謝大波，王 琛，周 誠，余群舟

(1.華中科技大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢地鐵集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430070)

0 引言

在繁華城市修建地鐵會(huì)因受到各種因素影響使得地鐵車站的形式不再局限于傳統(tǒng)的島式車站、側(cè)式車站、島側(cè)混合式車站，越來越多新的車站形式如分離島式涌入。分離島式車站的軌道位于站臺(tái)兩側(cè)，但分離島式站臺(tái)的上、下行站臺(tái)分開，站臺(tái)間通過1條或幾條通道連接。國內(nèi)很多地鐵線路是順沿道路建設(shè)，而城市道路上大都存在高架橋、立交橋，其立柱基礎(chǔ)會(huì)使得路面無法進(jìn)行大面積開挖，使得地鐵車站站廳與站臺(tái)無法合成一體，因此對(duì)其解決方法一般為在中間修建連接通道接駁兩側(cè)隧道與站廳[1]。地鐵隧道施工過程中不可避免的影響是會(huì)使隧道周邊巖體受到外界施工因素的擾動(dòng)，隧道本身與通道結(jié)構(gòu)及周邊產(chǎn)生一系列變形，群洞施工影響則更甚。

國內(nèi)外相關(guān)針對(duì)地鐵隧道開挖研究中，Peck提出的關(guān)于Peck公式[2-3]及其修正版和衍生版公式應(yīng)用是針對(duì)預(yù)測(cè)地表沉降公式中應(yīng)用度最廣的。Loganathan等[4]針對(duì)這一系列的雙隧道、雙孔通道問題所引起的施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行多方面深入探究并進(jìn)行理論公式分析。肖濤[5]以兩條相交的北京地鐵線路站點(diǎn)為研究背景，針對(duì)實(shí)際工程中的問題，進(jìn)行控制PBA多個(gè)導(dǎo)洞施工變形的研究并提出相應(yīng)的防控措施。在對(duì)施工監(jiān)測(cè)及風(fēng)險(xiǎn)控制研究中，王坤等[6]在對(duì)淺埋暗挖法施工近距離群洞暗挖復(fù)雜情況進(jìn)行分析時(shí)，因其圍巖呈現(xiàn)出不規(guī)律性沉降變化，施工采取信息化監(jiān)測(cè)手段時(shí)必不可少，其對(duì)宣武門站超40個(gè)斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，充分利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)保障群洞開挖安全。

基于上述研究及論述，以分離島式車站為研究背景，完善在相應(yīng)研究上的不足，本文歸納了地鐵暗挖施工的施工工法并深入分析對(duì)群洞開挖施工變形影響因素，最后結(jié)合實(shí)際工程案例監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析規(guī)律并給出控制措施，驗(yàn)證措施的有效性，為群洞暗挖施工提供安全保障。

1 分離島式車站施工變形影響因素分析

1.1 工程概況

本文研究的工程實(shí)例為武漢某地鐵工點(diǎn)，該車站為地下4層14m分離島式站臺(tái)車站(見圖1)，采用半鋪蓋法順作施工。主體結(jié)構(gòu)采用2個(gè)4層單跨箱形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)分離島，大里程端總寬47.3m，平面呈長條形。車站分離島間設(shè)置6個(gè)連接通道(見圖2)，其中地下1層分布1個(gè)，地下2層分布2個(gè)，地下4層分布3個(gè)，均采用暗挖法施工。地質(zhì)情況大致為：地下1層主要穿越地層為粉質(zhì)黏土，地下2層主要穿越地層為強(qiáng)風(fēng)化泥巖，地下4層主要穿越地層為中風(fēng)化泥巖。整體暗挖施工工序?yàn)椋合鹊叵?層再地下2層，最后地下1層。其中，地下1層CRD施工加大管棚及小導(dǎo)管超前支護(hù)，地下2層CRD施工加大管棚超前支護(hù)，地下4層短臺(tái)階法施工加注漿小導(dǎo)管超前支護(hù)。

