北京大興國際機場線直徑9.0 m級盾構(gòu)施工引起的地表位移和建筑物變形特征分析

羅富榮,王 鑫,韓 煊,李元凱

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司,北京 100068； 2.城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)與 安全監(jiān)控北京市重點實驗室,北京 100068; 3.北京市勘察設(shè)計研究院有限公司,北京 100038)

引言

自2000年北京地鐵5號線首次引入土壓平衡盾構(gòu)施工地鐵區(qū)間隧道以來，北京地鐵多條建成或在建線路采用了100余臺直徑6 m左右的常規(guī)地鐵盾構(gòu)，經(jīng)過近20年的研究與實踐，北京地區(qū)的常規(guī)地鐵盾構(gòu)在設(shè)備制造、設(shè)計、施工以及風(fēng)險控制等方面取得了豐富的經(jīng)驗，特別是在城市復(fù)雜環(huán)境下盾構(gòu)引起的沉降規(guī)律及其環(huán)境影響得到了系統(tǒng)的研究[1-15]。

而隨著京津冀地區(qū)城市的集群化發(fā)展，快速軌道交通建設(shè)提速，中型甚至大型盾構(gòu)的使用也成為發(fā)展趨勢。在北京地區(qū)，地下直徑線采用直徑12.04 m的泥水加壓平衡盾構(gòu)施工，地鐵14號線東風(fēng)北橋站—將臺站、將臺站—望京南站區(qū)間采用直徑10.22 m土壓平衡盾構(gòu)施工，已積累了一定的經(jīng)驗。北京大興國際機場線是北京首次大范圍采用(共使用9臺)直徑9.0 m級的土壓平衡盾構(gòu)集群化作業(yè)，盾構(gòu)施工無論是在開挖面積、每環(huán)出土量、同步注漿量、最大扭矩、總推力、土艙壓力等施工參數(shù)都與常規(guī)地鐵盾構(gòu)存在明顯的差異。這些條件的變化對其引起的地表位移規(guī)律有何影響還需進(jìn)一步研究，國內(nèi)外對直徑9.0 m級盾構(gòu)施工變形特性的研究成果還非常少見，亟待圍繞確保大興機場線工程安全的重大需求，針對9.0 m級盾構(gòu)施工變形預(yù)測與控制開展相應(yīng)的理論、方法、技術(shù)等方面的研究。

針對以上問題，在對直徑9.0 m級盾構(gòu)與一般常規(guī)地鐵盾構(gòu)(直徑6.2 m)進(jìn)行對比分析的基礎(chǔ)上，利用30組地表及10組建筑物沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，對直徑9.0 m級盾構(gòu)暗挖施工引起的地表及建筑物沉降變形規(guī)律進(jìn)行了分析研究，并對其地層損失率、沉降槽寬度系數(shù)等沉降特征參數(shù)進(jìn)行了反演分析研究。

1 依托工程

北京大興國際機場線是服務(wù)于大興國際機場的市域快線，南起新機場，北至草橋站后折返線。土建工程總長度41.2 km，地下段約22.4 km，其中采用盾構(gòu)法施工長度約14.8 km，占地下段的66%，區(qū)間覆土厚度為13.60～22.16 m。大興機場線的平面位置如圖1所示。

圖1 北京大興國際機場線平面位置示意

1.1 區(qū)間結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境概述

大興機場線是北京地區(qū)首次采用外徑9.0 m級的盾構(gòu)(盾構(gòu)機開挖直徑9 150 mm，盾體直徑9 100 mm，管片厚度0.45 m，寬度1.6 m)進(jìn)行地下區(qū)間施工的工程。本工程盾構(gòu)隧道施工周邊環(huán)境復(fù)雜，穿越眾多敏感建(構(gòu))筑物，其中包括南六環(huán)高速、既有鐵路、既有地鐵以及南水北調(diào)生命線工程等重大風(fēng)險源，施工風(fēng)險極大。9.0 m級盾構(gòu)施工涉及復(fù)雜的巖土體與結(jié)構(gòu)的相互作用問題，施工引起的地層位移演化規(guī)律受到工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、施工工法、施工技術(shù)等多方面因素的制約，導(dǎo)致其自身的施工技術(shù)復(fù)雜、風(fēng)險管控難度極大。這些都對9.0 m級盾構(gòu)施工沉降控制帶來了極大的挑戰(zhàn)、提出了更高的要求。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

