地铁隧道多导洞施工引起的地表沉降分析
2009-05-15 00:02
地铁隧道多导洞施工引起的地表沉降分析
摘要：北京某地铁车站采用暗挖多导洞法施工，由于导洞数量多、跨度大，群洞多次施工对地表影响较大。通过对该暗挖段地表的监测，实时观察地表土层变化，以指导施工确保工程的安全，并为以后类似工程提供借鉴。
关键词：地铁隧道；暗挖多导洞；监控量测；数据分析
1工程概况
北京某地铁车站沿某大街呈东西向布置，采用两端明挖、中部暗挖的方法施工。暗挖段长度45 m，覆土厚度6 m，横断面宽20.2 m，高10.3 m。
暗挖段地质条件：结构顶板以上主要为杂填土①1层、粉土填土①层，局部为粉细砂③3层；结构边墙主要穿越的地层为粉质黏土④层、粉土④2层⑥层、粉土⑥2层、粉细砂⑤2层，中粗砂⑦1层、粉细砂⑦2层；结构底板主要穿越的地层为粉质黏土⑥层、粉土⑥2层。隧道结构与地质关系横断图，见图1。
由于车站顶部围岩稳定性差、结构整体跨度大、加之路面车载较大，极易发生坍塌现象。开挖前采用大管棚结合小导管超前注浆对开挖拱部上方的土体进行加固[1]，确保围岩的稳定。
2施工方法及开挖工序
2.1施工方法
车站暗挖段将整个断面分成5跨3层共15个小洞室，并以马蹄形式采用台阶暗挖法施工，见图2。
2.2开挖工序
1）先从中导洞开始进行土方开挖。中1洞跨度约4.4 m，挖到一定距离（约15 m）后，中2洞开始开挖，中1洞挖到约30 m、中2洞挖到约15 m时，然后中3洞开始进行土方开挖。最后中1、2、3洞由上而下按顺序同时并进至中洞贯通（见图3）。
2）待达到一定要求，施工中导洞结构底纵梁、钢管柱、顶纵梁，3者形成一个强劲的梁、柱支撑体系，顶住上部土体，减小拱顶下沉和地面沉降，保证后续施工安全。
3）中导洞结构施工完毕后，侧导洞开始施工。两侧洞对称同时进行，以保证中洞两边均匀卸载，减少侧洞开挖卸载对中洞结构附加的水平推力。依次对称开挖南北两侧的4、5、6洞。开挖顺序及方法与中1、2、3洞相同，洞间距15 m。
4）侧7、8、9导洞相对落后于侧4导洞30 m开挖，开挖顺序和方法与上述相同，直至所有导洞全部贯通。
5）具备衬砌条件后，为减少附加应力的影响及顶纵梁及钢管柱稳定，左右侧洞临时支护的拆除及结构衬砌对称同步施工。钢格栅拆除及衬砌共分5仓施工，施工时跳仓间隔施工2仓。每仓长度约9 m，均以低、中、上顺序拆除格栅及衬砌施工。待强度及其他条件允许后在施工剩余3仓，直至封闭整个框架受力结构。
3地表沉降监测
地表沉降是隧道开挖后，扰动区地层中的应力延伸至地表而引起的沉降。由于该车站暗挖段覆土厚度仅6 m，且暗挖跨度大、导洞多及路面车载较大，很容易造成土层沉陷，所以该段地表的沉降监测非常重要。
3.1监测仪器及监测频率
该工程采用德国DINI12精密电子水准仪，精度误差0.3 mm/km满足工程要求。观测时做到“监测三固定”，以便得到有效、准确的沉降值[2]。
监测频率随施工工序和数据变化进行，当重要工序施工和数据变化异常时每天1～2测，遇重大危险情况加密监测，二衬整体结构完成后数据变化较小时一周1测。
3.2地表沉降点布置
地表沉降测点垂直于隧道中心方向布置4排测点，每排沿中心轴线对称按2.5、5.0、10.0 m近密远疏布置11个测点，见图4。
4地表沉降数据分析
通过沉降数据分析对比看出，采用多导洞法施工，各施工阶段的沉降具有明显不同的特征。
4.1中1、2、3导洞开挖
中1、2、3导洞开挖，对地表的影响及地表沉降变化趋势见表1、图5。
