粉細砂地層地鐵渡線段沉降控制措施及數值分析

趙 龍

（中鐵十四局集團隧道工程有限公司，山東 濟南 250101）

在城市地鐵建設項目中，為滿足行車組織和故障救援的要求，渡線段的設置不可缺少。根據以往的經驗，軟土地層渡線段常與車站明挖合建；而硬土地層，尤其是在周圍環境復雜，無法提供明挖空間的渡線段更多地采用暗挖手段。鑒于渡線段施工在地鐵建設中的重要性，相關學者開展了系列研究。劉穎等[1]從工期、造價、經濟指標、地下車站結構和風險工程等方面探討了硬土地層的施工方案。闞寶財[2]探討了富水砂卵石地層渡線段暗挖施工技術，介紹了渡線段施工方法、順序、技術要點及主要技術措施。趙斌等[3]討論了CRD 法開挖大斷面渡線段的可行性，介紹了不同斷面的導洞施工工藝、施工步序、深孔注漿參數和質量控制措施等。路亮、屈文斌、郭瑤、張旭等[4-7]也對相關問題進行研究，推動了渡線段暗挖施工技術的進步。

該文依托北京地鐵13 號線軟件園站～后廠村站區間渡線段暗挖工程，介紹了粉細砂地層暗挖施工沉降控制方法，通過數值模擬研究了使用CRD 法在開挖過程中的地層沉降，以期為相關工程的建設提供借鑒。

1 工程概況

1.1 區間簡介

北京地鐵13 號線軟件園站～后廠村站區間起點設置于東北旺西路與軟件園南街十字路口北側的軟件園站北端。線路出站后沿東北旺西路向北敷設，至東北旺西路與東北旺北路路口處下穿既有鉆石大廈后向東敷設，下穿既有北京阿爾普爾節能裝備有限公司廠房及東北旺北路西側民房，然后接入位于東北旺北路與上地村西路路口西南角的后廠村站西端。區間全長1173.358 m，根據疏散要求，設置2 座聯絡通道，其中2 號聯絡通道兼做廢水泵房。區間左線采用礦山法+盾構法施工，右線采用盾構法施工。

由于上方管線較多，包括污水管、雨水管、通信以及燃氣等管線，后廠村站左線渡線段采用暗挖法施工。該文的研究對象為左線渡線段，該區間位于后廠村站西側，長31.455 m，線路縱向坡度2‰，隧道拱頂埋深約6.7 m。

1.2 周圍建構物

區間下穿唐家嶺路，雙向四車道，道路紅線寬25m，已實現規劃。根據現有的管線資料，區間上方管線較為密集，主要包括φ1200mm 雨水管、φ400mm 配水管、φ400mm燃氣管、φ100mm 電力管、30mm×30mm、60mm×20mm 通信管等。其中φ1200mm 雨水管，埋深3.6m，與區間豎向凈距3.1m；φ400mm 配水管，埋深1.9m，與區間豎向凈距4.8m；φ400mm 燃氣管，埋深2.4m，與區間豎向凈距4.3m。

1.3 工程地質與水文地質

盾構區間沿線穿越的地層以粗粒的圓礫卵石土夾砂土層為主，圓礫卵石土層之間夾厚度不等的黏性土、粉土層。地下水主要為潛水（二）、承壓水（三）和承壓水（四）。

渡線段主要位于粉細砂層，自穩能力差，是一種典型的力學不穩定地層，一旦被開挖，極易破壞原有的平衡狀態，使開挖面和洞壁失去約束而失穩。

2 地層沉降控制措施

2.1 施工方法

周圍管線密布，環境復雜，為控制施工引起的地層沉降，因此該區間采用CRD 法施工，主要施工步驟為超前支護、開挖進尺一榀鋼架間距、初噴砼、掛鋼筋網、架立鋼格柵、復噴砼、初期支護背后注漿、鋪設防水層、架立二襯鋼筋、澆筑二次襯砌混凝土以及二襯背后注漿。

2.2 施工步驟

CRD 法主要施工步驟如下：施做超前大管棚及超前小導管支護措施，開挖左側上導洞；上導洞采用臺階法預留核心土開挖，施做初期支護及中隔壁、臨時仰拱；滯后左側上導洞一定距離，臺階法開挖左側下導洞，施做初期支護及中隔壁；拱頂超前深孔注漿加固，滯后左側下導洞一定距離，臺階法預留核心土開挖右側上導洞，施做初期支護及臨時仰拱；臺階法開挖右側下導洞，上導洞與下導洞掌子面錯開一定距離，施作初期支護及臨時中隔壁；分段局部截斷中隔壁（步長為4 m～6 m），敷設防水層，綁扎鋼筋并支模澆筑底板二襯，達到設計強度的75%后，分段局部破除剩余臨時支撐（步長4 m～6 m），形成封閉二襯。

