陶連金， 蔡東明， 李文博， 黃 俊， 王文沛

(北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)教育部重點實驗室，北京 100124)

北京深埋暗挖地下工程施工及設(shè)計方法構(gòu)思

陶連金， 蔡東明， 李文博， 黃 俊， 王文沛

(北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)教育部重點實驗室，北京 100124)

針對北京深埋暗挖地下工程的關(guān)鍵問題，構(gòu)思城市深埋暗挖地下工程施工及設(shè)計方法。提出以新意法為主體，充分借鑒淺埋暗挖法的現(xiàn)有技術(shù)，將新意法與淺埋暗挖法的設(shè)計思想相結(jié)合，形成一種深埋暗挖地下工程的綜合施工方法。即以新意法的超前加固核心土為基礎(chǔ)，安全評估階段需要采用雙控標(biāo)準(zhǔn)(超前核心土的變形和既有結(jié)構(gòu)的變形);設(shè)計及施工階段，對于區(qū)間隧道采用全斷面超前加固，全斷面開挖;對于大斷面車站結(jié)構(gòu)采用超前加固，分斷面開挖。監(jiān)控量測階段，需要監(jiān)測超前核心土的預(yù)收斂變形和擠出變形、既有結(jié)構(gòu)的變形、孔隙水壓力等信息，并根據(jù)監(jiān)測信息及時調(diào)整施工措施和地下水控制方法。該構(gòu)設(shè)思路理論上適用于北京深埋暗挖地下工程的構(gòu)筑。

深埋地下工程;淺埋暗挖法;新意法;施工;設(shè)計

0 引言

隨著北京2020年地鐵規(guī)劃線網(wǎng)的加密，三線換乘甚至四線換乘地鐵車站已開始出現(xiàn)，多線車站換乘要求新修車站必須下穿既有車站。地鐵車站的下穿致使地鐵埋深增加，地鐵埋深至45 m以下已成必然。據(jù)統(tǒng)計，1969～2000年期間，1號線、2號線車站最大埋深為20 m;2001～2008年期間，5號線、10號線一期等車站最大埋深為26.3 m;2009～2015年期間，6號線、7號線、16號線等車站最大埋深為40 m;2016～2020年期間，R1線、3號線等車站最大埋深將達到48.3 m。

北京城區(qū)位于永定河洪積沖積扇地形的脊背上，地表層為第四紀(jì)洪沖積物，主要是砂卵石、砂粉土及黏性土，呈互層分布。深埋地下結(jié)構(gòu)所處地層主要為卵石、粉細砂及中粗砂層，均處于潛水或承壓水含水層內(nèi)。砂卵石地層是一種典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層，其特征是結(jié)構(gòu)松散、弱膠結(jié)，呈大小不等的顆粒狀。在這種地層進行隧道開挖時，掌子面及洞周土體容易失穩(wěn)。另外，所處地層地下水發(fā)育時，粉細砂層易發(fā)生流砂現(xiàn)象。地鐵沿線第四系地層中賦存上層滯水、潛水及承壓水。在地表下埋深40 m內(nèi)主要賦存3層地下水:第1層屬上層滯水，根據(jù)區(qū)域地下水觀測資料，該層地下水當(dāng)前水位埋深4～8 m;第2層賦存于地面下埋深10～20 m間的砂、卵石層中，其地下水類型屬層間潛水;第3層賦存于地面下埋深20 m以下的砂、卵石層中，其地下水類型屬潛水—承壓水，補給充沛且有壓。承壓水的存在將嚴(yán)重影響隧道掌子面的穩(wěn)定性，易導(dǎo)致地層失穩(wěn)，發(fā)生塌方。即深埋后地下結(jié)構(gòu)將普遍受到潛水和承壓水的共同作用，造成施工過程中的地下水控制困難和風(fēng)險加大、隧道防排水復(fù)雜。深埋地下工程的圍巖—支護結(jié)構(gòu)相互作用關(guān)系與淺埋相比將會有本質(zhì)差異，因此，復(fù)雜的深埋地下工程修建對傳統(tǒng)的施工及設(shè)計方法提出了挑戰(zhàn)。