圖1 分離島式車站形式示意

圖2 連接通道位置分布

1.2 群洞開挖施工變形影響因素分析

1.2.1群洞施工引起地表沉降影響因素分析

采用淺埋暗挖法進(jìn)行地下隧道工程開挖不可避免地會(huì)造成地表沉降，影響隧道暗挖地表沉降的主要因素涵蓋工程地質(zhì)條件、隧道暗挖施工工藝、隧道開挖截面尺寸大小、埋深、上部荷載大小等[7]。

1)工程地質(zhì) 工程地質(zhì)條件影響施工的各方面，是各工序施工方案所需考慮的重要因素，還包括水文地質(zhì)條件及具體土體物理力學(xué)性能。

2)隧道開挖截面 根據(jù)現(xiàn)有的相關(guān)研究表明，將隧道開挖截面近似看作圓形截面，則如果隧道開挖半徑增加，地表沉降量和沉降槽的范圍也會(huì)相應(yīng)變大。

3)施工工藝 施工工藝是對(duì)隧道開挖全過程工序的囊括，具體包括超前加固法、施工法、選用的支護(hù)形式。

4)埋深 基于已有研究，在保證其他條件不變的情況下，隧道埋深不斷增加，地表沉降最大值逐漸減小，沉降范圍緩慢增加，但減小速率卻放緩，中心線位置的沉降值逐漸變小(見圖3)。

圖3 地表沉降值與隧道埋深關(guān)系曲線

對(duì)于群洞暗挖施工來說，其對(duì)地表沉降造成的影響不僅來自自身施工狀況，還與周邊隧道施工有著不可分割的關(guān)系，主要影響因素除了上面提及的外還有群洞間間距、群洞施工順序、開挖方式、開挖步距、作業(yè)方式(見圖4)。

圖4 隧道相離較遠(yuǎn)與較近時(shí)地表沉降曲線

相鄰隧道凈距分界點(diǎn)Le受多個(gè)相關(guān)因素影響，在同一個(gè)工程地質(zhì)大環(huán)境下，H/L值是影響沉降曲線的重要因素。沉降槽寬度參數(shù)K受圍巖和巖土性質(zhì)影響較大，其和工程地質(zhì)情況密切相關(guān)，由Peck公式和相關(guān)研究在判定相鄰隧道距離遠(yuǎn)近的判別公式得出，圍巖性質(zhì)越好，K值越小。若隧道開挖埋深H已知，則有：

Le=2.021HK0.975

(1)

1.2.2群洞施工引起洞內(nèi)變形影響因素分析

地鐵隧道相鄰間距的研究一直是研究的關(guān)鍵問題，其將直接影響隧道的相互間施工。21世紀(jì)初，廈門市某地鐵隧道建設(shè)中對(duì)相鄰隧道的凈間距給出了指導(dǎo)性建議[2]，如表1所示。

表1 城市相鄰隧道最小凈間距

以相鄰的2座隧道為例，二者間距是相互間影響的關(guān)鍵因素，根據(jù)已有研究，按影響程度將隧道間凈間距大體上劃分為4類，即Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ級(jí)區(qū)域，影響程度遞減，分別對(duì)應(yīng)為Ⅰ級(jí)影響極大，需立即采取相應(yīng)防范措施；Ⅱ級(jí)影響較大，需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，必要時(shí)采取措施；Ⅲ級(jí)影響一般，適當(dāng)關(guān)注監(jiān)測(cè)；Ⅳ級(jí)影響較小，一般情況下無須過多關(guān)注。

Ⅰ級(jí)區(qū)域范圍為0～1.0D，Ⅱ級(jí)區(qū)域范圍為 (1.0～1.5)D，Ⅲ級(jí)區(qū)域范圍為(1.5～2.5)D，Ⅳ級(jí)區(qū)域范圍為2.5D以上(見圖5)，其中D為隧道開挖寬度。

