地鐵暗挖通道施工引起的各類變形的分析

王景賢

（中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京 100018）

1 變形預(yù)測(cè)控制理論概述

由于地鐵暗挖施工是一種動(dòng)態(tài)的施工，其對(duì)地表沉降的影響會(huì)隨著施工的進(jìn)程而不斷發(fā)生變化，為了控制地表沉降，需要根據(jù)實(shí)際情況采取針對(duì)性的措施，盡可能使每個(gè)階段的沉降都得到控制，進(jìn)而保證工程的質(zhì)量和人員的安全，這就是所謂的變形預(yù)測(cè)控制理論。由于暗挖施工工序復(fù)雜，在對(duì)地表沉降進(jìn)行控制時(shí)不能僅依靠一項(xiàng)系統(tǒng)工程，還應(yīng)該綜合預(yù)測(cè)變形系統(tǒng)、規(guī)劃變形系統(tǒng)等。不論使用哪些系統(tǒng)，都應(yīng)該確保使用過程前對(duì)系統(tǒng)工作原理足夠明確，使用時(shí)操作足夠熟練。對(duì)于暗挖法而言，變形監(jiān)測(cè)與控制是貫穿整個(gè)工程的，因而我們也可以說其是對(duì)整個(gè)施工過程的控制。在對(duì)其進(jìn)行變相監(jiān)測(cè)時(shí)，除了要進(jìn)行勘測(cè)外，還應(yīng)當(dāng)做好預(yù)測(cè)工作，切實(shí)保證每個(gè)環(huán)節(jié)都能在控制之中。只有做好了變形監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)，才能確保地鐵及周邊土層和建筑物的變形控制在一定的范圍內(nèi)，才能確保施工的質(zhì)量和安全。

2 淺埋暗挖法施工技術(shù)

在暗挖法中，比較常見的一種是淺埋暗挖法，淺埋暗挖法的特點(diǎn)就是邊開挖邊澆筑。淺埋暗挖法屬于不開槽施工方法，其主要工作原理就是，由于在開挖時(shí)土層會(huì)在短期內(nèi)保持一定的穩(wěn)固，此時(shí)借助相應(yīng)的支護(hù)措施可以使圍巖或者土層表面形成密貼型薄壁支護(hù)結(jié)構(gòu)。對(duì)于砂層、砂卵石層等地質(zhì)，選擇淺埋暗挖法更合適。我國(guó)很多地鐵項(xiàng)目選擇的都是淺埋暗挖法。

事實(shí)上，淺埋暗挖法是在20 世紀(jì)80年代末才被認(rèn)定的。通常情況下，淺埋暗挖法的適用范圍是第四紀(jì)軟弱地層，通過對(duì)該地層進(jìn)行加固和處理來達(dá)到施工的目的。為了使圍巖的承重能夠保持在合適的范圍內(nèi)，通常選擇短進(jìn)尺進(jìn)行地鐵隧道開挖。在施工前期就應(yīng)當(dāng)架設(shè)好支護(hù)結(jié)構(gòu)并做好封閉措施，確保在圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的共同作用下，隧道的荷載能夠在可承載的范圍內(nèi)。當(dāng)前期的變形得到有效控制后才可以進(jìn)行二次模鑄襯砌工作。只有做好了初期支護(hù)工作，才能確保后期工程的順利進(jìn)行，而二次襯砌則是對(duì)承載力的一種加固，尤其是一些特殊的工程，其荷載偏大，此時(shí)更需要進(jìn)行二次襯砌。這樣做能夠有效避免施工過程中的不可預(yù)知性，從而減少不必要的損失。

由于地鐵施工的環(huán)境和地質(zhì)復(fù)雜多樣，因此淺埋暗挖法并不適用于所有情況。一旦使用了淺埋暗挖法，就必須對(duì)地鐵隧道的地層、支護(hù)的材料和四周環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，掌握地鐵及周邊環(huán)境情況，依據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果制定科學(xué)合理的施工方案，確保施工環(huán)境的安全和施工質(zhì)量。

3 臨近基坑的鄭州地鐵某暗挖通道變形監(jiān)測(cè)與數(shù)值分析

接下來主要以鄭州某臨近基坑的地鐵暗挖隧道為例，對(duì)其變形監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析進(jìn)行介紹。在進(jìn)行三維數(shù)值模擬時(shí)選擇的是FLAC 3D 軟件，綜合基坑周邊地面沉降以及基坑圍護(hù)樁水平位移等情況，探討暗挖通道對(duì)明挖通道的影響。

3.1 工程概況

圖1 工程平面及測(cè)點(diǎn)布置

該項(xiàng)工程的平面圖如圖1所示。從圖中我們可以看到，位于東邊的是明挖基坑，位于西邊的是暗挖雙聯(lián)拱隧道，位于二者之間的就是暗挖通道。其中，明挖基坑的長(zhǎng)約為29.60m，寬度約為14.60m，基坑深度為16.00m，該基坑通過鋼支撐與圍護(hù)樁形成支護(hù)，以增大承載力。對(duì)于暗挖通道，其長(zhǎng)度比明挖基坑略長(zhǎng)，約為35m，高度約為9.30m，通道寬度為5.20m。對(duì)于底板而言，其埋深和基坑的埋深基本是一樣的，支護(hù)結(jié)構(gòu)是格柵鋼架和C20 濕噴混凝土。明挖通道和暗挖的間距控制在5.00 ～5.40m范圍內(nèi)，整體來看，暗挖通道和基坑處于平行的狀態(tài)。暗挖通道的具體斷面如圖2所示。

