大跨地铁隧道穿越建筑施工变形监测与控制

1 引言

　　城市地铁暗挖隧道一般具有埋深浅、跨度大、周边建筑密集等特点。隧道埋深浅，薄覆盖层内软弱地层存在的几率较大，隧道开挖对周边地层扰动增强；开挖跨度大，意味着施工工艺复杂，施工工序多，施工难度大；穿越地表建筑，则表明地层变形控制要求严格。可见，隧道施工面临诸多困难，若支护设计或施工措施不当，很容易造成隧道支护结构失稳破坏，同时，较大的地层变形和地表沉降可能引起地表塌陷，周边建筑物破损、倾斜甚至倒塌。
　　针对浅埋暗挖隧道施工引起的地表沉降及其对周边环境的影响，国内外学者做了大量的工作。吴波等通过建立弹塑性渗流-应力耦合计算模型，研究了地铁隧道开挖与失水条件下的地表沉降规律；王金明等分析了浅埋地铁隧道施工工法对地表沉降的影响；李二兵等就九华山连拱隧道三导洞法施工对隧道支护结构及上方古城墙的影响进行了分析，并提出了相应的变形控制措施；张顶立等结合厦门机场路隧道下穿地表建筑群的工程实践，分析了隧道施工影响下地表建筑物变形规律、变形破坏模式，提出了以差异沉降和裂缝开展为主的建筑物变形控制标准。
　　分析表明，隧道施工工法对地层变形和地表沉降的影响大，但已有的研究主要针对三导洞法、CD法、CRD法施工的工程实践，有关大断面地铁隧道采用双侧壁导坑法穿越建筑施工的变形监测及变形控制的分析报道较少。本文结合深圳地铁某车站暗挖隧道施工各阶段的变形监测，详细分析了隧道围岩变形、地表及建筑物沉降随隧道开挖的发展规律，并提出了控制围岩大变形和保护地表建筑的工程措施，为类似地铁、城市隧道等穿越工程提供有益的借鉴和参考。

2 工程概况
　　深圳地铁2号线世界之窗站站南并线隧道位于世界之窗风景区内，下穿世界之窗景区办公楼及景区教堂，隧道全长48.3m。隧道最大开挖高度11.35m，最大开挖跨度16.54m，埋深15～17m，属浅埋大跨隧道；洞身地层基本为花岗岩残积土和砾（砂）质黏土，地下水埋深1.1～6.0m，围岩级别为Ⅵ级。本段隧道围岩软弱，地下水位高，且土层具有遇水软化、崩解，强度急剧降低的特点，对工程影响大。由于隧道结构断面大，埋深浅，穿越重要建筑物，沉降控制严格，因此采用双侧壁导坑法施工。隧道开挖和施工顺序如图1所示，左右导坑及中洞上下部错开一定距离开挖，初期支护紧跟。隧道采用复合式衬砌结构，以锚喷混凝土、钢筋网等为初期支护，并辅以超前注浆大管棚、格栅拱架、注浆钢花管等加强支护措施。二次衬砌采用C30防渗钢筋混凝土，厚度为1250px。
3 现场监测方案
　　由于隧道穿越世界之窗办公大楼和景区教堂，施工期间的建筑保护显得尤为重要。结合本工程的地质条件、隧道施工工艺和周边环境等特点，制定了洞内施工和洞周环境的变形监测方案。对于洞内，根据施工掘进进度，按纵向5m间距，同一横断面上同时布设拱顶沉降及水平收敛测点，拱顶下沉采用精密水准仪量测，水平收敛采用数显收敛计量测。对于地表，根据隧道与地面建筑的位置关系，布设了地表测点和建筑基础测点，同样采用精密水准仪测量。图1为洞内测点布置示意，地表及建筑测点布置如图2所示。




4 监测结果与分析
4.1 洞内监测结果分析
　　左右导坑及中洞初期支护后拱顶下沉纵向分布曲线如图3所示，因中洞开挖后部分水平收敛测点损坏，图4只给出左右导坑初期支护后水平收敛纵向分布。K14+793断面拱顶下沉和水平收敛时程曲线分别如图5、图6所示。








　　如图3所示，左、右导坑拱顶下沉纵向分布极不均匀，两端小，中间大。如右导坑拱顶下沉最大值约为100mm，最小值仅7mm，差异沉降达到93mm。在地质条件相近的地段，产生大沉降差，分析认为主要是因里程K14＋798～K14＋773段注浆加固不到位，加上此段地下水使围岩弱化明显，隧道周边大范围塑性流动，以致原有初期支护刚度不够，引起此段初期支护纵向开裂，产生较大的变形，图5的时程曲线可清晰看出。对此段围岩进行补强加固后，中洞拱顶下沉的纵向分布较均匀。从沉降量看，先开挖的右导坑较左导坑大，而两导坑拱顶下沉明显大于中洞，由此可见，受监测时间和围岩蠕变效应的影响，较早开挖部分变形量更大。

