城市地下空間洞樁法監(jiān)測(cè)指標(biāo)折減及安全施工應(yīng)用*

肖清華，邱澤民，雷升祥,2，何亞濤，李聰明，吳東宇，周國(guó)鵬

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031； 2.中國(guó)鐵建股份公司，北京 100091；3.廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510000)

0 引言

隨著我國(guó)城市基礎(chǔ)建設(shè)的迅猛發(fā)展，軌道交通和地下空間建設(shè)也不斷推進(jìn)，特別是地下空間開發(fā)利用是目前解決城市有限空間問題的主要途徑[1-2]。然而，隨著地下空間逐步向深度大及跨度大方向發(fā)展，不可避免地會(huì)對(duì)地下空間結(jié)構(gòu)本身和周邊臨近建筑物產(chǎn)生較大影響[3-4]。比如，2010年杭州地鐵事故、2019年青島地鐵事故和2019年廣州地鐵事故都導(dǎo)致了重大人員傷亡。調(diào)查結(jié)果表明，上述已經(jīng)修建或正在修建的軌道與地下工程，都設(shè)置了正常的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和監(jiān)控體系，但卻仍然出現(xiàn)了重大事故。

由于地下空間大且地質(zhì)與周邊條件都極為復(fù)雜，如果按照常規(guī)規(guī)范中的指標(biāo)進(jìn)行施工控制，可能會(huì)出現(xiàn)控制效果不理想的情況。因此，如何在現(xiàn)有規(guī)范的基礎(chǔ)上進(jìn)一步趨嚴(yán)確定或優(yōu)化開挖過程的監(jiān)控指標(biāo)將會(huì)是一大難題。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地下工程和安全監(jiān)控等方面進(jìn)行了相關(guān)研究，獲得了豐富成果。張頂立等[5]從細(xì)觀結(jié)構(gòu)層面分析了不同地層結(jié)構(gòu)形式對(duì)安全性的影響關(guān)系，結(jié)合“支護(hù)-圍巖”動(dòng)態(tài)作用關(guān)系的分析，建立了極不穩(wěn)定地層條件下復(fù)雜隧道圍巖安全性的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，將圍巖超前變形、超前破壞和地層加固有效性作為核心評(píng)價(jià)指標(biāo)，形成了包括9項(xiàng)基礎(chǔ)指標(biāo)的評(píng)價(jià)體系，并提出了安全性的分級(jí)方法；王震[6]在城市隧道施工評(píng)價(jià)中引入危險(xiǎn)指數(shù)法，以巖體力學(xué)分級(jí)為基礎(chǔ)，借鑒危險(xiǎn)度指數(shù)評(píng)價(jià)法，提出了城市隧道施工安全的分級(jí)體系，將隧道施工安全等級(jí)分為I～VI級(jí)，該評(píng)價(jià)體系的各因素權(quán)重采用層次分析法確定，主觀因素對(duì)安全等級(jí)影響程度通過補(bǔ)償系數(shù)衡量；Goh等[7]用多元自適應(yīng)回歸樣條和logistic回歸評(píng)價(jià)地下洞室開挖的穩(wěn)定性，提出了一種新的評(píng)價(jià)方法，將多變量自適應(yīng)回歸樣條(MARS)方法和邏輯回歸(LR)方法相結(jié)合，將觀察到的病例分為穩(wěn)定、潛在不穩(wěn)定和不穩(wěn)定組。Dindarloo等[8]提出了一種基于最大沉降量的淺埋隧道分級(jí)系統(tǒng)，分類器根據(jù)幾何、地面和性能特征對(duì)隧道進(jìn)行分類。Giardina[9]提出了一種基于最大沉降量的淺埋隧道分級(jí)系統(tǒng)，分類器根據(jù)幾何、地面和性能特征對(duì)隧道進(jìn)行分類。這些研究都推動(dòng)了隧道與地下工程的安全狀態(tài)研究進(jìn)展，但是無論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外其適用范圍都是有限的，且對(duì)于地下大空間這一特殊工況未進(jìn)行充分考慮。

縱觀上述研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于地下空間的監(jiān)測(cè)控制指標(biāo)是否合理以及如何修改調(diào)整以使其更能復(fù)合實(shí)際情況等，還需做進(jìn)一步探索。