本工程場地地面以下60 m深度范圍內(nèi)地層按其沉積年代及工程性質(zhì)分別為人工填土層、新近沉積層、第四紀(jì)沖洪積層。從上至下土層依次為：砂質(zhì)粉土、黏質(zhì)粉土、素填土①層，雜填土①1層，粉細(xì)砂素填土①3層，粉質(zhì)黏土素填土①4層，砂質(zhì)粉土黏質(zhì)粉土②層，粉質(zhì)黏土②1層，黏土②2層，砂質(zhì)粉土黏質(zhì)粉土③層，粉質(zhì)黏土③1層，黏土③2層，粉細(xì)砂③3層，粉質(zhì)黏土④層，黏土④1層，砂質(zhì)粉土黏質(zhì)粉土④2層，粉細(xì)砂④3層，卵石圓礫⑤層，粉細(xì)砂⑤2層，粉質(zhì)黏土⑥層，砂質(zhì)粉土黏質(zhì)粉土⑥2層，粉細(xì)砂⑥3層，卵石圓礫⑦層，粉細(xì)砂⑦2層，卵石圓礫⑨層。盾構(gòu)施工開挖面主要涉及的地層包括粉質(zhì)黏土④層、粉細(xì)砂④3層以及卵石圓礫⑤層，粉細(xì)砂⑤2層。

本工程場地范圍內(nèi)涉及的地下水主要包括：上層滯水(一)；層間潛水(三)：含水層主要為砂質(zhì)粉土黏質(zhì)粉土⑥2層及粉細(xì)砂⑥3層，局部具有微承壓性；層間潛水～承壓水(四)：主要含水層為卵石圓礫⑦層及其以下砂土、卵石地層，局部具有承壓性。典型的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)剖面詳見圖2。

圖2 區(qū)間典型工程地質(zhì)縱斷面

2 直徑9.0 m級盾構(gòu)與常規(guī)地鐵盾構(gòu)對比分析

大興機場線采用9臺直徑9.0 m級盾構(gòu)機施工，平均每臺盾構(gòu)機掘進(jìn)2.9 km，單機掘進(jìn)里程最大達(dá)3.8 km，76%區(qū)段涉及卵石地層，全線設(shè)置8處盾構(gòu)始發(fā)或接收井，如此大規(guī)模的大直徑盾構(gòu)同時掘進(jìn)施工，在北京市軌道交通建設(shè)史上尚屬首次。與常規(guī)地鐵盾構(gòu)相比，直徑9.0 m級盾構(gòu)無論是在直徑、斷面面積等設(shè)計參數(shù)，還是每環(huán)出土量、最大扭矩、推力、土艙壓力等施工參數(shù)都與常規(guī)地鐵盾構(gòu)存在明顯的差異，詳細(xì)對比見表1。

3 9.0 m級盾構(gòu)施工引起的變形規(guī)律分析

3.1 現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計

針對北京大興機場線2個標(biāo)段(磁各莊站—新發(fā)地站盾構(gòu)區(qū)間(2號風(fēng)井—3號風(fēng)井區(qū)間)，永興河站至磁各莊站盾構(gòu)區(qū)間)地面及建筑物沉降監(jiān)測資料的梳理，共獲得了9.0 m級盾構(gòu)施工所引起的地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)30組，建筑物沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)10組。

針對2個標(biāo)段主要涉及的地層為：

人工堆積層：粉土素填土層；新近沉積層：粉土、粉質(zhì)黏土及分細(xì)砂層；第四紀(jì)沉積層：粉砂、細(xì)砂、中砂、圓礫卵石、粉質(zhì)黏土等。開挖面主要地層：粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂及圓礫卵石。磁各莊站—新發(fā)地站盾構(gòu)區(qū)間(2號風(fēng)井—3號風(fēng)井區(qū)間)，覆土深度10.7～12.1 m；永興河站至磁各莊站盾構(gòu)區(qū)間，覆土深度9.0～16.7 m。

本次分析的建筑物的類型主要為單層或多層磚砌體結(jié)構(gòu)；基礎(chǔ)形式為條形基礎(chǔ)；建筑物與盾構(gòu)隧道位置關(guān)系主要為盾構(gòu)下穿。典型的建筑物測點布置見圖3。