2.3 噴錨支護施工要求

噴錨支護施工要求如下：1）噴射混凝土采用濕噴工藝。2）噴射混凝土應多次進行，初噴厚度不宜小于鋼筋網的最小保護層厚度。3）混凝土的噴射應分段、分片、分層且由下而上進行。4）噴射混凝土的質量檢測的要求有以下3 點。①預埋厚度控制釘和噴射線控制噴層厚度，采用鉆孔法檢查噴射混凝土厚度。②噴層厚度檢查點密度。結構性噴層為每100 m2/個，防護性噴層為400 m2/個，隧洞拱部噴層為每50 m2/個～80 m2/個。③滿足噴層厚度的測點不小于60%，最小值不小于設計厚度的60%，檢查孔處噴層厚度的平均值不小于設計厚度。

2.4 施工監測

2.4.1 監測目的

地下工程按信息化設計，現場監測可判斷圍巖穩定性、支護襯砌設計和施工方法的合理性，通過監控測量達到以下3 個目的：1）及時對比監測數據與預測值，判斷施工工藝和支護參數的合理性，保障施工安全和地表建、構筑物的安全，指導下一步施工。2）及時反饋現場監測的數據和信息，優化和完善設計方案。3）依托監測數據，反演和優化理論預測方法，使計算和設計更貼近實際，指導今后的工程建設。

2.4.2 監測項目

監測項目主要有地質及支護觀察、地下管線變形、地表沉降、初期支護拱頂位移和凈空收斂、建構筑物沉降及傾斜等。

2.4.3 監測信息管理與反饋

監測信息的及時管理和反饋對控制施工現場尤其重要，應注意以下事項：1）應及時提交監控量測的日報、周報和月報，工程結束后提交總報告。監測成果報告中應包括技術說明、依據規范、監測方法和時間、使用儀器及精度，列出監測值、變形速率和變形差值，描繪變形曲線，并結合控制值與監測結果提出結論性意見。2）監測成果按黃色、橙色和紅色三級預警進行管理和控制。預警級別和狀態描述見表1。3）在開挖過程中，應將監測數據及時送給設計人員，以便于設計人員根據監測數據及時調整設計參數。

表1 預警級別和狀態描述

3 地層沉降控制分析

3.1 建立模型

渡線段采用CRD 法開挖，初期支護采用厚度300 mm的C20 噴射混凝土，直徑6.5 mm 間距0.15 m×0.15 m 的單層鋼筋網，間距0.5 m 的格柵鋼架。采用Midas GTS 有限元分析軟件建立CRD 法開挖模型，分析渡線段開挖對周圍地層變形的影響和初期支護結構的受力特征。計算采用地層-結構模型；隧道圍巖本構關系采用修正摩爾庫倫模型，以考慮圍巖的非線性變形，襯砌結構采用彈塑性各向同性體材料模擬，噴射混凝土初期襯砌采用全長黏結式直梁材料模擬。計算模型的斷面圖如圖1 所示。

圖1 計算模型斷面圖

3.2 結果分析

圖2 是渡線段采用CRD 法開挖各階段豎直位移圖。可以看出，首先開挖左側上導洞，該工序引起的沉降值為3.79mm；接著開挖左側下導洞，該工序完成后的沉降值為3.35mm；然后開挖右側上導洞，此時，拱頂沉降值為3.37mm；最后完成側側下導洞的開挖，拱頂累積沉降值為2.89mm。值得注意的是開挖上部核心土時引起拱頂地層的沉降，而下部核心土的開挖釋放地層應力，開挖面下部土體上拱，從而導致拱頂累積沉降值減少。總的來說，渡線段在采用CRD 法開挖的過程中，最大拱頂沉降為3.79mm，最大地表沉降為2.72mm，開挖面和地層變形穩定，滿足設計要求。

圖2 開挖各階段豎向位移圖

4 結論

依托北京地鐵13 號線軟件園站～后廠村站區間渡線段暗挖工程，由于粉細砂地層自穩能力差，周圍環境復雜，采用大管棚超前支護，CRD 法開挖，有效控制了地層沉降。詳細介紹了粉細砂地層暗挖施工沉降控制措施和施工步序、施工監測及環境保護方案、風險工程處理手段，為類似工程的建設提供借鑒。采用有限元數值仿真模擬了CRD 法開挖過程，結果表明，渡線段CRD 法掘進過程中，最大拱頂沉降為3.79 mm，最大地表沉降為2.72 mm，開挖面和地層變形穩定，滿足設計要求。