从表1和图5看出，中导洞土方施工到钢管柱结构这一阶段累计最大沉降－21.4 mm。这阶段地表沉降主要受1、2导洞开挖的影响。由于1导洞贯通对上方地层已产生1次影响，2导洞开挖面对监测断面地表产生2次影响，而3导洞贯通只产生1次影响。中导洞格栅拆除期间沉降1.4 mm也是较小的。
4.2侧4、5、6导洞开挖
中导洞钢管柱结构施工完毕地表平稳后，依次对称开挖南北两侧的4、5、6导洞。这阶段开挖是6个导洞施工对地表影响极大，开挖对地表的影响及地表沉降变化趋势见表2、图6。
从表2和图6看出，这阶段最大沉降值－48.5 mm，4、5导洞贯通沉降占主要沉降量的45％。4、5、6导洞相对同时开挖对地表造成了一定的影响，沉降趋势有所加剧即将接近预警值，直到9月13日趋于平稳。
4.3南北7、8、9导洞开挖
相继同时开挖7、8、9导洞，开挖对地表的影响及地表沉降变化趋势见表3、图7。
从表3和图7看出，隧洞贯通后最大沉降－51.2 mm。间隔沉降4.7 mm，相比上两个阶段沉降较小。
4.4格栅拆除和结构施工
土方工序完成后，进行格栅拆除和结构施工。隔栅拆除工序也是影响地表沉降的关键，开挖对地表的影响及地表沉降变化趋势见表4、图8。
从表2和表4看出，隔栅拆除前地表最大沉降－51.2 mm，隔栅拆除后地表最大沉降－55.7 mm前后间隔沉降4.5 mm。
从图8看出，地表沉降变化比较平稳。隔栅拆除期间由于初衬成环及中洞钢管柱起到支撑作用，使地表沉降得到有效控制。
总体来看，开挖造成的地表沉降分为4个阶段：第1阶段中1、2、3导洞土方施工到钢管柱结构施工完毕，沉降量20.1 mm占总沉降量的36%；第2阶段南北4、5、6导洞土方施工，沉降量24.1 mm占总沉降量的43%；第3阶段南北7、8、9导洞土方施工，沉降量2.5 mm占总沉降量5%；第4阶段钢格栅拆除至二衬整体结构，沉降量5.0 mm占总沉降量的9%；其他影响占7%。地表总体变化趋势见图9、图10。
从各阶段沉降所占比例和沉降总变化趋势来看，沉降差最大在7月19日～8月18日期间，最大差值23.4 mm，沉降速率最大0.8 mm/d，直到1月21日沉降趋于稳定。由此看出南北两侧导洞同序施工对地表同时产生一定影响。
5结语
通过该暗挖段的地表沉降监测与分析可得到以下认识：
1）从各阶段沉降情况来看，沉降主要发生在第1阶段中1、2、3导洞土方施工到钢管柱结构施工完毕（2月15日～7月19日）和第2阶段南北4、5、6导洞土方施工（7月19日～9月13日），其中第2阶段最大。
2）从空间角度来看，第1横行导洞的施工（1、4、7导洞）对地表的影响要大于第2横行（5、8、2导洞）、第3横行（6、9、3导洞）。中间一列导洞施工对地表影响要大于南北两侧任意一列。先导洞施工对地表的影响要大于后导洞施工。
3）中柱对地表沉降控制作用比较明显，通过前面的数据分析可看出，后续沉降量减少2～5 mm。
4）根据监测成果看，该隧道工程最终沉降量55.7 mm，满足设计规范要求。该工程施工方法安全可行，监控量测达到了指导施工、确保施工安全的目的，并为以后类似工程提供了借鉴。
参考文献：
[1]周爱国，唐朝晖，方勇刚，等.隧道工程现场施工技术[M].北京：人民交通出版社，2004:513-515.
[2]王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].合肥：安徽教育出版社，2004:678-680.
