粉細(xì)砂地層地鐵渡線段沉降控制措施及數(shù)值分析

趙 龍

（中鐵十四局集團(tuán)隧道工程有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

在城市地鐵建設(shè)項(xiàng)目中，為滿足行車組織和故障救援的要求，渡線段的設(shè)置不可缺少。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，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(huán)境復(fù)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(shè)中的重要性，相關(guān)學(xué)者開展了系列研究。劉穎等[1]從工期、造價(jià)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、地下車站結(jié)構(gòu)和風(fēng)險(xiǎn)工程等方面探討了硬土地層的施工方案。闞寶財(cái)[2]探討了富水砂卵石地層渡線段暗挖施工技術(shù)，介紹了渡線段施工方法、順序、技術(shù)要點(diǎn)及主要技術(shù)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(dǎo)洞施工工藝、施工步序、深孔注漿參數(shù)和質(zhì)量控制措施等。路亮、屈文斌、郭瑤、張旭等[4-7]也對相關(guān)問題進(jìn)行研究，推動(dòng)了渡線段暗挖施工技術(shù)的進(jìn)步。

該文依托北京地鐵13 號線軟件園站～后廠村站區(qū)間渡線段暗挖工程，介紹了粉細(xì)砂地層暗挖施工沉降控制方法，通過數(shù)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(guān)工程的建設(shè)提供借鑒。

1 工程概況

1.1 區(qū)間簡介

北京地鐵13 號線軟件園站～后廠村站區(qū)間起點(diǎn)設(shè)置于東北旺西路與軟件園南街十字路口北側(cè)的軟件園站北端。線路出站后沿東北旺西路向北敷設(shè)，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(shè)，下穿既有北京阿爾普爾節(jié)能裝備有限公司廠房及東北旺北路西側(cè)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(qū)間全長1173.358 m，根據(jù)疏散要求，設(shè)置2 座聯(lián)絡(luò)通道，其中2 號聯(lián)絡(luò)通道兼做廢水泵房。區(qū)間左線采用礦山法+盾構(gòu)法施工，右線采用盾構(gòu)法施工。

由于上方管線較多，包括污水管、雨水管、通信以及燃?xì)獾裙芫€，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(qū)間位于后廠村站西側(cè)，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(gòu)物

區(qū)間下穿唐家?guī)X路，雙向四車道，道路紅線寬25m，已實(shí)現(xiàn)規(guī)劃。根據(jù)現(xiàn)有的管線資料，區(qū)間上方管線較為密集，主要包括φ1200mm 雨水管、φ400mm 配水管、φ400mm燃?xì)夤堋ⅵ?00mm 電力管、30mm×30mm、60mm×20mm 通信管等。其中φ1200mm 雨水管，埋深3.6m，與區(qū)間豎向凈距3.1m；φ400mm 配水管，埋深1.9m，與區(qū)間豎向凈距4.8m；φ400mm 燃?xì)夤?，埋?.4m，與區(qū)間豎向凈距4.3m。

1.3 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

盾構(gòu)區(qū)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(xì)砂層，自穩(wěn)能力差，是一種典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層，一旦被開挖，極易破壞原有的平衡狀態(tài)，使開挖面和洞壁失去約束而失穩(wěn)。

2 地層沉降控制措施

2.1 施工方法

周圍管線密布，環(huán)境復(fù)雜，為控制施工引起的地層沉降，因此該區(qū)間采用CRD 法施工，主要施工步驟為超前支護(hù)、開挖進(jìn)尺一榀鋼架間距、初噴砼、掛鋼筋網(wǎng)、架立鋼格柵、復(fù)噴砼、初期支護(hù)背后注漿、鋪設(shè)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(dǎo)管支護(hù)措施，開挖左側(cè)上導(dǎo)洞；上導(dǎo)洞采用臺階法預(yù)留核心土開挖，施做初期支護(hù)及中隔壁、臨時(shí)仰拱；滯后左側(cè)上導(dǎo)洞一定距離，臺階法開挖左側(cè)下導(dǎo)洞，施做初期支護(hù)及中隔壁；拱頂超前深孔注漿加固，滯后左側(cè)下導(dǎo)洞一定距離，臺階法預(yù)留核心土開挖右側(cè)上導(dǎo)洞，施做初期支護(hù)及臨時(shí)仰拱；臺階法開挖右側(cè)下導(dǎo)洞，上導(dǎo)洞與下導(dǎo)洞掌子面錯(cuò)開一定距離，施作初期支護(hù)及臨時(shí)中隔壁；分段局部截?cái)嘀懈舯冢ú介L為4 m～6 m），敷設(shè)防水層，綁扎鋼筋并支模澆筑底板二襯，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%后，分段局部破除剩余臨時(shí)支撐（步長4 m～6 m），形成封閉二襯。