本文依托采取洞樁法施工的廣州地鐵地下大空間工程建設(shè)，運(yùn)用理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與測(cè)試等手段，對(duì)原有安全指標(biāo)及其控制結(jié)果進(jìn)行分析并優(yōu)化，對(duì)比前后控制值的施工控制效果，為后續(xù)施工提供可靠依據(jù)，確保施工安全。

1 城市地下大空間洞樁法施工條件分析

鑒于城市環(huán)境較為復(fù)雜，工程本身規(guī)模、地質(zhì)和周邊建筑等條件對(duì)施工安全影響極大。以廣州市軌道交通流花路站地下暗挖施工為例進(jìn)行分析。

1.1 地下空間工程條件

廣州市軌道交通流花路站為地下車站，位于人民北路與流花路交叉路口處，臨近流花湖公園，車站走向基本為南北向，為地下2層3跨暗挖車站，平面布置如圖1所示。

圖1 地下平面布置

設(shè)計(jì)包括車站主體、車站附屬建筑(含通道、出入口、風(fēng)道、風(fēng)亭、冷卻塔)、結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)，主體及配線均采用暗挖法施工。車站主體暗挖斷面為雙柱三連拱斷面，寬26m，高17.76m，隧道覆土厚約19.5m，采用初支+二襯的復(fù)合結(jié)構(gòu)形式。車站配線暗挖斷面主要為小凈距并行雙隧道，隧道寬11.2m，高8.95m，隧道覆土厚約26.8m，配線交叉段局部采用寬26m、高16.5m大斷面單洞隧道，采用初支+二襯的復(fù)合結(jié)構(gòu)形式。

1.2 土巖混層地質(zhì)條件

流花路站殘積土主要為粉質(zhì)黏土，可塑狀～硬塑狀，部分為粉土，中密～密實(shí)狀，工程性質(zhì)較好。另外，部分工程置于全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化巖層中，全風(fēng)化呈堅(jiān)硬土狀，工程性質(zhì)較好，而強(qiáng)風(fēng)化巖石呈半巖半土狀、碎塊狀，風(fēng)化裂隙發(fā)育，為極軟巖，巖體完整性差，風(fēng)化巖及殘積土具遇水軟化、失水干裂的特點(diǎn)。上述地層條件給地鐵工程施工帶來不利影響。

1.3 周邊環(huán)境條件及工程風(fēng)險(xiǎn)

周邊建筑物主要有廣控大廈、原廣州軍區(qū)總醫(yī)院康樂大廈、原廣州軍區(qū)東寶展覽中心、原廣州軍區(qū)總醫(yī)院門診部和東方賓館等。

1.4 洞樁法開挖方法

鑒于地質(zhì)條件和周邊環(huán)境極為復(fù)雜，流花路車站主體部分采用洞樁法施工，在施工過程設(shè)置4個(gè)導(dǎo)洞，導(dǎo)洞長(zhǎng)267m，凈空4.60m×5.60m，錨噴支護(hù)形式，其導(dǎo)洞斷面與開挖空間展布如圖2所示。

圖2 洞樁法斷面與開挖空間展布

由上述分析可知，地下空間隧道開挖斷面大、開挖步驟多導(dǎo)致力學(xué)轉(zhuǎn)換復(fù)雜，容易產(chǎn)生大的地表沉降，安全控制非常困難。

2 暗挖施工常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)及控制效果分析

確定施工方法后，按規(guī)范選取監(jiān)測(cè)控制指標(biāo)進(jìn)行安全施工并對(duì)其控制效果進(jìn)行分析。鑒于篇幅所限，在此僅對(duì)與地面沉降及地面塌陷關(guān)聯(lián)性極大的地表沉降及地下空間中的拱頂沉降進(jìn)行分析和說明。

2.1 暗挖施工監(jiān)測(cè)現(xiàn)行規(guī)范安全控制指標(biāo)

在地下空間施工安全監(jiān)測(cè)中，一般可以綜合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合各個(gè)地方標(biāo)準(zhǔn)選擇合理、可用的控制指標(biāo)。鑒于篇幅所限，在此選取暗挖施工過程的地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行說明，其值如表1所示。

表1 地下暗挖施工地表沉降監(jiān)測(cè)控制值

結(jié)合工程實(shí)際開挖情況與周邊環(huán)境，選取控制標(biāo)準(zhǔn)為：地面沉降20mm以內(nèi)，沉降平均速率3mm/d，沉降最大速率4mm/d。

