暗挖区间竖井及横通道对地下通道安全性影响研究

周春锋

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600)

1 引言

随着城市建设发展，越来越多的地下空间被开发利用，新规划地铁线路的建设必然会出现地铁线路临近各种既有建筑物或构筑物的情况[1-3]。目前地铁结构在城市交通繁忙区域多采用暗挖法施工。暗挖施工存在一定的施工风险，当其临近既有建筑结构时，会给建筑物的安全带来影响[4-6]。

当暗挖地铁车站或区间过长或体量过大时，通常会设置竖井、横通道，增加工作面，以加快施工进度，缩短工期[7-8]。对于竖井横通道临近建筑物，一些文献从理论分析、施工技术及数值模拟等方面进行了详细分析:吴志刚[9]对地铁车站暗挖竖井临近建筑物的施工控制要点进行了分析；王吉华[10]针对地铁暗挖区间竖井及横通道穿越建筑及生活垃圾填埋层的情况，提出了竖井内外注浆加固、洞内深孔注浆加固、降低拱顶标高、施作临时管道和洞内长短导管结合的综合施工技术；田亮[11]等结合现场实测方法，探讨了钢支撑、开挖深度、管径、埋深对邻近地埋管线的影响；闫国栋[12]对地铁施工横通道转区间正线处下穿既有建筑沉降控制进行了研究。综上所述，目前关于暗挖地铁结构竖井横通道对周边建筑物影响的研究很少，可借鉴的工程案例少，因此，开展暗挖地铁结构的竖井横通道对周边影响分析有一定的工程价值。

2 工程概况

北京地铁12号线大钟寺站-蓟门桥站区间(以下简称大蓟区间)为暗挖区间，采用矿山法施工。区间起点位于大钟寺市场东路与北三环西路路口西侧的大钟寺站，区间线路沿北三环西路路中敷设，终点位于蓟门桥区的蓟门桥站。区间左线、右线长度均为835.10 m(其中左线含长链0.549 m、短链0.684 m)，线间距为15～17.2 m，区间埋深25.4～32.6 m。区间设置2个施工竖井与横通道:1号、2号施工竖井横通道，其中1号竖井横通道兼做联络通道(见图1)。

图1 大蓟区间与西南地下通道位置关系

3 风险保护措施

(1)竖井采用倒挂井壁法施作，严格控制地层沉降。

(2)格栅钢架间距在马头门进洞位置加密为0.4 m，马头门进洞处联立三榀钢架并封闭。

(3)及时进行初支背后注浆，必要时进行多次补浆。初期支护背后注浆以初期支护与土层的密贴为原则，浆液采用水泥浆或水泥砂浆，注浆压力控制在0.3～0.5 MPa左右。

(4)临近西南通道侧采用地面深孔注浆加固地层，确保施工过程中地层强度满足地面沉降要求。注浆压力0.8～1.0 MPa，无侧限抗压强度0.8 MPa，渗透系数小于1×10-6cm/s，加固半径小于0.5 m。

(5)横通道采用台阶法，减少开挖面高度，同时在拱顶上方180°外1.5 m、内0.5 m范围内采用地面深孔注浆加固地层，严格控制地层沉降。

(6)施工过程严格遵循“管超前、严注浆、短进尺、强支护、紧封闭、勤量测”十八字方针。

(7)施工过程中加强监测，做到信息化施工。

(8)制定详细、有针对性的应急预案。

4 位移控制指标

结合地铁施工对地下通道结构可能产生的危害，参考原通道设计及竣工资料，分析得出地下通道位移应满足的控制指标。

(1)通道结构基础纵向(通道内部人行方向)不均匀沉降控制值每5 m为5 mm，底板新增倾斜度小于1/1 000。

(2)通道结构基础横向(通道顶部行车方向)两侧侧墙与跨中3点，各相邻点不均匀沉降控制值为2.5 mm。

(3)通道侧墙倾斜度小于1/1 500。

(4)通道间变形缝两侧高差控制值为3 mm。

(5)通道整体均匀沉降为15 mm。

5 数值计算分析

5.1 数值模型的建立

采用MIDAS GTS有限元分析软件建立2号竖井横通道临近西南地下通道三维有限元分析模型(见图2)。模型尺寸:X、Y、Z方向上长度分别约为83.5 m、60 m、83.6 m；边界约束:底部约束X、Y、Z方向位移，四周约束X、Z方向位移，上表面为自由面。土体、竖井及横通道加固体均采用实体单元模拟；竖井支护、横通道初期支护及地下通道结构均采用板单元模拟。模型中2号竖井横通道与西南地下通道的相对位置关系如图3所示。

