周春鋒

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600)

1 引言

隨著城市建設(shè)發(fā)展，越來(lái)越多的地下空間被開(kāi)發(fā)利用，新規(guī)劃地鐵線路的建設(shè)必然會(huì)出現(xiàn)地鐵線路臨近各種既有建筑物或構(gòu)筑物的情況[1-3]。目前地鐵結(jié)構(gòu)在城市交通繁忙區(qū)域多采用暗挖法施工。暗挖施工存在一定的施工風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)其臨近既有建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)給建筑物的安全帶來(lái)影響[4-6]。

當(dāng)暗挖地鐵車站或區(qū)間過(guò)長(zhǎng)或體量過(guò)大時(shí)，通常會(huì)設(shè)置豎井、橫通道，增加工作面，以加快施工進(jìn)度，縮短工期[7-8]。對(duì)于豎井橫通道臨近建筑物，一些文獻(xiàn)從理論分析、施工技術(shù)及數(shù)值模擬等方面進(jìn)行了詳細(xì)分析:吳志剛[9]對(duì)地鐵車站暗挖豎井臨近建筑物的施工控制要點(diǎn)進(jìn)行了分析；王吉華[10]針對(duì)地鐵暗挖區(qū)間豎井及橫通道穿越建筑及生活垃圾填埋層的情況，提出了豎井內(nèi)外注漿加固、洞內(nèi)深孔注漿加固、降低拱頂標(biāo)高、施作臨時(shí)管道和洞內(nèi)長(zhǎng)短導(dǎo)管結(jié)合的綜合施工技術(shù)；田亮[11]等結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法，探討了鋼支撐、開(kāi)挖深度、管徑、埋深對(duì)鄰近地埋管線的影響；閆國(guó)棟[12]對(duì)地鐵施工橫通道轉(zhuǎn)區(qū)間正線處下穿既有建筑沉降控制進(jìn)行了研究。綜上所述，目前關(guān)于暗挖地鐵結(jié)構(gòu)豎井橫通道對(duì)周邊建筑物影響的研究很少，可借鑒的工程案例少，因此，開(kāi)展暗挖地鐵結(jié)構(gòu)的豎井橫通道對(duì)周邊影響分析有一定的工程價(jià)值。

2 工程概況

北京地鐵12號(hào)線大鐘寺站-薊門橋站區(qū)間(以下簡(jiǎn)稱大薊區(qū)間)為暗挖區(qū)間，采用礦山法施工。區(qū)間起點(diǎn)位于大鐘寺市場(chǎng)東路與北三環(huán)西路路口西側(cè)的大鐘寺站，區(qū)間線路沿北三環(huán)西路路中敷設(shè)，終點(diǎn)位于薊門橋區(qū)的薊門橋站。區(qū)間左線、右線長(zhǎng)度均為835.10 m(其中左線含長(zhǎng)鏈0.549 m、短鏈0.684 m)，線間距為15～17.2 m，區(qū)間埋深25.4～32.6 m。區(qū)間設(shè)置2個(gè)施工豎井與橫通道:1號(hào)、2號(hào)施工豎井橫通道，其中1號(hào)豎井橫通道兼做聯(lián)絡(luò)通道(見(jiàn)圖1)。

圖1 大薊區(qū)間與西南地下通道位置關(guān)系

3 風(fēng)險(xiǎn)保護(hù)措施

(1)豎井采用倒掛井壁法施作，嚴(yán)格控制地層沉降。

(2)格柵鋼架間距在馬頭門進(jìn)洞位置加密為0.4 m，馬頭門進(jìn)洞處聯(lián)立三榀鋼架并封閉。

(3)及時(shí)進(jìn)行初支背后注漿，必要時(shí)進(jìn)行多次補(bǔ)漿。初期支護(hù)背后注漿以初期支護(hù)與土層的密貼為原則，漿液采用水泥漿或水泥砂漿，注漿壓力控制在0.3～0.5 MPa左右。

(4)臨近西南通道側(cè)采用地面深孔注漿加固地層，確保施工過(guò)程中地層強(qiáng)度滿足地面沉降要求。注漿壓力0.8～1.0 MPa，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度0.8 MPa，滲透系數(shù)小于1×10-6cm/s，加固半徑小于0.5 m。

