分離島式車站群洞開挖施工變形控制措施*

謝大波，王 琛，周 誠，余群舟

(1.華中科技大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢地鐵集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430070)

0 引言

在繁華城市修建地鐵會因受到各種因素影響使得地鐵車站的形式不再局限于傳統(tǒng)的島式車站、側(cè)式車站、島側(cè)混合式車站，越來越多新的車站形式如分離島式涌入。分離島式車站的軌道位于站臺兩側(cè)，但分離島式站臺的上、下行站臺分開，站臺間通過1條或幾條通道連接。國內(nèi)很多地鐵線路是順沿道路建設(shè)，而城市道路上大都存在高架橋、立交橋，其立柱基礎(chǔ)會使得路面無法進(jìn)行大面積開挖，使得地鐵車站站廳與站臺無法合成一體，因此對其解決方法一般為在中間修建連接通道接駁兩側(cè)隧道與站廳[1]。地鐵隧道施工過程中不可避免的影響是會使隧道周邊巖體受到外界施工因素的擾動，隧道本身與通道結(jié)構(gòu)及周邊產(chǎn)生一系列變形，群洞施工影響則更甚。

國內(nèi)外相關(guān)針對地鐵隧道開挖研究中，Peck提出的關(guān)于Peck公式[2-3]及其修正版和衍生版公式應(yīng)用是針對預(yù)測地表沉降公式中應(yīng)用度最廣的。Loganathan等[4]針對這一系列的雙隧道、雙孔通道問題所引起的施工安全風(fēng)險進(jìn)行多方面深入探究并進(jìn)行理論公式分析。肖濤[5]以兩條相交的北京地鐵線路站點為研究背景，針對實際工程中的問題，進(jìn)行控制PBA多個導(dǎo)洞施工變形的研究并提出相應(yīng)的防控措施。在對施工監(jiān)測及風(fēng)險控制研究中，王坤等[6]在對淺埋暗挖法施工近距離群洞暗挖復(fù)雜情況進(jìn)行分析時，因其圍巖呈現(xiàn)出不規(guī)律性沉降變化，施工采取信息化監(jiān)測手段時必不可少，其對宣武門站超40個斷面進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，充分利用監(jiān)測數(shù)據(jù)保障群洞開挖安全。

基于上述研究及論述，以分離島式車站為研究背景，完善在相應(yīng)研究上的不足，本文歸納了地鐵暗挖施工的施工工法并深入分析對群洞開挖施工變形影響因素，最后結(jié)合實際工程案例監(jiān)測數(shù)據(jù)分析規(guī)律并給出控制措施，驗證措施的有效性，為群洞暗挖施工提供安全保障。

1 分離島式車站施工變形影響因素分析

1.1 工程概況

本文研究的工程實例為武漢某地鐵工點，該車站為地下4層14m分離島式站臺車站(見圖1)，采用半鋪蓋法順作施工。主體結(jié)構(gòu)采用2個4層單跨箱形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)分離島，大里程端總寬47.3m，平面呈長條形。車站分離島間設(shè)置6個連接通道(見圖2)，其中地下1層分布1個，地下2層分布2個，地下4層分布3個，均采用暗挖法施工。地質(zhì)情況大致為：地下1層主要穿越地層為粉質(zhì)黏土，地下2層主要穿越地層為強(qiáng)風(fēng)化泥巖，地下4層主要穿越地層為中風(fēng)化泥巖。整體暗挖施工工序為：先地下4層再地下2層，最后地下1層。其中，地下1層CRD施工加大管棚及小導(dǎo)管超前支護(hù)，地下2層CRD施工加大管棚超前支護(hù)，地下4層短臺階法施工加注漿小導(dǎo)管超前支護(hù)。

圖1 分離島式車站形式示意

圖2 連接通道位置分布

1.2 群洞開挖施工變形影響因素分析

1.2.1群洞施工引起地表沉降影響因素分析

采用淺埋暗挖法進(jìn)行地下隧道工程開挖不可避免地會造成地表沉降，影響隧道暗挖地表沉降的主要因素涵蓋工程地質(zhì)條件、隧道暗挖施工工藝、隧道開挖截面尺寸大小、埋深、上部荷載大小等[7]。

1)工程地質(zhì) 工程地質(zhì)條件影響施工的各方面，是各工序施工方案所需考慮的重要因素，還包括水文地質(zhì)條件及具體土體物理力學(xué)性能。

2)隧道開挖截面 根據(jù)現(xiàn)有的相關(guān)研究表明，將隧道開挖截面近似看作圓形截面，則如果隧道開挖半徑增加，地表沉降量和沉降槽的范圍也會相應(yīng)變大。

