倒掛格柵鋼架的方式支護(hù)，井壁是270 mm×270 mm的格柵鋼架+濕噴混凝土，格柵由4 根25 mm 主筋形成“口”字形骨架，鋼筋主筋之間用角鋼焊接牢固。

豎井井口所處地層為填土，為確保豎井使用期間井口的穩(wěn)定性及安全性，在井口設(shè)置了深1 m、寬1.5 m的現(xiàn)澆鋼筋混凝土鎖口圈梁；鎖口圈梁預(yù)埋?22 mm@1 000 mm的豎向連接筋，對(duì)井壁格柵鋼架起倒掛作用。

橫通道分七層，初支采用格柵鋼架+噴射混凝土，各層凈空均為4 m×5 m；首層和最底層橫通道初支厚度350 mm，其余初支壁厚均為300 m。

2 水文地質(zhì)條件

豎井開(kāi)挖范圍內(nèi)從上而下為雜填土、粉土填土、粉細(xì)砂以及卵石。見(jiàn)圖2。

圖2 豎井橫通道橫剖面

豎井橫通道施工范圍內(nèi)存在填土、雜填土以及粉細(xì)砂，尤其橫通道的拱頂及豎井內(nèi)破馬頭門處，均處于粉細(xì)砂地層，工程性質(zhì)很差，開(kāi)挖后若不及時(shí)支護(hù)，容易變形、沉降。本次豎井橫通道施工期間，采用井點(diǎn)降水將地下水降至井底以下0.5 m。

鉆孔勘察資料顯示，該區(qū)域內(nèi)主要賦存有潛水、層間潛水。鉆探未揭露上層滯水。

潛水埋深為7.60 m，含水層巖性主要為③粉土，分布不連續(xù)，僅在部分鉆孔內(nèi)對(duì)該層水有所揭露。

層間潛水（三）埋深10.90～15.95 m，含水層巖性主要為④3粉細(xì)砂，局部為⑥2粉土，透水性較好。

層間潛水（四）埋深約30.20 m，含水層巖性主要為卵石圓礫。

3 施工工藝及變形控制

3.1 施工工藝

井口以下10 m的范圍，格柵鋼架豎向間距為750 mm，井內(nèi)破第一層橫通道拱頂上方格柵鋼架密排，間距400 mm，余下范圍格柵鋼架豎向間距都采用500 mm。在豎井處于素填土、人工填土、粉細(xì)砂地層及靠近地下人行通道一側(cè)，每榀斜向下打設(shè)直徑32.5 mm、壁厚3.25 mm 的超前小導(dǎo)管，超前注漿改良粉細(xì)砂等不良地層。小導(dǎo)管與格柵鋼架牢固焊接。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)泥漿池要求，豎井施工至橫通道底板下方約1.5～2 m 用型鋼臨時(shí)封底，破首層橫通道馬頭門前，于馬頭門上方水平打設(shè)超前小導(dǎo)管注漿加固，形成棚護(hù)作用；破馬頭門后，橫通道格柵鋼架要與豎井鋼架可靠焊接，確保馬頭門處受力安全。見(jiàn)圖3。

圖3 豎井支撐

橫通道掘進(jìn)前，對(duì)拱頂進(jìn)行超前深孔注漿，注漿壓力控制在0.3～0.8 MPa，對(duì)注漿加固體進(jìn)行檢測(cè)，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度≮0.8 MPa，滲透系數(shù)＜1×10-6cm/s。

橫通道采用礦山法施工，分上下臺(tái)階，為確保上臺(tái)階掌子面穩(wěn)定，上臺(tái)階開(kāi)挖采用預(yù)留核心土環(huán)形開(kāi)挖。上層橫通道與下層橫通道之間須錯(cuò)距8 m 以上，橫通道開(kāi)挖至車站圍護(hù)樁處進(jìn)行臨時(shí)端墻封堵。

3.2 變形控制

豎井和橫通道施工引起的地表總沉降控制值為30 mm；電力管溝及給水管的總沉降控制值為10 mm；地下人行通道的控制值為15 mm[7～8]。見(jiàn)圖4。

圖4 豎井與周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)平面

4 施工控制數(shù)值模擬分析及實(shí)測(cè)結(jié)果

采用MADIS GTS 有限元軟件建立地層-結(jié)構(gòu)模型，模擬橫通道開(kāi)挖對(duì)地表沉降的累計(jì)沉降，初支結(jié)構(gòu)視為彈性材料，地層視作莫爾-庫(kù)倫理想彈塑性材料，模型左右邊界做橫向約束，下邊界做豎向約束，最上端為自由邊界。見(jiàn)表1-表2和圖5-圖6。

表1 地層力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

表2 橫通道物理力學(xué)參數(shù)

圖5 橫通道有限元計(jì)算模型

圖6 橫通道施工沉降

由圖6 可知，橫通道施工引發(fā)的地表累計(jì)沉降約為13.6 mm。

第一層橫通道拱頂距離地面12.5 m，電力管溝（2 000 mm×2 100 m）距離第一層橫通道拱頂僅247 mm，給水管（?1 600 mm）距離第一層橫通道拱頂9.2 m，豎井距離地下人行通道僅2.22 m；以上均為4#豎井橫通道施工過(guò)程中的重大風(fēng)險(xiǎn)源，因此，制定合理、嚴(yán)密的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案[9～13]非常必要。

為證明有限元數(shù)值計(jì)算的可靠性，對(duì)豎井橫通道及周邊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，選擇靠近4#豎井橫通道的地表、人行通道及管線統(tǒng)計(jì)了其沉降值，見(jiàn)圖7。

圖7 沉降變形

由圖7可知，地表沉降最終穩(wěn)定在12.5 mm左右，滿足變形控制要求；證實(shí)了有限元數(shù)值分析的可靠性，也表明4#豎井橫通道施工工序和支護(hù)方法合理，保證了自身及周邊環(huán)境安全。

由圖6和圖7可知，豎井橫通道的施工步序、超前注漿加固范圍及材料是適用的，很好地控制了地表及周邊建筑的沉降。

5 結(jié)論

1）城市復(fù)雜環(huán)境中的深大豎井及鄰近管線橫通道的施工須采用可靠的超前加固方案且保證實(shí)施到位。

2）復(fù)雜地層中深度達(dá)40 m 的豎井采用倒掛井壁法是可行的；只要嚴(yán)格實(shí)行初支施工步序，能將地表沉降控制在規(guī)定范圍內(nèi)。

3）地質(zhì)條件差的地層，施工前打設(shè)超前小導(dǎo)管，一方面起到改良地層作用，一方面可抑制初支下沉，對(duì)穩(wěn)定井壁起到控制作用。