地铁暗挖通道施工引起的各类变形的分析

王景贤

（中铁十六局集团有限公司，北京 100018）

1 变形预测控制理论概述

由于地铁暗挖施工是一种动态的施工，其对地表沉降的影响会随着施工的进程而不断发生变化，为了控制地表沉降，需要根据实际情况采取针对性的措施，尽可能使每个阶段的沉降都得到控制，进而保证工程的质量和人员的安全，这就是所谓的变形预测控制理论。由于暗挖施工工序复杂，在对地表沉降进行控制时不能仅依靠一项系统工程，还应该综合预测变形系统、规划变形系统等。不论使用哪些系统，都应该确保使用过程前对系统工作原理足够明确，使用时操作足够熟练。对于暗挖法而言，变形监测与控制是贯穿整个工程的，因而我们也可以说其是对整个施工过程的控制。在对其进行变相监测时，除了要进行勘测外，还应当做好预测工作，切实保证每个环节都能在控制之中。只有做好了变形监测与预测，才能确保地铁及周边土层和建筑物的变形控制在一定的范围内，才能确保施工的质量和安全。

2 浅埋暗挖法施工技术

在暗挖法中，比较常见的一种是浅埋暗挖法，浅埋暗挖法的特点就是边开挖边浇筑。浅埋暗挖法属于不开槽施工方法，其主要工作原理就是，由于在开挖时土层会在短期内保持一定的稳固，此时借助相应的支护措施可以使围岩或者土层表面形成密贴型薄壁支护结构。对于砂层、砂卵石层等地质，选择浅埋暗挖法更合适。我国很多地铁项目选择的都是浅埋暗挖法。

事实上，浅埋暗挖法是在20 世纪80年代末才被认定的。通常情况下，浅埋暗挖法的适用范围是第四纪软弱地层，通过对该地层进行加固和处理来达到施工的目的。为了使围岩的承重能够保持在合适的范围内，通常选择短进尺进行地铁隧道开挖。在施工前期就应当架设好支护结构并做好封闭措施，确保在围岩和支护结构的共同作用下，隧道的荷载能够在可承载的范围内。当前期的变形得到有效控制后才可以进行二次模铸衬砌工作。只有做好了初期支护工作，才能确保后期工程的顺利进行，而二次衬砌则是对承载力的一种加固，尤其是一些特殊的工程，其荷载偏大，此时更需要进行二次衬砌。这样做能够有效避免施工过程中的不可预知性，从而减少不必要的损失。

由于地铁施工的环境和地质复杂多样，因此浅埋暗挖法并不适用于所有情况。一旦使用了浅埋暗挖法，就必须对地铁隧道的地层、支护的材料和四周环境进行监测，掌握地铁及周边环境情况，依据监测结果制定科学合理的施工方案，确保施工环境的安全和施工质量。

3 临近基坑的郑州地铁某暗挖通道变形监测与数值分析

接下来主要以郑州某临近基坑的地铁暗挖隧道为例，对其变形监测和数据分析进行介绍。在进行三维数值模拟时选择的是FLAC 3D 软件，综合基坑周边地面沉降以及基坑围护桩水平位移等情况，探讨暗挖通道对明挖通道的影响。

3.1 工程概况

图1 工程平面及测点布置

该项工程的平面图如图1所示。从图中我们可以看到，位于东边的是明挖基坑，位于西边的是暗挖双联拱隧道，位于二者之间的就是暗挖通道。其中，明挖基坑的长约为29.60m，宽度约为14.60m，基坑深度为16.00m，该基坑通过钢支撑与围护桩形成支护，以增大承载力。对于暗挖通道，其长度比明挖基坑略长，约为35m，高度约为9.30m，通道宽度为5.20m。对于底板而言，其埋深和基坑的埋深基本是一样的，支护结构是格栅钢架和C20 湿喷混凝土。明挖通道和暗挖的间距控制在5.00 ～5.40m范围内，整体来看，暗挖通道和基坑处于平行的状态。暗挖通道的具体断面如图2所示。