圖5 一般情況下影響區(qū)域劃分

隧道所處的圍巖情況對(duì)凈距的要求也有差異，圍巖等級(jí)高的對(duì)距離要求同條件下也更遠(yuǎn)。施工工法及支護(hù)形式對(duì)洞內(nèi)變形的影響也不可忽略，良好的超前支護(hù)結(jié)構(gòu)及適宜的暗挖施工工法在維系隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面是施工控制的關(guān)鍵所在，通常來說大管棚的支護(hù)效果要優(yōu)于小導(dǎo)管注漿，單個(gè)支護(hù)體系效果要劣于多個(gè)支護(hù)體系共同疊加。

2 分離島式車站群洞暗挖施工變形規(guī)律分析

2.1 洞內(nèi)施工變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.1.1拱頂下沉監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

對(duì)于洞內(nèi)施工變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，本文主要是針對(duì)洞內(nèi)拱頂下沉和凈空收斂。隧道在開挖土體后，由于土體的損失導(dǎo)致圍巖自重及應(yīng)力發(fā)生變化，致使隧道頂部向下發(fā)生位移的現(xiàn)象稱為拱頂下沉。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)序圖分析(見圖6～8)，各斷面拱頂下沉監(jiān)測(cè)點(diǎn)初始開挖后數(shù)值初始變化較小且伴隨小幅度波動(dòng)，隨著開挖的不斷進(jìn)行數(shù)值總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，總體上各曲線變化趨勢(shì)相似、數(shù)值差距小。不同通道的拱頂數(shù)值存在較大差異，其原因主要與實(shí)際工況、所在地層、施工工法、施工實(shí)際情況等相關(guān)。

圖6 1號(hào)連接通道拱頂下沉各監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)序曲線

圖7 各連接通道初始端拱頂下沉?xí)r序曲線

圖8 1號(hào)連接通道拱頂下沉同一斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)序曲線

兩側(cè)壁拱頂下沉?xí)r序圖變化趨勢(shì)保持較高程度的相似性，各轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)間點(diǎn)基本一致，整體曲線數(shù)值差距在1mm以內(nèi)，GD1-1-2(右側(cè))數(shù)值要略高于GD1-1-1(左側(cè))，而略低于各拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)序圖中的12mm。數(shù)值曲線隨時(shí)間變化不斷增加，開挖初期存在短時(shí)期數(shù)值波動(dòng)，整體變化趨勢(shì)及幅度有較大相似之處，通道中間區(qū)域拱頂數(shù)值一般要大于兩側(cè)拱頂。

2.1.2凈空收斂監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

凈空收斂別稱凈空變形，一般指的是隧道開挖后周邊圍巖向隧道內(nèi)出現(xiàn)凈空侵入現(xiàn)象，通常理解為隧道周邊同一水平高度上的兩點(diǎn)在整個(gè)開挖過程中相對(duì)位置的變化情況(見圖9)。

圖9 暗挖通道橫向斷面與凈空收斂縱向監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

隨著通道土體開挖完成之后，將相應(yīng)的凈空收斂監(jiān)測(cè)設(shè)備布設(shè)在初期支護(hù)周邊，按預(yù)設(shè)的方案施工。因收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)較多且隨施工進(jìn)度設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，故數(shù)據(jù)繁多且雜，針對(duì)收集到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分類歸納成圖表。

如圖10所示，以群洞中1號(hào)和2號(hào)通道凈空收斂監(jiān)測(cè)時(shí)序曲線為例，其數(shù)值大小規(guī)律可總結(jié)為：同一斷面上側(cè)壁收斂數(shù)值大小與先后開挖施工有關(guān)，先開挖的導(dǎo)洞側(cè)壁收斂數(shù)值較小，后開挖的導(dǎo)洞收斂數(shù)值大，不同斷面上的凈空收斂數(shù)值與對(duì)應(yīng)的位置相關(guān)，兩端數(shù)值要小于中間區(qū)域，因中間區(qū)域受土方開挖影響時(shí)間較長(見圖11)。