淺埋暗挖法［1］是在第四紀(jì)軟弱地層中修建隧道的方法，其核心原理是新奧法(New Austrian Tunneling Method)，即在施工中采用輔助措施加固圍巖，充分調(diào)動圍巖的自承能力，開挖之后及時進行支護，封閉成環(huán)。其實質(zhì)內(nèi)涵可用18字原則來闡明，即“管超前”、“嚴(yán)注漿”、“短開挖”、“強支護”、“快封閉”和“勤量測”。隨著工程實踐和理論研究的不斷深入，北京地鐵淺埋暗挖技術(shù)在開挖工法、超前支護、施工降水、監(jiān)控量測等方面取得了較大發(fā)展［2］。盡管淺埋暗挖工法趨于完善，但也并非適用于任何條件。選用淺埋暗挖法的基本適用條件是不允許帶水施工。隨著環(huán)保意識的提高，人們己經(jīng)開始認識到全線降水施工法會給環(huán)境造成較大負面影響，如地面沉降、鄰近建筑物與地下管線的破壞等。再加上深埋地下工程所在地層中賦存承壓水，補給充沛，即使采用全線降水施工法，也不能保證在深埋地下工程施工過程中實現(xiàn)“無水”施工。顯然，淺埋暗挖工法無法有效解決在含承壓水地層中構(gòu)筑暗挖車站和區(qū)間隧道的難題，這就需要尋求一種新的施工及設(shè)計方法來有效指導(dǎo)深埋地下工程的構(gòu)筑。

Pietro Lunardi教授通過對數(shù)百座隧道進行理論和現(xiàn)場試驗研究，在圍巖的壓力拱理論和新奧法施工理論的基礎(chǔ)上逐步創(chuàng)立了巖土控制變形分析法(ADECO－RS法)。該方法用中文解釋為“新意法”［3－4］。在過去約10年間，新意法被意大利公路及鐵路領(lǐng)域廣泛采用并納入規(guī)范，現(xiàn)在亦廣泛應(yīng)用于歐洲其他國家的隧道建設(shè)項目。和淺埋暗挖法相比，該工法不但考慮到了隧道后方的變形影響，同時重點考慮前方工作面巖土體的變形對隧道穩(wěn)定性的影響，并以此為基礎(chǔ)對施工方法進行指導(dǎo)性的選擇。城市深埋暗挖地下工程施工面臨最大問題是在承壓水作用下如何保證掌子面的穩(wěn)定性，這恰好和新意法的核心理念相對應(yīng)。因此，可以以此作為出發(fā)點，探討新意法在城市深埋暗挖地下工程的適用性。

目前，新意法在我國還沒得到普及、推廣和應(yīng)用，工程實例和相關(guān)研究成果寥寥無幾，只有翟進營、肖廣智、王正松等學(xué)者對新意法進行了簡單的概述，還需要進一步從勘察、設(shè)計、評估、施工、監(jiān)測等方面探討如何使其更好地應(yīng)用于城市深埋暗挖地下工程。筆者對新意法的理論基礎(chǔ)、隧道設(shè)計及施工的基本步驟進行了簡要綜述，對新意法與淺埋暗挖法的異同點等方面作了比較。在此基礎(chǔ)上，探討淺埋暗挖工法和新意法在北京深埋暗挖地下工程中的適用性。針對北京城市深埋暗挖地下工程的關(guān)鍵問題，構(gòu)思城市深埋暗挖地下工程施工及設(shè)計方法。

1 ADECO－RS變形控制工法

1.1 ADECO－RS的核心思想

學(xué)者們歷經(jīng)二十余年分3個階段，通過對數(shù)百座隧道的研究，形成了ADECO－RS工法的核心思想［3－9］:其一，隧道開挖引起的圍巖變形反應(yīng)是從掌子面前方的核心土開始，逐步沿隧道往后發(fā)展，變形包括擠壓變形(ε)、預(yù)收斂(δ)以及收斂變形(u)，收斂變形是錯綜復(fù)雜應(yīng)力－應(yīng)變進程中的最后階段［1］，如圖1所示;第二，掌子面超前核心土體的變形與隧道最終收斂變形之間有直接的因果聯(lián)系，前者是因，后者是果，從而強調(diào)監(jiān)控掌子面超前核心巖土體系變形反應(yīng)的重要性，以控制掌子面超前核心土體的變形(擠壓變形、預(yù)收斂變形)來達到控制隧道收斂變形的目的。