表1 直徑9.0 m級土壓平衡盾構(gòu)與常規(guī)6.0 m級盾構(gòu)對比

圖3 建筑物監(jiān)測點布置情況

在分析過程中，沉降槽寬度i采用如下方法確定[14]，由Peck公式的基本形式[15]

(1)

式中，Sx為橫斷面上與隧道軸線距離為y的地面點沉降量；i為沉降槽寬度系數(shù)；K為沉降槽寬度系數(shù)，h為隧道軸線埋深；Vl為地層損失率。

可見，如果式(1)沉降曲線符合正態(tài)分布，則在“l(fā)n(s/smax)-y2”坐標(biāo)系中繪制出的應(yīng)該是一條直線。如果這條直線的斜率表示為m，則沉降槽寬度i可從以下公式中計算得到(圖4)

(2)

圖4 沉降槽寬度的確定

本文采用這一方法驗證測試數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布的基本規(guī)律，同時可得到其沉降槽寬度i、寬度參數(shù)K，以及地層損失率Vl。

3.2 直徑9.0 m級盾構(gòu)施工引起的地表及建筑物變形規(guī)律分析

圖5 DB-77斷面(左線)擬合與實測結(jié)果的對比

從現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合結(jié)果來看(圖5～圖8)，除了個別數(shù)據(jù)外，所搜集的40組實測數(shù)據(jù)都可以較好地采用正態(tài)分布擬合，對于9.0 m級盾構(gòu)施工來說，在北京地區(qū)工程條件下，經(jīng)典的Peck公式仍然基本適用，其地層瞬時位移的最主要原因還是由于洞室開挖引起的應(yīng)力的釋放和重分布，其施工影響可以通過Peck方法中的計算參數(shù)地層損失率、沉降槽寬度系數(shù)等來較為準(zhǔn)確的反映(本文數(shù)據(jù)的擬合采用北京市勘察設(shè)計研究院開發(fā)的“地鐵結(jié)構(gòu)施工引起環(huán)境變形的多源信息化快速預(yù)測系統(tǒng)”)[16-20]。

圖6 DB-153斷面(左線)擬合與實測結(jié)果的對比

圖7 JGC-308-312(右線)擬合與實測結(jié)果的對比

圖8 JGC-225-229(左線)擬合與實測結(jié)果的對比

4 直徑9.0 m級盾構(gòu)施工引起的地表沉降特征參數(shù)研究

在對現(xiàn)場監(jiān)測成果進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，研究基于正態(tài)曲線的9.0 m級盾構(gòu)施工引起的地表沉降的特征參數(shù)集。

4.1 沉降槽寬度系數(shù)(K)

根據(jù)北京大興機場線直徑9.0 m級盾構(gòu)施工所引起的30組地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果，9.0 m級盾構(gòu)施工所引起的沉降槽寬度系數(shù)K在0.25～0.63，其統(tǒng)計平均值為0.42(圖9)。

圖9 9.0 m級盾構(gòu)施工引起地表沉降槽寬度系數(shù)K統(tǒng)計

對比常規(guī)地鐵盾構(gòu)(圖9)：根據(jù)北京地區(qū)26組采用常規(guī)地鐵盾構(gòu)(通常為直徑6.2 m的盾構(gòu))施工變形監(jiān)測的統(tǒng)計結(jié)果，除了極個別的情況，沉降槽寬度系數(shù)K均在0.35～0.7，統(tǒng)計平均值為0.46。

可見，在直徑9.0 m級盾構(gòu)施工引起的地層沉降槽寬度系數(shù)基本沒有明顯的差別。這主要是因為盾構(gòu)施工所形成沉降槽主要還是由于開挖應(yīng)力釋放造成，地鐵隧道埋深一般較深(均在10 m以上)，斷面形狀對沉降槽的影響不明顯[11-13]。

4.2 地層損失率(Vl)

根據(jù)北京大興機場線直徑9.0 m級盾構(gòu)施工所引起的30組地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果，地層損失率的范圍在0.18%～1.21%，數(shù)據(jù)的離散性較大，但地層損失率的主要分布范圍在0.36%～1.09%(占統(tǒng)計樣本接近90%)，其統(tǒng)計平均值為0.63%(圖10)。