圖10 1，2號(hào)連接通道凈空收斂各監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)序曲線

圖11 不同通道SLx-1-1凈空收斂時(shí)序曲線

基于現(xiàn)有的凈空收斂數(shù)據(jù)樣本，選取不同地層下各通道在同一相對(duì)位置上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比。比對(duì)數(shù)值時(shí)序曲線可得結(jié)論為：各通道凈空收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)曲線均存在多處轉(zhuǎn)折點(diǎn)，其受到現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度的影響較大，曲線變化速率與施工進(jìn)度、支護(hù)結(jié)構(gòu)的及時(shí)性關(guān)聯(lián)在一起；數(shù)值上地下1層和地下2層的通道凈空收斂最終數(shù)值明顯小于地下4層數(shù)值。

2.2 地表沉降現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.2.1地表沉降現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)序規(guī)律分析

地表沉降是因開挖后、圍巖及支護(hù)、復(fù)合襯砌間的空隙地下水位下降，致使發(fā)生固結(jié)現(xiàn)象，圍巖和支護(hù)下沉最終導(dǎo)致地表沉降。從現(xiàn)場(chǎng)收集到的數(shù)據(jù)時(shí)序圖分析可得如下結(jié)果：①工況相似的通道暗挖施工，監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)序變化會(huì)有差異，但地表沉降數(shù)值總體差距小，最終穩(wěn)定數(shù)值基本一致；②受各通道開挖進(jìn)度影響，各曲線時(shí)序變化差異影響較大，且受交叉施工影響，地表情況橫向分布會(huì)有差異；③支護(hù)結(jié)構(gòu)施工后一段時(shí)間內(nèi)，地表沉降增速降低；④CRD法施工對(duì)地表沉降控制效果要遠(yuǎn)優(yōu)于CD法，施工工法的更改會(huì)直接體現(xiàn)在地表沉降數(shù)值及增速上；⑤受到群洞施工影響，地表沉降數(shù)值橫向分布有差異(見圖12)。

圖12 1，3號(hào)連接通道地表沉降時(shí)序曲線

2.2.2地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)律異同性分析

地表沉降最終監(jiān)測(cè)數(shù)值大小與隧道埋深有很大關(guān)系，同一施工工法、同一埋深或埋深相近，最終土方開挖數(shù)值大小相近，差異性很小。

圖13所示大致符合理論變化趨勢(shì)，隧道埋深逐漸變大，沉降值變小，但其呈現(xiàn)曲線式變化趨勢(shì)，即變化速率不斷變小。1號(hào)和4號(hào)因存在上下疊層關(guān)系導(dǎo)致4號(hào)數(shù)值增加，各通道監(jiān)測(cè)點(diǎn)兩端地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)值變化有相同趨勢(shì)，其數(shù)值差距保持在一定范圍內(nèi)且偏差較小。時(shí)序圖數(shù)值變化程度較低且存在瞬時(shí)性，轉(zhuǎn)折變化快，轉(zhuǎn)折點(diǎn)一般與實(shí)際施工現(xiàn)狀及進(jìn)度情況相關(guān)(見圖14，15)。

圖13 各通道不同埋深下地表沉降曲線

圖14 不同截面中線處地表沉降數(shù)據(jù)時(shí)序曲線

圖15 不同通道初始斷面橫向地表沉降終值曲線

針對(duì)不同監(jiān)測(cè)斷面，數(shù)值存在差異，2，3，5號(hào)通道各初始截面和終端截面數(shù)值大小差距較小，相反4，6號(hào)差距較大，其原因主要為存在交叉施工影響數(shù)值變化。各連接通道橫向地表沉降分布曲線有著一定差異性，主要存在U形和V形曲線差別，數(shù)值存在一定的對(duì)稱性，但兩端數(shù)值差仍明顯，其原因主要是受實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)交叉施工和施工順序影響。