圖1 隧道變形示意Fig.1 Sketch of tunnel deformation

1.2 ADECO－RS工法的步驟

ADECO－RS工法主要分為勘察、評價、設(shè)計、施工、監(jiān)控五個步驟［1－2，10］進行動態(tài)施工及設(shè)計。

1.2.1 勘察階段

這是ADECO－RSII法的第一個步驟，工程師必須對隧道擬穿越的地層進行詳細勘察，確定圍巖的力學(xué)和物理參數(shù)，并根據(jù)圍巖力學(xué)性質(zhì)預(yù)先判斷圍巖的穩(wěn)定性。

1.2.2 評價階段

運用在勘察階段獲取的信息，分析掌子面超前核心土體的基本應(yīng)力－應(yīng)變形態(tài)，同時得出三種隧道穩(wěn)定狀態(tài):掌子面穩(wěn)定型(A類，巖石型)、掌子面短期穩(wěn)定型(B類，黏性土型)、掌子面不穩(wěn)定型(C類，松散砂土型)。穩(wěn)定性分類［1］如圖2所示。

圖2 掌子面的穩(wěn)定性分類Fig.2 Stability classification of excavation face

1.2.3 設(shè)計階段

該步驟主要是根據(jù)前兩個階段的評價結(jié)果對隧道的加固措施提出具體設(shè)計方案。針對不同的掌子面穩(wěn)定類型選取不同的支護方案和超前核心土加固方法。加固超前核心土有兩個方法:一是保護性加固，在前方超前核心土周圍進行加固，這種加固可以保護超前核心土的自身強度和抗變形性能。例如，洞周水平注漿、旋噴纖維加固漿等措施;二是直接加固，采用適當(dāng)?shù)膸r土改良技術(shù)提高前方核心土的強度和抵抗變形性能。例如，用玻璃纖維錨桿加固。

1.2.4 施工階段

此階段根據(jù)設(shè)計方案，執(zhí)行隧道穩(wěn)定支護措施，運用包括注漿、水平旋噴、玻璃纖維錨桿等方法進行支護和預(yù)支護加固，并采用相應(yīng)的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)檢測加固效果。

1.2.5 監(jiān)控階段

這一步驟是通過監(jiān)控量測掌子面前方核心土的變形，驗證評價階段和設(shè)計階段的預(yù)測準(zhǔn)確性。其結(jié)果還將最終補充到掌子面的穩(wěn)定性設(shè)計中。監(jiān)測的主要內(nèi)容包括超前核心土的擠壓變形、預(yù)收斂變形及收斂變形。

2 淺埋暗挖法與新意法的比較

淺埋暗挖法沿用了新奧法的基本原理，本質(zhì)上講，新意法也是新奧法的繼承和發(fā)揚。三種工法的精髓基本相同，可詮釋為“保護圍巖，充分調(diào)動和發(fā)揮圍巖的自承載能力”。淺埋暗挖法和新意法均可用于第四紀(jì)軟弱地層中修建地下工程。淺埋暗挖法與新意法的主要區(qū)別是:

(1)淺埋暗挖法對地層變形反應(yīng)的分析僅限于掌子面的后方，僅對洞周收斂和地表沉降進行分析;新意法則不僅對掌子面后方的地層變形反應(yīng)(收斂)進行分析，而且更注重對掌子面及掌子面前方地層的變形反應(yīng)(掌子面擠出變形和預(yù)收斂)進行分析［1，11］。如圖 3a 所示。