圖10 9.0 m級盾構(gòu)施工引起地表沉降槽地層損失率統(tǒng)計

對比常規(guī)地鐵盾構(gòu)(圖10)：根據(jù)北京地區(qū)26組采用常規(guī)地鐵盾構(gòu)(通常為直徑6.2 m的盾構(gòu))施工變形監(jiān)測統(tǒng)計結(jié)果，地層損失率Vl在0.17%～2.44%，其中90%以上都在0.20%～1.5%，其統(tǒng)計平均值在0.70%～0.80%。

可見，直徑9.0 m級盾構(gòu)暗挖引起的地層損失率相對略小。但是考慮到9.0 m級盾構(gòu)斷面面積(約66 m2)是常規(guī)地鐵盾構(gòu)斷面面積(約30 m2)的2倍多，9.0 m級盾構(gòu)引起的地層損失還是相對較大的。同時可見，由于地層損失率不僅與工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件有關(guān)，還和施工方法、施工技術(shù)水平和管理水平等諸多因素有關(guān)，因此離散性較大。

5 直徑9.0 m級盾構(gòu)施工引起的建筑物沉降分析

根據(jù)本次北京大興機場線直徑9.0 m級盾構(gòu)施工所引起的10組建筑物沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果，9.0 m級盾構(gòu)施工所引起的建筑物沉降槽寬度系數(shù)K在0.32～0.85，其統(tǒng)計平均值為0.61(圖11)，較地表沉降槽寬度系數(shù)大，即相對于地面沉降，建筑物的沉降分布有均勻化的趨勢。究其原因：建筑物結(jié)構(gòu)剛度會起到對地層位移的約束作用，根據(jù)共同作用原理，剛度具有傳遞、協(xié)調(diào)作用，由此造成變形均勻化。建筑結(jié)構(gòu)的沉降曲線雖仍保持為正態(tài)分布特征，但其結(jié)構(gòu)剛度對沉降曲線的影響反映在沉降槽寬度的變化上，即反映在槽寬系數(shù)K的變化上。也就是說，若建筑物結(jié)構(gòu)剛度越大，則對地表的約束作用越大，K值越大，其沉降槽曲線越淺，越平緩。

圖11 9.0 m級盾構(gòu)施工引起建筑物沉降槽寬度系數(shù)K統(tǒng)計

根據(jù)本次10組建筑物沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果，地層損失率在0.23%～0.63%，數(shù)據(jù)的離散性同樣較大，其統(tǒng)計平均值為0.40%(圖12)，略小于地面沉降統(tǒng)計結(jié)果。

圖12 9.0 m級盾構(gòu)施工引起建筑沉降槽地層損失率統(tǒng)計

6 結(jié)論

在對直徑9.0 m級盾構(gòu)與一般常規(guī)地鐵盾構(gòu)進(jìn)行對比分析的基礎(chǔ)上，利用30組地表及10組建筑物現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，對9.0 m級盾構(gòu)暗挖施工引起的地表及建筑物沉降變形規(guī)律進(jìn)行了分析研究，并對其地層損失率、沉降槽寬度系數(shù)等沉降特征參數(shù)進(jìn)行了反演分析研究。得到的主要結(jié)論如下。

(1)直徑9.0 m級盾構(gòu)引起的周邊地表及建筑物沉降變形能夠較好地符合正態(tài)分布。

(2)直徑9.0 m級盾構(gòu)施工所引起的地面沉降槽寬度系數(shù)在0.25～0.63，平均值為0.42，對比北京地區(qū)常規(guī)地鐵盾構(gòu)引起的地層沉降槽寬度系數(shù)無明顯的差別；9.0 m級盾構(gòu)施工引起的建筑物沉降槽寬度系數(shù)在0.32～0.85，平均值為0.61，建筑物結(jié)構(gòu)剛度作用對地層變形有所約束，較地表沉降槽寬度系數(shù)大。

(3)直徑9.0 m級盾構(gòu)施工所引起的地面沉降地層損失率主要在0.36%～1.09%(占統(tǒng)計樣本的接近90%)，平均值為0.63%，較常規(guī)盾構(gòu)略小。但考慮到9.0 m級盾構(gòu)斷面面積約為常規(guī)地鐵盾構(gòu)隧道2倍多，所引起的地層損失還是相對較大的。9.0 m級盾構(gòu)施工引起的建筑物沉降地層損失率在0.23%～0.63%，平均值為0.40%，略小于地面沉降統(tǒng)計結(jié)果。