但從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工效果看，控制指標(biāo)偏于寬松，容易造成地下空間施工過程垮塌事故，在實(shí)際試驗(yàn)性開挖過程中，也發(fā)現(xiàn)拱頂和地面均有不安全跡象?；诖耍仨殞?duì)控制指標(biāo)適當(dāng)趨嚴(yán)縮小或優(yōu)化。

2.2 控制標(biāo)準(zhǔn)趨嚴(yán)確定方法

2.2.1控制指標(biāo)趨嚴(yán)方法

參考隨機(jī)介質(zhì)理論法與地表沉降預(yù)測(cè)方法[10]，建立坐標(biāo)系：以地下空間中心的正上方地表處為原點(diǎn)，向右為x軸，向下為y軸(地表沉降方向)。由此，則開挖直墻拱形地下空間引起的地表移動(dòng)公式為：

(1)

式中：erf(x)為誤差函數(shù)；d,B,R分別為開挖斷面頂部的均勻下沉量、開挖寬度和中間變量，參數(shù)具體如圖3所示。

圖3 直墻拱地下空間開挖收斂位移

圖3中，A1是開挖平面區(qū)域，A2是變形收斂后的開挖區(qū)域，H是待開挖地下空間埋深。由此，d按簡(jiǎn)化計(jì)算，將收斂變形面積簡(jiǎn)化為地下開挖頂部的均勻下沉量，由此則有：

dB=A1-A2

(2)

(3)

(4)

誤差函數(shù)表達(dá)式為：

(5)

2.2.2不同地下空間施工控制指標(biāo)的折減系數(shù)確定

1) 小斷面或單洞開挖

地下單洞施工時(shí)，其地表沉降控制可按規(guī)范進(jìn)行確定。由式(1)可得，施工引起地表下沉最大值發(fā)生在x=0處，其最大下沉為：

(6)

2) 大斷面或多洞室開挖

就本文依托的地下工程而言，采取4個(gè)導(dǎo)洞的洞樁法施工，若忽略開挖順序?qū)Φ乇沓两档挠绊?，根?jù)疊加原理，可按圖3算得地表處的總下沉量。但因工程是沿x=0對(duì)稱的，因此為簡(jiǎn)化計(jì)算，可只計(jì)算一側(cè)對(duì)中心的影響量。

令每個(gè)洞室對(duì)地表的沉降影響量為W(x)i,i=1,2，…，7。這里下角標(biāo)即代表對(duì)應(yīng)的每個(gè)洞室，已在圖2中標(biāo)出，下文中的角標(biāo)含義相同。

則4個(gè)導(dǎo)洞對(duì)地表下沉影響可用函數(shù)描述：

Q1=2ΣW(x)i,i=1,2

(7)

其中：

W(x)1=W(x-3s)=

(8)

W(x)2=W(x-s)=

(9)

d1為導(dǎo)洞的拱頂沉降計(jì)算簡(jiǎn)化量，下文的d2同理。

當(dāng)主洞室開挖完成，則會(huì)產(chǎn)生新的下沉量，3個(gè)主洞室對(duì)其的影響量分別為Q2=2W(x)5+W(x)6，其中：

W(x)5=W(x-r-s)=

(10)

(11)

則在大范圍開挖的情況下，地表的沉降函數(shù)為Q=Q1+Q2。取地表沉降的最大值點(diǎn)Qmax2，即：

(12)

與單洞室進(jìn)行比較，按不同地下工程的空間關(guān)系，地表沉降不同體現(xiàn)了沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，據(jù)此可得到折減系數(shù)，即

(13)

結(jié)合工程實(shí)際，d=0.05m，R=14.23m，B1=4.6m,B2=8.6m,計(jì)算得到η=0.669 2，取η=0.67。

以原控制標(biāo)準(zhǔn)并按上述系數(shù)折減，取本工程地下洞室開挖的地表沉降控制值為：地面沉降13.4mm以內(nèi)，沉降平均速率2mm/d，沉降最大速率3mm/d。

3 基于趨嚴(yán)控制指標(biāo)的洞樁法施工工藝與安全控制效果分析

如果按折減指標(biāo)進(jìn)行施工控制，則會(huì)對(duì)施工方法及過程要求更嚴(yán)，因而需要基于趨嚴(yán)控制指標(biāo)提出可靠的施工控制方法。