(2)由于對地層變形反應(yīng)的分析方式不同，淺埋暗挖法與新意法對地層變形反應(yīng)的控制方式也不同。淺埋暗挖法采用輔助工法，重視前方輪廓的預(yù)加固，調(diào)動掌子面部分圍巖自承能力。采用分步開挖方法，將大斷面轉(zhuǎn)換成小斷面，以空間換取支護時間，使支護結(jié)構(gòu)盡快封閉成環(huán)，相當(dāng)于盡快給掌子面后方的圍巖施加徑向約束。為控制地表沉降，初期支護剛度要大、要及時，該工法屬于被動控制變形方法。新意法提出了淺埋暗挖法未提及的但很重要也很有價值的保護超前核心圍巖，充分調(diào)動和發(fā)揮超前核心圍巖的自承能力，這個方法是通過加固掌子面超前核心土體，提高其剛度和強度，對掌子面前方的土體提供超前約束作用，從而控制掌子面超前核心巖土的變形及防止圍巖失穩(wěn)塌方［1，10］。該工法屬于主動控制變形方法。兩法比較如圖3b所示。表1從勘查、評估、設(shè)計、開挖方式、輔助工法、監(jiān)測內(nèi)容等方面對新意法和淺埋暗挖法進行比較。表1中(Y)表示該項內(nèi)容適用北京深埋暗挖地下工程的構(gòu)筑，(N)表示該項內(nèi)容不適用。

圖3 淺埋暗挖法與新意法的地層變形反應(yīng)比較Fig.3 Compare of ground deformation response between shallow mining method and ADECO－RS method

表1 ADECO－RS工法與淺埋暗挖法的不同點及適用性Table 1 Differences and applicability between shallow mining method and ADECO－RS method

3 北京深埋地下工程施設(shè)方法的構(gòu)建

淺埋暗挖法和新意法都是在新奧法的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新和發(fā)展，最終形成了城市隧道施工的成套技術(shù)。它們有的是對已有技術(shù)的補充和發(fā)展，有的是原發(fā)性的技術(shù)創(chuàng)新，兩種工法在特定工程條件下都具有各自的優(yōu)勢。城市深埋暗挖地下工程施工方法需要圍繞這兩種工法構(gòu)建，它的構(gòu)建原則是，充分吸取新意法的精髓，利用淺埋暗挖法的成熟施工技術(shù)，最終形成一套符合實際條件的城市深埋暗挖地下工程修建技術(shù)。為了更好的利用現(xiàn)有的技術(shù)，以下從核心理念、安全評估、設(shè)計及施工、監(jiān)控量測、地下水控制等方面探討兩種工法在城市深埋暗挖地下工程的適用性。從經(jīng)濟、安全及環(huán)保的角度出發(fā)，確定城市深埋暗挖地下工程施工方法的構(gòu)建思路。如圖4所示。圖4中實線框的內(nèi)容代表新意法的技術(shù)，虛線框的內(nèi)容代表淺埋暗挖法的技術(shù)，灰色填充的內(nèi)容代表需進一步研究的工作。

圖4 北京深埋地下工程施工及設(shè)計方法的構(gòu)建思路Fig.4 Construction idea of deep buried tunnel construction and design method in Beijing

3.1 核心思想

城市深埋暗挖地下工程施工面臨的最大問題是在承壓水作用下如何保證掌子面的穩(wěn)定，這恰好和新意法的核心理念相對應(yīng)。新意法通過控制掌子面超前核心巖土體的變形(擠壓變形以及預(yù)收斂變形)來保證隧道開挖面的穩(wěn)定性，控制方法是采取相應(yīng)的超前加固措施來增加掌子面超前核心土體的剛度和強度。城市深埋暗挖地下工程可以采用控制掌子面超前核心巖土體變形的理念，通過監(jiān)測技術(shù)及時掌握掌子面前方圍巖的變形值(掌子面失穩(wěn)的內(nèi)因)，利用變形值判斷掌子面是否穩(wěn)定，及時調(diào)整加固措施，從而有效防止深埋地下工程開挖面的失穩(wěn)及突、涌水。

3.2 安全評估階段

和淺埋暗挖工程一樣，深埋暗挖地下工程同樣面臨近接施工的問題。設(shè)計工程師不僅需要按照掌子面的荷載－位移特征曲線、開挖引起的變形特點等方面評估掌子面的穩(wěn)定類型，還需要考慮新建深埋地下結(jié)構(gòu)對淺埋地下結(jié)構(gòu)、管線、地表的影響，評估既有結(jié)構(gòu)的變形是否滿足承載能力和運營安全的要求。因此，城市深埋暗挖地下工程的安全評估需要采用雙控標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 設(shè)計與施工階段