图2 暗挖通道断面

3.2 暗挖通道开挖

在开挖通道时，最常用的方法是台阶法，一般将台阶分为3 部分，每层台阶的距离为5m，按照从上往下的顺序依次开挖。当上台阶开挖完成后，进行第二道钢支撑的假设，当中台阶开挖到4m 时开始建设第三道钢支撑，当中台阶开挖到20m 时，开始下台阶开挖，开挖深度为16m，此时基坑和通道开挖完毕，基坑昨晚底板。

3.3 监测结果分析

图3 围护桩水平位移曲线

图3展示的是围护桩的水平位移曲线，在开挖前期，围护桩发生一定的变形，向坑内倾斜。由于同时对上台阶进行了开挖，因此桩顶出现了明显的位移。在不断开挖的情况下，桩体中下部呈现出快速位移的趋势，变形曲线已经由倾斜变成了弓形，而最大位移也因此发生了下移。当开挖进度进行到后期时，桩体变形程度更大，位移也随之增大，桩的底部向基坑外侧弯曲突出。测量结果显示，最大水平位移比监测预警限值要小，为11.88m，并且变形程度在标准范围内，基坑整体呈现出稳定的状态。

图4表示的是地表沉降情况，根据图4我们可以看到，地表沉降程度随开挖时间而表现出均匀沉降的趋势。地表沉降率偏小的时间段集中在架设钢支撑阶段，沉降值不会超过6m。当基坑不断进行开挖时，其沉降速度加快。

图4 地表沉降曲线

4 数值计算

4.1 计算模型

图5显示的是基本网格单元。在计算模型中选择的是莫尔—库伦模型，而围桩和暗挖通道选择的则是理想弹性体模型。当模型初步建成后，选择矩形网格进行土体单元的建设。

图5 几何单元网络

4.2 计算结果分析及比较

围护桩位移监测值和数值计算值的关系如图6所示，通过计算我们发现，在开挖前期，也就是开挖前2 步时，由于同时进行上台阶的开挖，导致桩顶向基坑内侧变形的速度增加，变形程度几乎接近计算的最大值，再往后随着开挖进程的深入，其变形速度逐渐减小，甚至不再进一步发生变形。到第3 步时，桩体中下部发生变形较明显，变形曲线逐渐变为弓形。到第4 步时，桩体继续变形。从开挖整个过程来看，桩体的最大水平位移是10.71mm，其出现在第2、3 道钢支撑之间。

图6 围护桩水平位移监测值与计算值对比曲线

4.3 不同开挖顺序对基坑稳定性的影响分析

由于地铁暗挖施工要对地层进行开挖，因此难免会对周围地层产生影响。开挖的方法和顺序有很多种，不同的顺序会引起不同的开挖效应，而不同的开挖效应又会引起支护结构不同程度的变形，因此需要对开挖顺序对地层变形性影响进行研究。本项目主要从三种不同顺序进行分析：第一种顺序是暗挖通道与明挖基坑同时进行；第二种顺序是先挖基坑再挖通道；第三种顺序是先挖通道再挖基坑。

图7 三大方案围护桩位移对比曲线

通过对比三个顺序测量的数值结果，做出围护桩的位移图，如图7，通过图我们可以发现，采用第三种顺序产生的位移最小，采用第二种顺序产生的位移最大。因此我们得出结论：由于通道开挖对围护桩水平位移影响最大，因此需要先对其进行开挖，该顺序可以使基坑受到的影响最小，从而确保基坑保持一定的稳定。

通过对三种开挖顺序测量的基坑隆起值、地表沉降值以及通道衬砌变形值分析，如表1，我们发现，第三种开挖顺寻的基坑隆起最大，第二种开挖顺序引起的地表沉降最明显，第一种开挖顺序的通道衬砌变形最明显。综合分析认为第三种开挖顺序更合理，更利于基坑的稳定性。

表1 其他项目比较

5 结语

基坑变形在开挖前期表现最明显，地表沉降随开挖时间而均匀沉降，选择先开挖暗通道再开挖基坑的顺序可以最大限度地保证基坑的稳定。