双侧壁导坑法隧道不同工序施工地表沉降规律研究

王慨慷

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600)

1 引言

随着城市轨道交通建设加速推进，各种复杂环境条件逐渐增加，轨道交通工程施工受制约的情况也随之增多。为更好地应对各种客观因素，对轨道交通施工新工法、新工艺、新设备、新工序的研究从未间断。本文在结合理论计算及现场施工实测数据的基础上，对北京地铁6号线西延工程正常工序双侧壁导坑[1]断面施工引起地表变形进行分析，同时对12号线先上层导洞后下层导洞非常规双侧壁导坑法工序施工引起地表沉降变形进行分析，并对两种工序引起地表变形的变形值及变形规律进行对比研究，深层次挖掘双侧壁导坑法施工隧道的变形规律[2-3]，并为变形控制提供建议。

2 工程概况

(1)6号线西延双侧壁导坑法隧道

本次选取6号线西延工程线路中段一双侧壁导坑法隧道作为分析对象，该区间大断面为区间渡线段，采用双侧壁导坑法施工。隧道结构埋深约18 m，主要位于卵石层。隧道断面最大开挖宽度为13.2 m，开挖高度为10.2 m。

(2)12号线双侧壁导坑法隧道

选取12号线线路中西部一双侧壁导坑法隧道为分析对象，该区间大断面为区间停车线及渡线。隧道埋深约24 m，主要位于卵石层，隧道最大开挖宽度为12.3 m，开挖高度为10.1 m。

(3)工程地质与水文地质

6号线西延工程选取工点场地地质情况主要为卵石⑤层，结构底板位于地下水位以上，无需采用降水施工。

12号线选取工点场地地质情况为卵石⑦层，隧道结构埋深较大，底板位于地下水位以下，受地下水条件制约，下层导洞需采取降水施工。

(4)隧道参数

各导洞主要参数见表1。

表1 各导洞主要参数 m

所选取的两个工点结构断面尺寸相近，各导洞大小尺寸相似，隧道埋深略有差异，整体施工工序有所不同，隧道各导洞编号如图1所示。

图1 双侧壁导坑法隧道断面及各导洞编号

6号线西延选取工点双侧壁导坑法断面施工工序为①→②→③→④→⑤→⑥，为正常双侧壁导坑法隧道施工工序[4]；12号线选取工点双侧壁导坑断面施工工序为①→③→⑤→②→④→⑥，为先上层导洞后下层导洞施工工序。两个工点拆撑及二衬施工工序相同，均为由下向上先施作仰拱，后进行侧墙及拱部混凝土施工。

3 不同工序双侧壁导坑隧道施工变形数值分析

根据6号线西延工程及12号线双侧壁导坑法隧道施工工序及特点，建立三维有限元模型[5]，见图2。

针对两种工序分别进行仿真数值模拟计算[6]，模型参数根据6号线西延工程地层参数选取。通过同一种地层及结构参数，可计算分析不同工序带来的地层变形影响。

图2 双侧壁导坑法隧道模型

3.1 正常工序仿真模拟计算分析

针对正常双侧壁导坑法施工工序，选取各洞室上方部位典型考察点进行分析，6个导洞施工完成后其变形云图见图3。

图3 正常工序法施工完成沉降变形云图

考察点在各工序施工过程的累计变形值统计见表2，各测点分阶段变形百分比统计见表3。

表2 各测点分阶段变形值统计(正常工序) mm

表3 各测点分阶段变形百分比统计(正常工序)

3.2 先上后下工序仿真模拟计算分析

针对先施工上层导洞然后施工下层导洞的双侧壁导坑法施工工序，选取各洞室上方部位典型测点进行分析，施工完成后其变形云图如图4所示。

图4 先上后下工序法施工完成沉降变形云图

考察点在各工序施工过程的累计变形值统计见表4，各测点分阶段变形百分比见表5。

表4 各测点分阶段变形值统计(非正常工序) mm

表5 各测点分阶段变形百分比统计(非正常工序)

3.3 不同工序模型仿真模拟计算对比分析

通过对不同工序双侧壁导坑法隧道施工过程地表沉降理论变形分析可知:

(1)采用先上后下法施工时，其沉降量较传统双侧壁导坑法隧道地表沉降量大，增加变形量约为25%。

(2)采用正常工序施工的双侧壁导坑法隧道地表变形规律呈现出两侧导洞施工时，地表沉降量较大、中间导洞施工时变形量较小的规律。下层导洞施工时，先行施工的导洞对地表变形影响较其他两个导洞大，施工过程中，需针对各导洞施工过程对地表累计变形量的贡献值区别对待，以更好地控制地表变形。

(3)采用先上后下工序施工的双侧壁导坑法隧道地表变形规律表现为上层导洞施工时，轴线上方地表考察点出现明显沉降，而下层导洞施工时，对地表累计变形量贡献较小的规律。采取该工法时，需对上层导洞施工加强重视。