(5)橫通道采用臺(tái)階法，減少開(kāi)挖面高度，同時(shí)在拱頂上方180°外1.5 m、內(nèi)0.5 m范圍內(nèi)采用地面深孔注漿加固地層，嚴(yán)格控制地層沉降。

(6)施工過(guò)程嚴(yán)格遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、緊封閉、勤量測(cè)”十八字方針。

(7)施工過(guò)程中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，做到信息化施工。

(8)制定詳細(xì)、有針對(duì)性的應(yīng)急預(yù)案。

4 位移控制指標(biāo)

結(jié)合地鐵施工對(duì)地下通道結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的危害，參考原通道設(shè)計(jì)及竣工資料，分析得出地下通道位移應(yīng)滿足的控制指標(biāo)。

(1)通道結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)縱向(通道內(nèi)部人行方向)不均勻沉降控制值每5 m為5 mm，底板新增傾斜度小于1/1 000。

(2)通道結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)橫向(通道頂部行車方向)兩側(cè)側(cè)墻與跨中3點(diǎn)，各相鄰點(diǎn)不均勻沉降控制值為2.5 mm。

(3)通道側(cè)墻傾斜度小于1/1 500。

(4)通道間變形縫兩側(cè)高差控制值為3 mm。

(5)通道整體均勻沉降為15 mm。

5 數(shù)值計(jì)算分析

5.1 數(shù)值模型的建立

采用MIDAS GTS有限元分析軟件建立2號(hào)豎井橫通道臨近西南地下通道三維有限元分析模型(見(jiàn)圖2)。模型尺寸:X、Y、Z方向上長(zhǎng)度分別約為83.5 m、60 m、83.6 m；邊界約束:底部約束X、Y、Z方向位移，四周約束X、Z方向位移，上表面為自由面。土體、豎井及橫通道加固體均采用實(shí)體單元模擬；豎井支護(hù)、橫通道初期支護(hù)及地下通道結(jié)構(gòu)均采用板單元模擬。模型中2號(hào)豎井橫通道與西南地下通道的相對(duì)位置關(guān)系如圖3所示。

圖2 三維有限元分析模型

圖3 地下通道與豎井、橫通道相對(duì)位置關(guān)系

5.2 計(jì)算參數(shù)

模型共分14個(gè)土層，各土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，地下通道與豎井、橫通道材料參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

續(xù)表1

表2 _材料計(jì)算取值

5.3 模擬工序

豎井分層開(kāi)挖支護(hù)，開(kāi)挖深度為38.233 m，分26層進(jìn)行模擬。豎井開(kāi)挖結(jié)束后，進(jìn)行橫通道施工，橫通道分段開(kāi)挖支護(hù)，按照斷面和加固的不同，分4段進(jìn)行模擬。

5.4 計(jì)算結(jié)果與分析

地下通道最靠近豎井橫通道的斷面受施工影響最大，本文主要以該斷面內(nèi)各個(gè)開(kāi)挖工況對(duì)地下通道監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移為研究對(duì)象，分析豎井橫通道開(kāi)挖對(duì)地下通道橫斷面的位移影響規(guī)律。該斷面內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 計(jì)算分析斷面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

5.4.1 位移計(jì)算結(jié)果分析

頂板位置設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)沉降隨施工步變化情況如圖5所示。

通過(guò)圖5可以看出，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值在不同施工步下的變化規(guī)律一致。豎井施工前期，頂板三個(gè)測(cè)點(diǎn)的沉降值相差不大，部分豎井開(kāi)挖深度內(nèi)沉降有所減??；豎井開(kāi)挖至24.73 m時(shí)，頂板位置出現(xiàn)了一定的不均勻沉降。豎井施工后，B點(diǎn)的沉降值在頂板三個(gè)測(cè)點(diǎn)中最大，為5.76 mm；橫通道分段施工后，B點(diǎn)最終沉降量為6.35 mm，沉降量增加0.59 mm。A點(diǎn)最終沉降量為5.67 mm，沉降量增加0.74 mm；C點(diǎn)最終沉降量為5.93 mm，沉降量增大0.65 mm。