3 分離島式車站群洞施工變形控制措施及效果分析

3.1 分離島式車站群洞施工變形控制措施

3.1.1洞內(nèi)施工變形控制措施

就目前對(duì)把控洞內(nèi)施工變形理論及實(shí)踐來說，較有效措施主要從以下2個(gè)層面把控，即支護(hù)手段和隧道開挖方式[8]。綜合某分離島式車站群洞施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展現(xiàn)出來的規(guī)律和數(shù)值模擬規(guī)律情況，給出洞內(nèi)變形針對(duì)性控制措施為：①提高支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可通過提高噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)、選用大直徑鋼筋及鋼架、增加鋼格柵數(shù)目、減少布設(shè)間距、提高錨桿剛度等提升初期支護(hù)承載力；②根據(jù)實(shí)際工況選擇適宜的施工工法(暗挖施工)，加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)頻率及增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)；③選用復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格把控支護(hù)結(jié)構(gòu)施作的時(shí)間節(jié)點(diǎn)；④各環(huán)節(jié)應(yīng)嚴(yán)格按施工規(guī)范及施工方案要求，及時(shí)施作內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)(見圖16)。

圖16 地表沉降控制基本對(duì)策

3.1.2地表沉降控制措施

隧道暗挖施工引起的地表沉降及后期沉降增加主要與3方面關(guān)聯(lián)度較大，即周邊圍巖及土體介質(zhì)性質(zhì)、地下隧道自身結(jié)構(gòu)、隧道施工方法[9]。

綜合某分離島式車站群洞施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展現(xiàn)出來的規(guī)律情況，給出地表沉降針對(duì)性控制措施：①嚴(yán)格按施工方案施工，盡可能規(guī)避上下疊層及交叉施工；②嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺，且保持適當(dāng)?shù)氖┕づ_(tái)階長度；③隧道遵循邊開挖邊支護(hù)原則，及時(shí)施作初期支護(hù)、仰拱等結(jié)構(gòu)，土方開挖完成后及時(shí)進(jìn)行二次襯砌施工封閉結(jié)構(gòu)，盡快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；④對(duì)于群洞同時(shí)施工，在縱向保持一定的施工斷面間隔，對(duì)受到交叉影響的地層可提前進(jìn)行注漿處理并提高支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3.2 控制措施效果分析

綜合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工中得以應(yīng)用的施工變形控制措施，以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化實(shí)況驗(yàn)證相應(yīng)措施的有效性。論證相應(yīng)措施采取前后，由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)值及變化速率2方面分析可知，采取相應(yīng)控制措施后，群洞施工變形取得良好控制效果。最終監(jiān)測(cè)數(shù)值顯示，地表沉降最大值為29mm(允許值30mm)(見圖17)，拱頂沉降為12mm(允許值15mm)，收斂為22mm(允許值40mm)，從監(jiān)測(cè)預(yù)警三級(jí)管理角度分析，洞內(nèi)外施工變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)僅個(gè)別監(jiān)測(cè)數(shù)值處于橙色預(yù)警范圍，各項(xiàng)數(shù)值均未超過允許值范圍，充分驗(yàn)證了控制措施的實(shí)用性及有效性。

圖17 通道終端斷面中線地表沉降時(shí)序曲線

4 結(jié)語

本文以武漢某分離島式地鐵現(xiàn)場(chǎng)工程案例為研究對(duì)象，基于現(xiàn)有的群洞開挖施工基礎(chǔ)理論，歸納總結(jié)了分離島式群洞施工變形影響因素并對(duì)比各工法特點(diǎn)，綜合分析實(shí)際工程案例中分離島式車站群洞暗挖現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得出相應(yīng)的實(shí)際變形規(guī)律并給出針對(duì)性施工變形控制措施，最后驗(yàn)證措施有效性，為類似工程提供參考，保障施工安全進(jìn)行。