北京深埋地下工程所處地層為卵石地層，且賦存承壓水。對于區(qū)間隧道，按照新意法的掌子面穩(wěn)定性類型判定條件，屬于C類。在無加固情況下圍巖會立即進入滑動范圍，將會出現(xiàn)明顯的不穩(wěn)定現(xiàn)象，因此，需要對掌子面前方的超前核心土進行加固。加固措施應(yīng)采取復(fù)合防護技術(shù)(玻璃纖維錨桿或者水平旋噴注漿)，即在超前核心土的周圍形成超前約束效應(yīng)(保護性加固)，并對超前核心土進行直接加固(加固作用)，之后可以進行高效率的全斷面開挖。對于地鐵車站結(jié)構(gòu)，由于橫斷面過大，即使按照新意法對掌子面前方的超前核心土進行了加固，在承壓水作用下，采用全斷面的開挖方法，施工風(fēng)險性也會過高。如果將淺埋暗挖法的分斷面開挖和新意法相結(jié)合，一方面初期支護結(jié)構(gòu)能及時封閉，可以降低施工風(fēng)險，另一方面可以在分斷面的步序和玻璃纖維錨桿的加固數(shù)量和長度之間尋找一種平衡，兼顧經(jīng)濟性和安全性。

3.4 監(jiān)控量測階段

深埋暗挖地下工程首先需要對超前核心土的擠出變形和隧道收斂進行系統(tǒng)的監(jiān)測，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行及時處理和分析，然后決定隧道開挖掘進何時停止、何時開始進行下一循環(huán)的掌子面超前支護加固。另外，還需要監(jiān)測既有淺埋地下工程的變形，及時調(diào)整施工參數(shù)和加固措施，從而保證結(jié)構(gòu)的承載能力滿足要求和軌道運營安全。最后還需要監(jiān)測孔隙水壓力，據(jù)此針對性調(diào)整地下水的控制方案。和淺埋暗挖一樣，按照地層變形分配控制原理，將變形控制值分配到每個施工步序中，建立分步施工的控制標(biāo)準(zhǔn)。在施工階段，對比監(jiān)測結(jié)果與分步控制標(biāo)準(zhǔn)，隨時了解超前核心土和既有結(jié)構(gòu)的變形情況，分析變形過大或者急劇變形的原因，及時采取施工措施，將每一步的變形控制在安全范圍內(nèi)，從而達到整體控制目標(biāo)［12］。

3.5 地下水控制方式

受到臨近構(gòu)筑物的安全和環(huán)境問題兩方面因素的制約，深埋暗挖地下工程不能和淺埋地下工程一樣，采用全線降水。在施工階段，為了防止掌子面的失穩(wěn)和突、涌水，應(yīng)采用堵水和洞內(nèi)排水相結(jié)合的處理方式，并根據(jù)地下水壓力的監(jiān)測信息，及時調(diào)整地下水控制方法。尤其是在進行洞內(nèi)排水時，應(yīng)該正確布置排水管，防止地下水流滲透進掌子面超前核心土中。一旦有水滲入，前方超前核心土就難以有效地保持穩(wěn)定，整個工作面及隧道的穩(wěn)定性也就無從談起了。

4 研究建議與展望

為了確保北京深埋暗挖地下工程順利修建，工程技術(shù)及研究人員還需圍繞地下工程的施工及設(shè)計方法開展以下幾方面研究:

(1)深埋地下工程隧道周圍加固土體力學(xué)性質(zhì)的研究。利用室內(nèi)三軸實驗、剪切實驗及現(xiàn)場試驗，研究加固土體排水和不排水條件下的強度及變形特性，將土體類別、加固方法、力學(xué)參數(shù)建立聯(lián)系，得到加固土體參數(shù)取值表，為設(shè)計和變形分析提供參考。