圖5 頂板測(cè)點(diǎn)沉降隨施工步變化曲線

頂板位置由豎井開(kāi)挖引起的沉降量約占總沉降的86.8%～90.6%，橫通道施工引起沉降量約占總沉降的9.3%～13.1%。造成這種沉降量分布規(guī)律的主要原因?yàn)樨Q井與地下通道距離較近，施工影響大，而橫通道在平面位置上與地下通道雖然較近，但空間距離遠(yuǎn)，開(kāi)挖產(chǎn)生的擾動(dòng)較小，故僅產(chǎn)生了9.3%～13.1%左右的沉降量。

底板位置設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)沉降隨施工步變化情況如圖6所示。

圖6 底板測(cè)點(diǎn)沉降隨施工步變化曲線

通過(guò)圖6可以看出，在本次模擬中，底板沉降規(guī)律與頂板非常相似。豎井施工前期，底板三個(gè)測(cè)點(diǎn)的沉降值相差不大，部分豎井開(kāi)挖深度內(nèi)沉降有所減??；豎井開(kāi)挖至24.73 m時(shí)，底板位置出現(xiàn)了一定的不均勻沉降。豎井施工后，G點(diǎn)的沉降值在頂板三個(gè)測(cè)點(diǎn)中最大，為5.81 mm；橫通道分段施工后，G點(diǎn)最終沉降量為6.41 mm，沉降量增加0.60 mm。F點(diǎn)最終沉降量為5.71 mm，沉降量增加0.75 mm；H點(diǎn)最終沉降量為6.05 mm，沉降量增大0.68 mm。

底板位置由豎井開(kāi)挖引起的沉降量約占總沉降的86.8%～90.7%，橫通道施工引起沉降量約占總沉降的9.2%～13.1%。造成這種沉降量分布規(guī)律的主要原因與頂板相似。

對(duì)于側(cè)墻位置2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)D和E，主要監(jiān)測(cè)其水平位移值，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7所示。

圖7 側(cè)墻測(cè)點(diǎn)水平位移隨施工步變化曲線

通過(guò)圖7可以看出，豎井施工前期，側(cè)墻兩測(cè)點(diǎn)水平位移值基本一致；豎井開(kāi)挖至24.73 m后，兩測(cè)點(diǎn)水平位移值出現(xiàn)差異；豎井施工后，兩測(cè)點(diǎn)水平位移值基本接近整個(gè)施工過(guò)程中的峰值，且D點(diǎn)水平位移值(0.42 mm)大于E點(diǎn)水平位移值(0.32 mm)；橫通道施工階段，兩測(cè)點(diǎn)水平位移大幅度減小，D點(diǎn)最終水平位移值為0.1 mm，減小了0.32 mm，E點(diǎn)水平位移值為-0.05 mm，減小了0.37 mm。水平位移值較小的原因主要為地下通道埋深淺，側(cè)土壓力較小，同時(shí)有整體支護(hù)結(jié)構(gòu)的存在，豎井橫通道施工過(guò)程中側(cè)土壓力變化值較小，側(cè)墻的水平位移主要由不均勻沉降引起，故水平位移值一直保持較小狀態(tài)。

5.4.2 位移控制效果分析

針對(duì)第4節(jié)的各項(xiàng)位移控制指標(biāo)，分析豎井橫通道施工引起的地下通道位移是否滿足要求。

(1)縱向不均勻沉降及整體沉降

地下通道基礎(chǔ)縱向(通道內(nèi)部人行方向)不均勻沉降控制值每5 m為5 mm，底板縱向最小沉降、最大沉降及每5 m不均勻沉降隨施工步變化如圖8所示。