　　左、右导坑水平收敛纵向分布（如图4所示）结果显示其与拱顶下沉分布规律相似，比较而言，右导坑的变化更明显。
　　从拱顶下沉时间历程（如图5所示）看，导坑拱顶下沉存在如下5个阶段：
　　（1）导坑开挖，变形急剧发展阶段。因土层极软弱，加固效果不理想，导坑开挖后变形持续增大，导坑拱架连接节点处出现纵向裂缝，变形急剧增大，围岩已处塑性流动状态，此阶段变形占总变形量的60%左右。
　　（2）导坑加固，变形缓慢发展阶段。初期支护大变形发生后，进行了紧急临时加固，在此基础上，进一步采取增设二次初期支护、自进式锚杆及加强全断面注浆等措施。可以看出，此阶段变形发展缓慢，处理效果明显。
　　（3）导坑和中洞开挖，变形快速发展阶段。随着导坑的进一步开挖，同时中洞已开挖，拱顶下沉又迅速增大，此阶段变形占总变形量的20%左右。
　　（4）开挖完成，变化缓慢发展阶段，当掌子面向前开挖一定距离后，变形速率减缓，沉降曲线逐渐收敛；
　　（5）拆撑，变形较快发展阶段，随着临时支撑的拆除，变形速率有所增大，变形量平稳增加，此阶段变形占总变形量的8%左右。
　　水平收敛时间历程（如图6所示）结果显示，变形发展仅出现2个阶段，先是导坑开挖，变形急剧增加，这与拱顶下沉变化规律相同；之后采取强加固措施，后续施工引起的水平收敛很小，这与拱顶下沉在各阶段变化规律明显不同。
　　由图6可知，左右导坑施工阶段拱顶下沉和收敛变形都较明显，中洞施工阶段以拱顶下沉为主，收敛变形小，拱顶下沉是施工各阶段监测的重点。
4.2 地表监测结果分析
1）地表沉降
　　受施工场地限制，只在进洞口段地表布设了沉降测点（如图2所示），部分测点沉降时程曲线如图7所示。从图7可以看出，地表沉降的变化较为复杂，没有明显的规律性。分析认为地表动态跟踪注浆和地下水的波动，掩盖了隧道开挖引起地表沉降的实际变化，导致地表沉降波动较大，部分隆起，部分沉降，无明显规律。