图2 三维有限元分析模型

图3 地下通道与竖井、横通道相对位置关系

5.2 计算参数

模型共分14个土层，各土层物理力学参数见表1，地下通道与竖井、横通道材料参数见表2。

表1 土体物理力学参数

续表1

表2 _材料计算取值

5.3 模拟工序

竖井分层开挖支护，开挖深度为38.233 m，分26层进行模拟。竖井开挖结束后，进行横通道施工，横通道分段开挖支护，按照断面和加固的不同，分4段进行模拟。

5.4 计算结果与分析

地下通道最靠近竖井横通道的断面受施工影响最大，本文主要以该断面内各个开挖工况对地下通道监测点位移为研究对象，分析竖井横通道开挖对地下通道横断面的位移影响规律。该断面内监测点布置如图4所示。

图4 计算分析断面及监测点布置

5.4.1 位移计算结果分析

顶板位置设置3个监测点，各测点沉降随施工步变化情况如图5所示。

通过图5可以看出，各监测点的沉降值在不同施工步下的变化规律一致。竖井施工前期，顶板三个测点的沉降值相差不大，部分竖井开挖深度内沉降有所减小；竖井开挖至24.73 m时，顶板位置出现了一定的不均匀沉降。竖井施工后，B点的沉降值在顶板三个测点中最大，为5.76 mm；横通道分段施工后，B点最终沉降量为6.35 mm，沉降量增加0.59 mm。A点最终沉降量为5.67 mm，沉降量增加0.74 mm；C点最终沉降量为5.93 mm，沉降量增大0.65 mm。

图5 顶板测点沉降随施工步变化曲线

顶板位置由竖井开挖引起的沉降量约占总沉降的86.8%～90.6%，横通道施工引起沉降量约占总沉降的9.3%～13.1%。造成这种沉降量分布规律的主要原因为竖井与地下通道距离较近，施工影响大，而横通道在平面位置上与地下通道虽然较近，但空间距离远，开挖产生的扰动较小，故仅产生了9.3%～13.1%左右的沉降量。

底板位置设置3个监测点，各测点沉降随施工步变化情况如图6所示。

图6 底板测点沉降随施工步变化曲线

通过图6可以看出，在本次模拟中，底板沉降规律与顶板非常相似。竖井施工前期，底板三个测点的沉降值相差不大，部分竖井开挖深度内沉降有所减小；竖井开挖至24.73 m时，底板位置出现了一定的不均匀沉降。竖井施工后，G点的沉降值在顶板三个测点中最大，为5.81 mm；横通道分段施工后，G点最终沉降量为6.41 mm，沉降量增加0.60 mm。F点最终沉降量为5.71 mm，沉降量增加0.75 mm；H点最终沉降量为6.05 mm，沉降量增大0.68 mm。

底板位置由竖井开挖引起的沉降量约占总沉降的86.8%～90.7%，横通道施工引起沉降量约占总沉降的9.2%～13.1%。造成这种沉降量分布规律的主要原因与顶板相似。

对于侧墙位置2个监测点D和E，主要监测其水平位移值，监测结果如图7所示。

图7 侧墙测点水平位移随施工步变化曲线

通过图7可以看出，竖井施工前期，侧墙两测点水平位移值基本一致；竖井开挖至24.73 m后，两测点水平位移值出现差异；竖井施工后，两测点水平位移值基本接近整个施工过程中的峰值，且D点水平位移值(0.42 mm)大于E点水平位移值(0.32 mm)；横通道施工阶段，两测点水平位移大幅度减小，D点最终水平位移值为0.1 mm，减小了0.32 mm，E点水平位移值为-0.05 mm，减小了0.37 mm。水平位移值较小的原因主要为地下通道埋深浅，侧土压力较小，同时有整体支护结构的存在，竖井横通道施工过程中侧土压力变化值较小，侧墙的水平位移主要由不均匀沉降引起，故水平位移值一直保持较小状态。