3)施工工藝 施工工藝是對隧道開挖全過程工序的囊括，具體包括超前加固法、施工法、選用的支護(hù)形式。

4)埋深 基于已有研究，在保證其他條件不變的情況下，隧道埋深不斷增加，地表沉降最大值逐漸減小，沉降范圍緩慢增加，但減小速率卻放緩，中心線位置的沉降值逐漸變小(見圖3)。

圖3 地表沉降值與隧道埋深關(guān)系曲線

對于群洞暗挖施工來說，其對地表沉降造成的影響不僅來自自身施工狀況，還與周邊隧道施工有著不可分割的關(guān)系，主要影響因素除了上面提及的外還有群洞間間距、群洞施工順序、開挖方式、開挖步距、作業(yè)方式(見圖4)。

圖4 隧道相離較遠(yuǎn)與較近時地表沉降曲線

相鄰隧道凈距分界點Le受多個相關(guān)因素影響，在同一個工程地質(zhì)大環(huán)境下，H/L值是影響沉降曲線的重要因素。沉降槽寬度參數(shù)K受圍巖和巖土性質(zhì)影響較大，其和工程地質(zhì)情況密切相關(guān)，由Peck公式和相關(guān)研究在判定相鄰隧道距離遠(yuǎn)近的判別公式得出，圍巖性質(zhì)越好，K值越小。若隧道開挖埋深H已知，則有：

Le=2.021HK0.975

(1)

1.2.2群洞施工引起洞內(nèi)變形影響因素分析

地鐵隧道相鄰間距的研究一直是研究的關(guān)鍵問題，其將直接影響隧道的相互間施工。21世紀(jì)初，廈門市某地鐵隧道建設(shè)中對相鄰隧道的凈間距給出了指導(dǎo)性建議[2]，如表1所示。

表1 城市相鄰隧道最小凈間距

以相鄰的2座隧道為例，二者間距是相互間影響的關(guān)鍵因素，根據(jù)已有研究，按影響程度將隧道間凈間距大體上劃分為4類，即Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ級區(qū)域，影響程度遞減，分別對應(yīng)為Ⅰ級影響極大，需立即采取相應(yīng)防范措施；Ⅱ級影響較大，需加強(qiáng)監(jiān)測，必要時采取措施；Ⅲ級影響一般，適當(dāng)關(guān)注監(jiān)測；Ⅳ級影響較小，一般情況下無須過多關(guān)注。

Ⅰ級區(qū)域范圍為0～1.0D，Ⅱ級區(qū)域范圍為 (1.0～1.5)D，Ⅲ級區(qū)域范圍為(1.5～2.5)D，Ⅳ級區(qū)域范圍為2.5D以上(見圖5)，其中D為隧道開挖寬度。

圖5 一般情況下影響區(qū)域劃分

隧道所處的圍巖情況對凈距的要求也有差異，圍巖等級高的對距離要求同條件下也更遠(yuǎn)。施工工法及支護(hù)形式對洞內(nèi)變形的影響也不可忽略，良好的超前支護(hù)結(jié)構(gòu)及適宜的暗挖施工工法在維系隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面是施工控制的關(guān)鍵所在，通常來說大管棚的支護(hù)效果要優(yōu)于小導(dǎo)管注漿，單個支護(hù)體系效果要劣于多個支護(hù)體系共同疊加。

2 分離島式車站群洞暗挖施工變形規(guī)律分析

2.1 洞內(nèi)施工變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.1.1拱頂下沉監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

對于洞內(nèi)施工變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，本文主要是針對洞內(nèi)拱頂下沉和凈空收斂。隧道在開挖土體后，由于土體的損失導(dǎo)致圍巖自重及應(yīng)力發(fā)生變化，致使隧道頂部向下發(fā)生位移的現(xiàn)象稱為拱頂下沉。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)各監(jiān)測點時序圖分析(見圖6～8)，各斷面拱頂下沉監(jiān)測點初始開挖后數(shù)值初始變化較小且伴隨小幅度波動，隨著開挖的不斷進(jìn)行數(shù)值總體呈現(xiàn)增加趨勢，總體上各曲線變化趨勢相似、數(shù)值差距小。不同通道的拱頂數(shù)值存在較大差異，其原因主要與實際工況、所在地層、施工工法、施工實際情況等相關(guān)。