2）建筑物沉降





　　如图8所示，办公楼沉降最大处位于隧道中线左侧，前排墙沉降最大值为72.7mm，后排墙为54.2mm，均超出30mm的容许变形量；从前后侧分析，前后排墙沉降有一定的差异，最大差异沉降约为20mm，前排墙沉降较后排墙沉降大，左侧差异沉降更大；从左右侧来看，处于隧道左侧的办公楼沉降均大于右侧，此特点在前排墙表现更为明显。由于办公楼为框架结构，且基础刚度远大于周围土体，因此，办公楼表现为明显的整体倾斜沉降，图中显示办公楼整体向左和前侧倾斜。对于向左侧倾斜，是因为未进洞前，多次降雨引起办公楼右侧地表局部沉陷，对此部分进行了多次强注浆加固，地层得到较大改善，因此隧道开挖引起办公楼右侧的变形反而较小，表现为办公楼向左倾斜；对于向前倾斜，主要是由于办公楼前排墙靠近地铁车站，车站施工引起办公楼前排墙的沉降更大，所以办公楼整体前倾。
　　从建筑沉降时间历程看如图9所示，建筑存在如下6个阶段：
　　（1）地表浅层预注浆加固阶段，此时建筑变形很小，变形随注浆呈上下波动状态。
　　（2）车站基坑开挖，变形迅速发展阶段。随着地铁车站基坑开挖，建筑变形速率增大，沉降量增加较快，此阶段沉降约20mm，占总沉降量的28%。
　　（3）导坑开挖，变形急剧发展阶段。与隧道第1阶段变形规律相同，导坑开挖后地表建筑变形持续增大，此时建筑物多处出现裂缝。从洞内和地表建筑同步监测结果得出，本阶段洞内沉降约50mm，相同位置对应的地表建筑沉降约22mm。此阶段沉降占总沉降量的30.5%。
　　（4）对应洞内变形的第2阶段，即为导坑加固，变形缓慢发展阶段。此阶段通过洞内加强支护，并进行地表注浆加固，变形发展缓慢，限制变形效果明显。
　　（5）对应洞内变形的第3阶段。与洞内变形相比，此阶段开挖对建筑的影响较小，产生的沉降占总沉降量的11%左右；
　　（6）后续施工变形阶段，对应洞内的第4、第5阶段。建筑沉降缓慢增大，变形逐渐收敛。
　　图9中结果显示，洞内变形与地表建筑变形呈现出有较好的一致性，通过对地表建筑的变形监测亦能较好地反映洞内围岩变形的变化情况。因此，建筑沉降的监测是穿越工程变形监测的重点。
5 变形控制措施
　　隧道施工过程中，左、右导坑均发生了较大的变形，局部地段初期支护出现了纵向裂缝，裂缝迅速发展，以致变形急剧增加。受此影响，地表办公楼在填充墙及窗台附近也出现了多条裂缝。为确保施工安全，并尽可能减少施工对地表建筑的影响，通过对现场监测信息反馈分析，以“防塌方、控沉降”为核心，采取了如下工程措施以控制围岩大变形和保护地表建筑安全。
　　（1）针对导坑开挖过程中出现的大变形和初期支护开裂情况，在已有初期支护基础上，采取增设二次初期支护、自进式锚杆和加强全断面注浆等措施。二次初期支护采用刚柔结合的支护体系，先在已有初期支护下方布置18工字钢，全环设置，纵向间距1250px，与原有格栅钢架交错布置，然后挂网喷射混凝土；在两侧导坑初期支护边墙范围对应的格栅拱架位置设置自进式中空锚杆；二次支护施工完成后，对洞周3m范围内围岩用水泥-水玻璃双液浆进行全断面注浆加固。通过加强支护措施，改善了支护的受力条件，有效控制了围岩和初期支护大变形。
　　（2）严格施工过程控制，导坑开挖时，将左右导坑各分为上下部，每分部均采用环形开挖留核心土法，以减少各部的开挖面积及开挖对周边的扰动；中洞开挖分3个台阶，并设置横撑；各部开挖后及时施作初期支护，并尽早施作仰拱，封闭成环。加固拱脚和加强洞内排水处理，为防止拱脚下沉，及时施作锁角锚管，并设置扩大拱脚，同时，洞内临时排水采用中间排水沟方式，防止积水软化拱脚基础。
　　（3）为保证地表办公楼的安全和正常使用，根据现场监测结果，结合办公楼周边环境及施工条件，采取了地表浅层注浆和动态跟踪注浆相结合的加固方案。注浆分两个阶段，第一阶段在办公楼基础下埋设3排袖阀管，袖阀管间距1.6m，主要对办公楼下方房屋基础改造及地基注浆加固，注浆加固范围纵向取为办公楼基础下7m，平面取为隧道开挖轮廓线外5m和房屋周边3m范围。房屋基底注浆加固布置图如图10、图11所示。第二阶段根据监测情况，对差异沉降较大部位进行跟踪注浆。动态跟踪注浆包括补偿注浆和抬升注浆。补偿注浆是隧道开挖引起失水、应力释放等而形成的地层孔隙及时进行注浆填充；抬升注浆是在房屋沉降达到一定时，对基础抬升注浆以控制房屋的沉降量和减少差异沉降。抬升注浆时，采取可多次往复注浆的袖阀管注浆，注浆先低压后高压，以房屋监测点沉降值为控制标准，单次最大抬升量达到3mm时应结束注浆，以免抬升过大造成房屋损坏。




6 结语
　　（1）软弱地层中，隧道初期支护变形与支护参数、围岩加固措施密切相关，围岩加固不到位或支护刚度不够，都将引起初期支护大变形，甚至失稳破坏。
　　（2）隧道施工各阶段围岩变形发展规律不同，导坑开挖阶段拱顶下沉和水平收敛变形均较大，上导坑开挖时拱顶下沉大，下导坑开挖时收敛变形明显；中洞施工阶段以拱顶下沉为主，收敛变形小。变形主要集中在导坑和中洞开挖阶段，约占总变形量的80%。
　　（3）地表沉降对地表注浆和地下水变化敏感，波动大，规律不强；而建筑沉降随施工各阶段变化规律明显，与洞内变形有较好的一致性，是隧道穿越工程监测的重点。
　　（4）洞内增设二次初期支护，自进式锚杆，锁角锚管，全断面注浆等工程措施控制大变形效果显著，工程实践表明，洞内加强支护，地表注浆和动态跟踪注浆相结合的建筑物变形控制措施是隧道穿越工程成功的保证。