2.3 噴錨支護(hù)施工要求

噴錨支護(hù)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(yīng)多次進(jìn)行，初噴厚度不宜小于鋼筋網(wǎng)的最小保護(hù)層厚度。3）混凝土的噴射應(yīng)分段、分片、分層且由下而上進(jìn)行。4）噴射混凝土的質(zhì)量檢測的要求有以下3 點(diǎn)。①預(yù)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(diǎn)密度。結(jié)構(gòu)性噴層為每100 m2/個(gè)，防護(hù)性噴層為400 m2/個(gè)，隧洞拱部噴層為每50 m2/個(gè)～80 m2/個(gè)。③滿足噴層厚度的測點(diǎn)不小于60%，最小值不小于設(shè)計(jì)厚度的60%，檢查孔處噴層厚度的平均值不小于設(shè)計(jì)厚度。

2.4 施工監(jiān)測

2.4.1 監(jiān)測目的

地下工程按信息化設(shè)計(jì)，現(xiàn)場監(jiān)測可判斷圍巖穩(wěn)定性、支護(hù)襯砌設(shè)計(jì)和施工方法的合理性，通過監(jiān)控測量達(dá)到以下3 個(gè)目的：1）及時(shí)對比監(jiān)測數(shù)據(jù)與預(yù)測值，判斷施工工藝和支護(hù)參數(shù)的合理性，保障施工安全和地表建、構(gòu)筑物的安全，指導(dǎo)下一步施工。2）及時(shí)反饋現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)和信息，優(yōu)化和完善設(shè)計(jì)方案。3）依托監(jiān)測數(shù)據(jù)，反演和優(yōu)化理論預(yù)測方法，使計(jì)算和設(shè)計(jì)更貼近實(shí)際，指導(dǎo)今后的工程建設(shè)。

2.4.2 監(jiān)測項(xiàng)目

監(jiān)測項(xiàng)目主要有地質(zhì)及支護(hù)觀察、地下管線變形、地表沉降、初期支護(hù)拱頂位移和凈空收斂、建構(gòu)筑物沉降及傾斜等。

2.4.3 監(jiān)測信息管理與反饋

監(jiān)測信息的及時(shí)管理和反饋對控制施工現(xiàn)場尤其重要，應(yīng)注意以下事項(xiàng)：1）應(yīng)及時(shí)提交監(jiān)控量測的日報(bào)、周報(bào)和月報(bào)，工程結(jié)束后提交總報(bào)告。監(jiān)測成果報(bào)告中應(yīng)包括技術(shù)說明、依據(jù)規(guī)范、監(jiān)測方法和時(shí)間、使用儀器及精度，列出監(jiān)測值、變形速率和變形差值，描繪變形曲線，并結(jié)合控制值與監(jiān)測結(jié)果提出結(jié)論性意見。2）監(jiān)測成果按黃色、橙色和紅色三級預(yù)警進(jìn)行管理和控制。預(yù)警級別和狀態(tài)描述見表1。3）在開挖過程中，應(yīng)將監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)送給設(shè)計(jì)人員，以便于設(shè)計(jì)人員根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 預(yù)警級別和狀態(tài)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(hù)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(wǎng)，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(hù)結(jié)構(gòu)的受力特征。計(jì)算采用地層-結(jié)構(gòu)模型；隧道圍巖本構(gòu)關(guān)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(jié)構(gòu)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(jié)式直梁材料模擬。計(jì)算模型的斷面圖如圖1 所示。

圖1 計(jì)算模型斷面圖

3.2 結(jié)果分析

圖2 是渡線段采用CRD 法開挖各階段豎直位移圖?？梢钥闯?，首先開挖左側(cè)上導(dǎo)洞，該工序引起的沉降值為3.79mm；接著開挖左側(cè)下導(dǎo)洞，該工序完成后的沉降值為3.35mm；然后開挖右側(cè)上導(dǎo)洞，此時(shí)，拱頂沉降值為3.37mm；最后完成側(cè)側(cè)下導(dǎo)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?xí)r引起拱頂?shù)貙拥某两?，而下部核心土的開挖釋放地層應(yīng)力，開挖面下部土體上拱，從而導(dǎo)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(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 開挖各階段豎向位移圖

4 結(jié)論

依托北京地鐵13 號線軟件園站～后廠村站區(qū)間渡線段暗挖工程，由于粉細(xì)砂地層自穩(wěn)能力差，周圍環(huán)境復(fù)雜，采用大管棚超前支護(hù)，CRD 法開挖，有效控制了地層沉降。詳細(xì)介紹了粉細(xì)砂地層暗挖施工沉降控制措施和施工步序、施工監(jiān)測及環(huán)境保護(hù)方案、風(fēng)險(xiǎn)工程處理手段，為類似工程的建設(shè)提供借鑒。采用有限元數(shù)值仿真模擬了CRD 法開挖過程，結(jié)果表明，渡線段CRD 法掘進(jìn)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(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求。