圖6 1號連接通道拱頂下沉各監(jiān)測點時序曲線

圖7 各連接通道初始端拱頂下沉?xí)r序曲線

圖8 1號連接通道拱頂下沉同一斷面監(jiān)測點時序曲線

兩側(cè)壁拱頂下沉?xí)r序圖變化趨勢保持較高程度的相似性，各轉(zhuǎn)折點時間點基本一致，整體曲線數(shù)值差距在1mm以內(nèi)，GD1-1-2(右側(cè))數(shù)值要略高于GD1-1-1(左側(cè))，而略低于各拱頂監(jiān)測點時序圖中的12mm。數(shù)值曲線隨時間變化不斷增加，開挖初期存在短時期數(shù)值波動，整體變化趨勢及幅度有較大相似之處，通道中間區(qū)域拱頂數(shù)值一般要大于兩側(cè)拱頂。

2.1.2凈空收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

凈空收斂別稱凈空變形，一般指的是隧道開挖后周邊圍巖向隧道內(nèi)出現(xiàn)凈空侵入現(xiàn)象，通常理解為隧道周邊同一水平高度上的兩點在整個開挖過程中相對位置的變化情況(見圖9)。

圖9 暗挖通道橫向斷面與凈空收斂縱向監(jiān)測點布置

隨著通道土體開挖完成之后，將相應(yīng)的凈空收斂監(jiān)測設(shè)備布設(shè)在初期支護(hù)周邊，按預(yù)設(shè)的方案施工。因收斂監(jiān)測點較多且隨施工進(jìn)度設(shè)置監(jiān)測點，故數(shù)據(jù)繁多且雜，針對收集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)分類歸納成圖表。

如圖10所示，以群洞中1號和2號通道凈空收斂監(jiān)測時序曲線為例，其數(shù)值大小規(guī)律可總結(jié)為：同一斷面上側(cè)壁收斂數(shù)值大小與先后開挖施工有關(guān)，先開挖的導(dǎo)洞側(cè)壁收斂數(shù)值較小，后開挖的導(dǎo)洞收斂數(shù)值大，不同斷面上的凈空收斂數(shù)值與對應(yīng)的位置相關(guān)，兩端數(shù)值要小于中間區(qū)域，因中間區(qū)域受土方開挖影響時間較長(見圖11)。

圖10 1，2號連接通道凈空收斂各監(jiān)測點時序曲線

圖11 不同通道SLx-1-1凈空收斂時序曲線

基于現(xiàn)有的凈空收斂數(shù)據(jù)樣本，選取不同地層下各通道在同一相對位置上的監(jiān)測點數(shù)據(jù)對比。比對數(shù)值時序曲線可得結(jié)論為：各通道凈空收斂監(jiān)測點曲線均存在多處轉(zhuǎn)折點，其受到現(xiàn)場施工進(jìn)度的影響較大，曲線變化速率與施工進(jìn)度、支護(hù)結(jié)構(gòu)的及時性關(guān)聯(lián)在一起；數(shù)值上地下1層和地下2層的通道凈空收斂最終數(shù)值明顯小于地下4層數(shù)值。

2.2 地表沉降現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.2.1地表沉降現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)時序規(guī)律分析

地表沉降是因開挖后、圍巖及支護(hù)、復(fù)合襯砌間的空隙地下水位下降，致使發(fā)生固結(jié)現(xiàn)象，圍巖和支護(hù)下沉最終導(dǎo)致地表沉降。從現(xiàn)場收集到的數(shù)據(jù)時序圖分析可得如下結(jié)果：①工況相似的通道暗挖施工，監(jiān)測點時序變化會有差異，但地表沉降數(shù)值總體差距小，最終穩(wěn)定數(shù)值基本一致；②受各通道開挖進(jìn)度影響，各曲線時序變化差異影響較大，且受交叉施工影響，地表情況橫向分布會有差異；③支護(hù)結(jié)構(gòu)施工后一段時間內(nèi)，地表沉降增速降低；④CRD法施工對地表沉降控制效果要遠(yuǎn)優(yōu)于CD法，施工工法的更改會直接體現(xiàn)在地表沉降數(shù)值及增速上；⑤受到群洞施工影響，地表沉降數(shù)值橫向分布有差異(見圖12)。

圖12 1，3號連接通道地表沉降時序曲線

2.2.2地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)規(guī)律異同性分析

地表沉降最終監(jiān)測數(shù)值大小與隧道埋深有很大關(guān)系，同一施工工法、同一埋深或埋深相近，最終土方開挖數(shù)值大小相近，差異性很小。

圖13所示大致符合理論變化趨勢，隧道埋深逐漸變大，沉降值變小，但其呈現(xiàn)曲線式變化趨勢，即變化速率不斷變小。1號和4號因存在上下疊層關(guān)系導(dǎo)致4號數(shù)值增加，各通道監(jiān)測點兩端地表沉降監(jiān)測數(shù)值變化有相同趨勢，其數(shù)值差距保持在一定范圍內(nèi)且偏差較小。時序圖數(shù)值變化程度較低且存在瞬時性，轉(zhuǎn)折變化快，轉(zhuǎn)折點一般與實際施工現(xiàn)狀及進(jìn)度情況相關(guān)(見圖14，15)。