通過(guò)圖8可以看出，豎井施工前期，縱向最大沉降、最小沉降及每5 m不均勻沉降均增大；隨著豎井開(kāi)挖深度的增大，縱向最小沉降有所減小，導(dǎo)致每5 m不均勻沉降逐漸增大；當(dāng)豎井開(kāi)挖至24.3 m時(shí)，最大沉降增大幅度大于最小沉降，每5 m不均勻沉降再次增大；橫通道施工階段，最小沉降變化不大，最大沉降繼續(xù)增大，每5 m不均勻沉降繼續(xù)增大。在豎井橫通道施工過(guò)程中，豎井施工引起的不均勻沉降約占85%，最終穩(wěn)定值為0.82 mm；豎井施工引起的最大沉降約占90%，最終穩(wěn)定值為6.41 mm?？v向不均勻沉降和最大沉降均能滿足控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 縱向最小沉降、最大沉降及每5 m不均勻沉降隨施工步變化曲線

(2)橫向不均勻沉降

對(duì)于地下通道頂板和底板的側(cè)墻和跨中位置，相鄰點(diǎn)不均勻沉降隨施工步變化如圖9、圖10所示。

圖9 頂板側(cè)墻和跨中位置相鄰點(diǎn)不均勻沉降隨施工步變化曲線

圖10 底板側(cè)墻和跨中位置相鄰點(diǎn)不均勻沉降隨施工步變化曲線

通過(guò)圖9、圖10可以看出，頂板和底板的側(cè)墻和跨中位置相鄰點(diǎn)不均勻沉降變化規(guī)律一致。豎井施工前期，側(cè)墻和跨中位置相鄰點(diǎn)不均勻沉降較小，在0.2 mm范圍內(nèi)變化；當(dāng)豎井開(kāi)挖至24.3 m時(shí)，側(cè)墻和跨中位置相鄰點(diǎn)不均勻沉降以較大幅度增大；橫通道第一、二段施工后，側(cè)墻和跨中位置相鄰點(diǎn)不均勻沉降基本不變，其值在第三、四段施工后有所減小。在豎井橫通道施工過(guò)程中，頂板和底板的側(cè)墻和跨中位置相鄰點(diǎn)不均勻沉降最大值分別為0.84 mm、0.86 mm，均滿足控制標(biāo)準(zhǔn)。

(3)側(cè)墻傾斜

地下通道側(cè)墻傾斜度須滿足1/1 500的要求，以施工步為橫坐標(biāo)軸，以傾斜度倒數(shù)為縱坐標(biāo)，繪制側(cè)墻傾斜度倒數(shù)隨施工步變化曲線(見(jiàn)圖11)。

圖11 側(cè)墻測(cè)點(diǎn)水平位移隨施工步變化曲線

通過(guò)圖11可以看出，豎井施工前期，側(cè)墻傾斜度較小，隨著豎井開(kāi)挖深度加大，傾斜度以較大幅度增大；當(dāng)豎井開(kāi)挖至9.4 m時(shí)，傾斜度趨于平穩(wěn)；當(dāng)豎井開(kāi)挖至24.3 m時(shí)，傾斜度再次增大；橫通道施工階段，側(cè)墻傾斜度變化很小，且通道兩側(cè)側(cè)墻傾斜度基本一致。在豎井橫通道施工過(guò)程中，側(cè)墻傾斜度最大值為1/7 620，滿足1/1 500的控制要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

(1)北京地鐵12號(hào)線大鐘寺站-薊門橋站暗挖區(qū)間2號(hào)豎井臨近西南地下通道，環(huán)境因素復(fù)雜，存在施工風(fēng)險(xiǎn)，除洞內(nèi)保護(hù)措施外，地面深孔注漿措施同樣必要。

(2)豎井橫通道施工過(guò)程中各項(xiàng)位移指標(biāo)均滿足控制標(biāo)準(zhǔn)，且距離最大允許位移值尚有一定的余量，表明地下通道處于安全狀態(tài)。

(3)豎井引起的地下通道位移占總位移量的87%以上，橫通道施工階段地下通道位移占總位移量的13%以下，甚至部分位移項(xiàng)在橫通道施工階段有所減小。豎井施工對(duì)地下通道影響遠(yuǎn)大于橫通道施工，是施工控制關(guān)鍵工序。

(4)豎井橫通道施工過(guò)程中，需加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，確保地下通道安全。