3.1 施工控制方法與施工工藝

基于趨嚴(yán)安全控制需要，導(dǎo)洞斷面與開挖如圖4所示。洞樁法開挖施工的詳細(xì)施工步序確定如下。

圖4 導(dǎo)洞斷面與開挖

1) 小導(dǎo)管及管棚超前支護(hù)(加固)，先開挖1，3小導(dǎo)洞，施工導(dǎo)洞初期支護(hù)。距離1，3小導(dǎo)洞約8～10m后開挖2，4小導(dǎo)洞，施工導(dǎo)洞初期支護(hù)。

2) 在小導(dǎo)洞洞通后在內(nèi)采用人工成孔，施作邊樁及中柱基礎(chǔ)。施工鋼管柱，鋼管柱邊與孔壁之間填砂臨時(shí)穩(wěn)定鋼管柱。

3) 施工邊樁冠梁,架立邊導(dǎo)洞內(nèi)主拱的格柵鋼架，并按要求噴混凝土。C20混凝土回填邊導(dǎo)洞上部空間。安裝鋼管柱系統(tǒng)以及柱內(nèi)的鋼筋籠。施工頂縱梁結(jié)構(gòu)，并預(yù)留主拱二襯的鋼筋接頭，鋪設(shè)防水層。

4) 開挖主拱土體，施作主拱初期支護(hù)。主拱開挖順序?yàn)橹泄跋刃校吂熬o跟。中主拱開挖15～20m后，兩側(cè)主拱對(duì)稱開挖。

5) 逐段拆除小導(dǎo)洞邊墻，鋪設(shè)防水層，立模澆筑主拱二襯。二襯待初支扣拱施工完成后再施工二襯扣拱，先施工中拱，后施工邊拱。

6) 向下開挖土體至地下1層中板底面下約1.5m位置，施作側(cè)墻系統(tǒng)錨桿、噴射混凝土、敷設(shè)側(cè)墻防水層,施作地下1層中板、邊樁冠梁。

7) 向下開挖土體至基底位置，施作側(cè)墻系統(tǒng)錨桿、噴射混凝土、鋪設(shè)防水層，澆筑邊樁冠梁、底板、下層側(cè)墻。

8) 施作地下1層側(cè)墻，施作內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

3.2 施工風(fēng)險(xiǎn)控制效果分析

為了更好地了解洞樁法施工工藝對(duì)安全控制的效果，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得了部分測(cè)量數(shù)據(jù)并繪制位移-時(shí)間變化曲線。在此以最為關(guān)鍵的主體結(jié)構(gòu)暗挖前期工程中的5號(hào)井—6號(hào)井區(qū)段小導(dǎo)洞若干監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表沉降部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，地表沉降監(jiān)測(cè)成果如表2所示。

由表2可知，地表最大沉降為2.99mm，沉降速率最大值僅為0.10mm/d，說明沉降變化率不大。測(cè)得數(shù)據(jù)均在可控范圍內(nèi)且數(shù)據(jù)穩(wěn)定，地面和周邊環(huán)境正常，說明按照趨嚴(yán)監(jiān)控指標(biāo)進(jìn)行施工控制是可行的。

表2 5號(hào)井—6號(hào)井區(qū)段小導(dǎo)洞地表沉降監(jiān)測(cè)(部分)

4 結(jié)語

1) 隨著地下空間逐步向深度大及跨度大方向發(fā)展，地下工程建設(shè)具有投資大、周期長(zhǎng)、技術(shù)復(fù)雜、不可預(yù)見風(fēng)險(xiǎn)因素多和對(duì)社會(huì)環(huán)境影響大等特點(diǎn)，其安全控制指標(biāo)與常規(guī)條件下有較大差異，如果確定不合理，會(huì)對(duì)地下空間結(jié)構(gòu)本身和周邊臨近建筑物產(chǎn)生較大影響，也給施工安全控制帶來極大困難。

2) 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，基于隨機(jī)介質(zhì)理論、結(jié)合土層吸收沉降特點(diǎn)確定的地下空間施工趨嚴(yán)控制指標(biāo)和地下工程洞樁法施工監(jiān)控指標(biāo)以及施工控制工藝，可以滿足施工安全控制要求。

3) 由于現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)等條件變化頻繁，對(duì)施工安全影響非常大，盡管運(yùn)用理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與測(cè)試等手段得到了趨嚴(yán)控制指標(biāo)及施工工藝，其控制效果及控制指標(biāo)的優(yōu)化還需結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行深入研究。