圖2 暗挖通道斷面

3.2 暗挖通道開挖

在開挖通道時(shí)，最常用的方法是臺(tái)階法，一般將臺(tái)階分為3 部分，每層臺(tái)階的距離為5m，按照從上往下的順序依次開挖。當(dāng)上臺(tái)階開挖完成后，進(jìn)行第二道鋼支撐的假設(shè)，當(dāng)中臺(tái)階開挖到4m 時(shí)開始建設(shè)第三道鋼支撐，當(dāng)中臺(tái)階開挖到20m 時(shí)，開始下臺(tái)階開挖，開挖深度為16m，此時(shí)基坑和通道開挖完畢，基坑昨晚底板。

3.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

圖3 圍護(hù)樁水平位移曲線

圖3展示的是圍護(hù)樁的水平位移曲線，在開挖前期，圍護(hù)樁發(fā)生一定的變形，向坑內(nèi)傾斜。由于同時(shí)對(duì)上臺(tái)階進(jìn)行了開挖，因此樁頂出現(xiàn)了明顯的位移。在不斷開挖的情況下，樁體中下部呈現(xiàn)出快速位移的趨勢(shì)，變形曲線已經(jīng)由傾斜變成了弓形，而最大位移也因此發(fā)生了下移。當(dāng)開挖進(jìn)度進(jìn)行到后期時(shí)，樁體變形程度更大，位移也隨之增大，樁的底部向基坑外側(cè)彎曲突出。測(cè)量結(jié)果顯示，最大水平位移比監(jiān)測(cè)預(yù)警限值要小，為11.88m，并且變形程度在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，基坑整體呈現(xiàn)出穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖4表示的是地表沉降情況，根據(jù)圖4我們可以看到，地表沉降程度隨開挖時(shí)間而表現(xiàn)出均勻沉降的趨勢(shì)。地表沉降率偏小的時(shí)間段集中在架設(shè)鋼支撐階段，沉降值不會(huì)超過6m。當(dāng)基坑不斷進(jìn)行開挖時(shí)，其沉降速度加快。

圖4 地表沉降曲線

4 數(shù)值計(jì)算

4.1 計(jì)算模型

圖5顯示的是基本網(wǎng)格單元。在計(jì)算模型中選擇的是莫爾—庫倫模型，而圍樁和暗挖通道選擇的則是理想彈性體模型。當(dāng)模型初步建成后，選擇矩形網(wǎng)格進(jìn)行土體單元的建設(shè)。

圖5 幾何單元網(wǎng)絡(luò)

4.2 計(jì)算結(jié)果分析及比較

圍護(hù)樁位移監(jiān)測(cè)值和數(shù)值計(jì)算值的關(guān)系如圖6所示，通過計(jì)算我們發(fā)現(xiàn)，在開挖前期，也就是開挖前2 步時(shí)，由于同時(shí)進(jìn)行上臺(tái)階的開挖，導(dǎo)致樁頂向基坑內(nèi)側(cè)變形的速度增加，變形程度幾乎接近計(jì)算的最大值，再往后隨著開挖進(jìn)程的深入，其變形速度逐漸減小，甚至不再進(jìn)一步發(fā)生變形。到第3 步時(shí)，樁體中下部發(fā)生變形較明顯，變形曲線逐漸變?yōu)楣?。到? 步時(shí)，樁體繼續(xù)變形。從開挖整個(gè)過程來看，樁體的最大水平位移是10.71mm，其出現(xiàn)在第2、3 道鋼支撐之間。

圖6 圍護(hù)樁水平位移監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比曲線

4.3 不同開挖順序?qū)臃€(wěn)定性的影響分析

由于地鐵暗挖施工要對(duì)地層進(jìn)行開挖，因此難免會(huì)對(duì)周圍地層產(chǎn)生影響。開挖的方法和順序有很多種，不同的順序會(huì)引起不同的開挖效應(yīng)，而不同的開挖效應(yīng)又會(huì)引起支護(hù)結(jié)構(gòu)不同程度的變形，因此需要對(duì)開挖順序?qū)Φ貙幼冃涡杂绊戇M(jìn)行研究。本項(xiàng)目主要從三種不同順序進(jìn)行分析：第一種順序是暗挖通道與明挖基坑同時(shí)進(jìn)行；第二種順序是先挖基坑再挖通道；第三種順序是先挖通道再挖基坑。

圖7 三大方案圍護(hù)樁位移對(duì)比曲線

通過對(duì)比三個(gè)順序測(cè)量的數(shù)值結(jié)果，做出圍護(hù)樁的位移圖，如圖7，通過圖我們可以發(fā)現(xiàn)，采用第三種順序產(chǎn)生的位移最小，采用第二種順序產(chǎn)生的位移最大。因此我們得出結(jié)論：由于通道開挖對(duì)圍護(hù)樁水平位移影響最大，因此需要先對(duì)其進(jìn)行開挖，該順序可以使基坑受到的影響最小，從而確?；颖３忠欢ǖ姆€(wěn)定。

通過對(duì)三種開挖順序測(cè)量的基坑隆起值、地表沉降值以及通道襯砌變形值分析，如表1，我們發(fā)現(xiàn)，第三種開挖順尋的基坑隆起最大，第二種開挖順序引起的地表沉降最明顯，第一種開挖順序的通道襯砌變形最明顯。綜合分析認(rèn)為第三種開挖順序更合理，更利于基坑的穩(wěn)定性。

表1 其他項(xiàng)目比較

5 結(jié)語

基坑變形在開挖前期表現(xiàn)最明顯，地表沉降隨開挖時(shí)間而均勻沉降，選擇先開挖暗通道再開挖基坑的順序可以最大限度地保證基坑的穩(wěn)定。