5.4.2 位移控制效果分析

针对第4节的各项位移控制指标，分析竖井横通道施工引起的地下通道位移是否满足要求。

(1)纵向不均匀沉降及整体沉降

地下通道基础纵向(通道内部人行方向)不均匀沉降控制值每5 m为5 mm，底板纵向最小沉降、最大沉降及每5 m不均匀沉降随施工步变化如图8所示。

通过图8可以看出，竖井施工前期，纵向最大沉降、最小沉降及每5 m不均匀沉降均增大；随着竖井开挖深度的增大，纵向最小沉降有所减小，导致每5 m不均匀沉降逐渐增大；当竖井开挖至24.3 m时，最大沉降增大幅度大于最小沉降，每5 m不均匀沉降再次增大；横通道施工阶段，最小沉降变化不大，最大沉降继续增大，每5 m不均匀沉降继续增大。在竖井横通道施工过程中，竖井施工引起的不均匀沉降约占85%，最终稳定值为0.82 mm；竖井施工引起的最大沉降约占90%，最终稳定值为6.41 mm。纵向不均匀沉降和最大沉降均能满足控制标准。

图8 纵向最小沉降、最大沉降及每5 m不均匀沉降随施工步变化曲线

(2)横向不均匀沉降

对于地下通道顶板和底板的侧墙和跨中位置，相邻点不均匀沉降随施工步变化如图9、图10所示。

图9 顶板侧墙和跨中位置相邻点不均匀沉降随施工步变化曲线

图10 底板侧墙和跨中位置相邻点不均匀沉降随施工步变化曲线

通过图9、图10可以看出，顶板和底板的侧墙和跨中位置相邻点不均匀沉降变化规律一致。竖井施工前期，侧墙和跨中位置相邻点不均匀沉降较小，在0.2 mm范围内变化；当竖井开挖至24.3 m时，侧墙和跨中位置相邻点不均匀沉降以较大幅度增大；横通道第一、二段施工后，侧墙和跨中位置相邻点不均匀沉降基本不变，其值在第三、四段施工后有所减小。在竖井横通道施工过程中，顶板和底板的侧墙和跨中位置相邻点不均匀沉降最大值分别为0.84 mm、0.86 mm，均满足控制标准。

(3)侧墙倾斜

地下通道侧墙倾斜度须满足1/1 500的要求，以施工步为横坐标轴，以倾斜度倒数为纵坐标，绘制侧墙倾斜度倒数随施工步变化曲线(见图11)。

图11 侧墙测点水平位移随施工步变化曲线

通过图11可以看出，竖井施工前期，侧墙倾斜度较小，随着竖井开挖深度加大，倾斜度以较大幅度增大；当竖井开挖至9.4 m时，倾斜度趋于平稳；当竖井开挖至24.3 m时，倾斜度再次增大；横通道施工阶段，侧墙倾斜度变化很小，且通道两侧侧墙倾斜度基本一致。在竖井横通道施工过程中，侧墙倾斜度最大值为1/7 620，满足1/1 500的控制要求。

6 结束语

(1)北京地铁12号线大钟寺站-蓟门桥站暗挖区间2号竖井临近西南地下通道，环境因素复杂，存在施工风险，除洞内保护措施外，地面深孔注浆措施同样必要。

(2)竖井横通道施工过程中各项位移指标均满足控制标准，且距离最大允许位移值尚有一定的余量，表明地下通道处于安全状态。

(3)竖井引起的地下通道位移占总位移量的87%以上，横通道施工阶段地下通道位移占总位移量的13%以下，甚至部分位移项在横通道施工阶段有所减小。竖井施工对地下通道影响远大于横通道施工，是施工控制关键工序。

(4)竖井横通道施工过程中，需加强现场监测，并根据监测结果及时调整施工参数，确保地下通道安全。