圖13 各通道不同埋深下地表沉降曲線

圖14 不同截面中線處地表沉降數(shù)據(jù)時序曲線

圖15 不同通道初始斷面橫向地表沉降終值曲線

針對不同監(jiān)測斷面，數(shù)值存在差異，2，3，5號通道各初始截面和終端截面數(shù)值大小差距較小，相反4，6號差距較大，其原因主要為存在交叉施工影響數(shù)值變化。各連接通道橫向地表沉降分布曲線有著一定差異性，主要存在U形和V形曲線差別，數(shù)值存在一定的對稱性，但兩端數(shù)值差仍明顯，其原因主要是受實際現(xiàn)場交叉施工和施工順序影響。

3 分離島式車站群洞施工變形控制措施及效果分析

3.1 分離島式車站群洞施工變形控制措施

3.1.1洞內(nèi)施工變形控制措施

就目前對把控洞內(nèi)施工變形理論及實踐來說，較有效措施主要從以下2個層面把控，即支護(hù)手段和隧道開挖方式[8]。綜合某分離島式車站群洞施工現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)展現(xiàn)出來的規(guī)律和數(shù)值模擬規(guī)律情況，給出洞內(nèi)變形針對性控制措施為：①提高支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可通過提高噴射混凝土強(qiáng)度等級、選用大直徑鋼筋及鋼架、增加鋼格柵數(shù)目、減少布設(shè)間距、提高錨桿剛度等提升初期支護(hù)承載力；②根據(jù)實際工況選擇適宜的施工工法(暗挖施工)，加強(qiáng)施工監(jiān)測頻率及增加監(jiān)測點布設(shè)；③選用復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格把控支護(hù)結(jié)構(gòu)施作的時間節(jié)點；④各環(huán)節(jié)應(yīng)嚴(yán)格按施工規(guī)范及施工方案要求，及時施作內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)(見圖16)。

圖16 地表沉降控制基本對策

3.1.2地表沉降控制措施

隧道暗挖施工引起的地表沉降及后期沉降增加主要與3方面關(guān)聯(lián)度較大，即周邊圍巖及土體介質(zhì)性質(zhì)、地下隧道自身結(jié)構(gòu)、隧道施工方法[9]。

綜合某分離島式車站群洞施工現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)展現(xiàn)出來的規(guī)律情況，給出地表沉降針對性控制措施：①嚴(yán)格按施工方案施工，盡可能規(guī)避上下疊層及交叉施工；②嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺，且保持適當(dāng)?shù)氖┕づ_階長度；③隧道遵循邊開挖邊支護(hù)原則，及時施作初期支護(hù)、仰拱等結(jié)構(gòu)，土方開挖完成后及時進(jìn)行二次襯砌施工封閉結(jié)構(gòu)，盡快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；④對于群洞同時施工，在縱向保持一定的施工斷面間隔，對受到交叉影響的地層可提前進(jìn)行注漿處理并提高支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3.2 控制措施效果分析

綜合現(xiàn)場實際施工中得以應(yīng)用的施工變形控制措施，以現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)變化實況驗證相應(yīng)措施的有效性。論證相應(yīng)措施采取前后，由現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)值及變化速率2方面分析可知，采取相應(yīng)控制措施后，群洞施工變形取得良好控制效果。最終監(jiān)測數(shù)值顯示，地表沉降最大值為29mm(允許值30mm)(見圖17)，拱頂沉降為12mm(允許值15mm)，收斂為22mm(允許值40mm)，從監(jiān)測預(yù)警三級管理角度分析，洞內(nèi)外施工變形監(jiān)測數(shù)據(jù)僅個別監(jiān)測數(shù)值處于橙色預(yù)警范圍，各項數(shù)值均未超過允許值范圍，充分驗證了控制措施的實用性及有效性。

圖17 通道終端斷面中線地表沉降時序曲線

4 結(jié)語

本文以武漢某分離島式地鐵現(xiàn)場工程案例為研究對象，基于現(xiàn)有的群洞開挖施工基礎(chǔ)理論，歸納總結(jié)了分離島式群洞施工變形影響因素并對比各工法特點，綜合分析實際工程案例中分離島式車站群洞暗挖現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，得出相應(yīng)的實際變形規(guī)律并給出針對性施工變形控制措施，最后驗證措施有效性，為類似工程提供參考，保障施工安全進(jìn)行。