(2)深埋暗挖地下工程最關(guān)鍵問題是承壓水作用下如何使掌子面穩(wěn)定，因此，需要建立考慮承壓水、加固措施的掌子面穩(wěn)定性評價模型。

(3)由于新意法的掌子面穩(wěn)定類型分類還很粗略，僅憑此確定深埋地下工程的支護方案尚欠準(zhǔn)確，或是支護強度不夠，或是富余量太大。所以，還需要針對北京深埋地層，將掌子面的穩(wěn)定類型進行細化，提出兼顧經(jīng)濟和安全的支護方案。

(4)預(yù)收斂變形和掌子面擠出變形的監(jiān)測技術(shù)在我國尚未得到推廣和應(yīng)用，需要在國外技術(shù)的基礎(chǔ)上消化吸收。

(5)在建工程中，選擇幾個典型的深埋區(qū)間(相對車站風(fēng)險性低)標(biāo)段，按照新意法和淺埋暗挖法相結(jié)合的思路，進行勘察、評估、施工、設(shè)計、監(jiān)測，總結(jié)一些對深埋地下工程修筑有價值的實測數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗。

5 結(jié)束語

北京深埋暗挖地下工程施工方法構(gòu)建原則是充分吸取新意法的精髓，利用淺埋暗挖法的成熟施工技術(shù)，最終形成一套符合中國國情的城市深埋暗挖地下工程修建技術(shù)。其具體結(jié)合方式是，以新意法的核心思想為基礎(chǔ)，安全評估階段需要采用雙控標(biāo)準(zhǔn)(超前核心土的變形和既有結(jié)構(gòu)的變形)。設(shè)計及施工階段，對于區(qū)間隧道采用全斷面超前加固，全斷面開挖。對于大斷面車站，采用超前加固，分斷面開挖。監(jiān)控量測階段，需要監(jiān)測超前核心土的預(yù)收斂變形和擠出變形、既有結(jié)構(gòu)的變形、孔隙水壓力。

目前，深埋暗挖地下工程還需要從加固土體參數(shù)、承壓水作用下的掌子面穩(wěn)定性評價、掌子面穩(wěn)定類型分類細化、支護方案優(yōu)化、預(yù)收斂的變形和掌子面擠出變形的監(jiān)測技術(shù)等方面開展研究。

筆者提出的北京深埋地下工程施工及設(shè)計方法的宏觀構(gòu)設(shè)思路，理論上適用于北京深埋暗挖地下工程的構(gòu)筑。該構(gòu)思還有待工程實踐的檢驗和進一步完善。

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Study on design and construction methods for deeply buried tunnels in Beijing

TAO Lianjin， CAI Dongming， LI Wenbo， HUANG Jun， WANG Wenpei
(Key Laboratory of Urban Security＆ Disaster Engineering，Ministry of Education，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

Aimed at eliminating key problems arising out of deeply buried tunnels in Beijing，this paper features framework for design and construction methods tailored to cities.The paper introduces a novel integrated construction method for deeply buried tunnel construction，dominated by ADECO-RS method，based on reference from state of the art technology of shallow tunneling operation in Beijing，and combined with shallow tunneling approaches currently available.The specific combination centred around advance core soil defined by the ADECO-RS method as the basis consists of the three following stages.Safety assessment stage means the necessity of imposing double control standard，including both the advance core soil deformation and the existing structure deformation;design and construction stage necessitates the adoption of full face advance reinforcement and full section excavation method for the interval tunnel between stations and bench section excavation method for large section subway station;the monitoring and measuring stage involves the necessity of measuring the advance core pre-convergence deformation and extrusion deformation，the existing structure deformation，and pore water pressure，along with timely adjusting the construction measures and groundwater control method based on the monitoring information.The method proves theoretically suited to deeply buried tunnels in Beijing.

deeply buried tunnel;shallow tunneling method;ADECO-RS;construction;design

TU 94

A

1671－0118(2012)04－0414－06

2012－07－04

北京市教育委員會科技發(fā)展計劃重點項目(KZ200910005009)

陶連金(1964－)，男，黑龍江省雞西人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向:巖土工程與地下工程，E-mail:ljtao@bjut.edu.cn。

(編輯 徐 巖)