4 实测地表沉降变形规律分析

针对上述工况，选取6号线西延及12号线两处双侧壁导坑法隧道工程现场实测数据进行分析。测点布设剖面见图5。

图5 双侧壁导坑法隧道测点布设剖面(单位：mm)

4.1 6号线西延线大断面上方地表变形分析

选取6号线西延渡线大断面各导洞轴线上方14个监测点，测点最大沉降-30.92mm，平均变形-19.95mm。本工程双侧壁导坑断面上方地表测点沉降大部分处于-10～-25mm之间，变形分布呈现出较明显的正态分布规律。

选取大断面上方-10～-25mm沉降区间内典型主测断面上三个测点绘制沉降时程曲线(DB-07-32位于大断面③洞室上方，DB-07-16位于⑤洞室上方，GCY-02-09位于①洞室上方)，见图6。

图6 6号线西延大断面上方测点沉降时程曲线

根据变形时程曲线，对三个测点进行分阶段分析，其变形情况见表6～表7。

表6 各测点分阶段变形值统计(6号线) mm

表7 各测点分阶段变形百分比统计(6号线)

通过对上述三个部位监测点沉降变形进行分析可知，在正常工序双侧壁导坑法隧道施工过程中，位于两侧导洞轴线上方测点在两侧导洞施工时，呈现出在正下方导洞及邻近导洞施工时产生较大的沉降，而在远离测点部位导洞施工时，沉降量相对偏小的趋势。中间导洞轴线上方的测点在双侧壁导坑法隧道施工时，呈现出正下方导洞施工时产生较大沉降，而在两侧导洞施工时沉降量相对较小，但其所占比例相近的变形趋势。

4.2 12号线大断面上方地表变形分析

选取12号线双侧壁导坑法隧道大断面各导洞轴线上方14个监测点，测点最大沉降-29.48mm，平均变形-24.18mm。12号线双侧壁导坑断面上方测点大部分位于-20～-30mm之间，其中位于-25～-30mm之间变形值较为集中。

选取大断面上方三个测点绘制沉降时程曲线(SSG-31-01位于大断面③洞室上方，DB-12-04位于⑤洞室上方，DLG-32-01位于①洞室上方)，见图7。通过对比统计，总结出施工期间各洞室分步工序沉降比例统计数据，见表8～表9。

图7 12号线大断面上方测点沉降时程曲线

表8 各测点分阶段变形值统计(12号线) mm

表9 各测点分阶段变形百分比统计(12号线)

通过对上述三个部位监测点沉降变形进行分析可知，在先上后下工序双侧壁导坑法隧道施工过程中，上层导洞施工时，地表沉降量占总沉降量比重偏大，其中轴线正上方测点在该测点正下方导洞施工时，占比为31% ～33%，两侧导洞施工时，占比略有减小。

4.3 不同工序实测数据对比分析

由于12号线施工的双侧壁导坑法隧道埋深较大，根据隧道施工影响地表的变形规律，当断面相同，工法、工序相同时，埋深大的隧道其施工完成后对地表的影响要小于埋深浅的隧道。但本次对比中发现，采用先上后下法施工的双侧壁导坑法隧道其施工阶段对地表变形量的贡献值比6号线西延选取的传统工法双侧壁导坑法隧道变形值偏大。

在各导洞施工对总沉降的占比上，先上后下法施工隧道呈现出上层导洞施工期间对总沉降贡献占比较正常工序上层导洞较大的情况。

5 结论

通过对双侧壁导坑法隧道正常施工工序及先上后下法施工工序施工过程地表沉降规律的理论计算分析及现场实测数据分析，得到以下结论:

(1)采取传统工序双侧壁导坑法施工时，导洞施工对该导洞轴线正上方测点影响较大，对周边测点随距离增加逐渐减小。上层导洞施工对总沉降量的影响比例为79%～80%，轴线正上方导洞施工时，贡献百分比为30% ～33%，下层导洞施工对总沉降量影响的比例为19%～21%。

(2)采取先上后下法隧道施工时，上层导洞施工对地表影响较大，占总沉降量的84% ～87%。轴线正上方导洞施工时，贡献百分比为31% ～34%，上层导洞施工完成后，由于形成上层棚护作用，在下层导洞施工时，对地表造成的沉降量较传统工序造成的影响无论从绝对值还是从对总沉降量的占比分析均偏小，对总沉降量贡献百分比为13% ～16%。

(3)在地层情况相近时，采取传统工序双侧壁导坑法施工，其变形量比先上后下法隧道施工造成的地表沉降量偏小。采用先上后下法施工时，其总沉降量较传统工法增加达25%。在对控制沉降要求较严时，优先推荐传统工序双侧壁导坑法。