北京地铁9号线复杂地质条件下矿山法施工地表沉降分析

魏绍军 张轩轶 蔡雨

（北京城建勘测设计研究院有限责任公司）

北京地铁9号线复杂地质条件下矿山法施工地表沉降分析

魏绍军 张轩轶 蔡雨

（北京城建勘测设计研究院有限责任公司）

北京地铁9号线大部分地层为砂卵石地层，局部为砾岩、泥岩、粘土层和砂层，本文主要对不同地层下矿山法的地表沉降进行了简要分析。某矿山法区间标准段地下水问题较大，现场采用水平旋喷桩和深孔注浆堵水两个方案进行对比，通过地表沉降监测及现场巡查手段，为建设单位最终选择施工方案提供了数据支持。该区间停车线段中间是矿山线大断面（宽12.1m，高9.7m，6部CRD法施工），两边是左线、右线矿山法标准段，本文摸索了沉降的变形规律，并结合监测数据对其施工的个别环节提出了相关建议，最终顺利完成了施工。

地铁监测；地表沉降；水平旋喷桩；矿山法大断面；砂卵石地层

1 北京地铁9 号线工程概况

1.1 线路概况

北京地铁9号线工程整体呈南北走向，全长约16.4km，全部为地下线路，共设车站13座，主要分布在丰台区和海淀区，线路起于丰台区郭公庄站，沿万寿路南延段向北一直到广安路路口，右转穿过六里桥至羊坊店路，向北穿过北京西客站及玉渊潭公园，沿首都体育馆南路继续向北，接入M4线白石桥站。

1.2 工程、水文地质情况

（1）工程地质条件：北京地铁9号线线路位于北京西部永定河冲洪积扇的中上部，线路穿越的地层在西客站以南部分以砂卵石地层为主，西客站以北以第三系泥岩、砾岩和砂卵石地层为主[1]。

砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层，其基本特征是结构松散、无胶结，呈大小不等的颗粒状。这种地层扰动反映灵敏，很容易受开挖影响破坏原来的相对稳定或平衡状态，使开挖面和洞壁失去约束而失稳[2]。

（2）水文地质条件：沿线潜水水位标高在19.03～24.00m之间，水位埋深在21.49～28.30m之间（北京西客站以南水位均在结构以下），玉渊潭一带由于接受引水渠及湖水的补给，地下水位较高，水位埋深为9.60m，水位标高为38.89m（西军区间和军事博物馆站受影响较大）。

2 不同地层条件下矿山法施工地表沉降分析

2.1 复合地层条件下矿山法施工地表沉降分析

北京地铁9号线北京西客站～军事博物馆区间采用矿山法施工，标准段（马蹄形标准断面）施工中地下水问题较大，深孔注浆和水平旋喷桩工艺进行比选；停车线段为矿山法大断面（宽12.1m，高9.7m），采用CRD工法，6部开挖，上部为砂层和粉质粘土层，中部为粉质粘土层，下部为粉质粘土层和砾岩层。

（1）标准段施工：区间中间位置设置竖井和横通道，横通道进正线施工时，掌子面前方渗水极大，每小时达到8、9方水，地下水问题较大，现场采用深孔注浆堵水和施作水平旋喷桩两种方案进行对比，如图1～2。

图1 横通道进正线涌水较大

①深孔注浆堵水情况下的地表沉降控制

图2 水平旋喷桩施工

掌子面180°范围内进行深孔注浆，间距30～50cm，仰角10～18°，每15m做一循环，开挖约12m。沉降曲线如图3所示。

图3 深孔注浆工艺下典型地表沉降测点时程曲线图

深孔注浆堵水情况下，拱顶仍有一定渗水，工作面环境较差，且未能有效地抑制地表沉降，从开始沉降到沉降趋于稳定，差不多要经历10个月时间，且累计变形大多超过20mm，最大累计变形值能达到25mm。

②施作水平旋喷桩情况下的地表沉降控制

掌子面180度范围内施作水平旋喷桩，桩长30m，桩径800mm，咬合约1/5，每30m做一循环，开挖约27m[3]。沉降曲线如图4所示。

图4 水平旋喷桩工艺下典型地表沉降测点时程曲线图

施作水平旋喷桩后，加强了掌子面拱顶的稳定性，并且极大地减少了拱顶的渗漏水情况，有效地控制了沉降，最大累计变形值在15mm内（控制值30.0mm）。

经过近10个月对地表沉降测点的监测，通过比较分析，认为施作水平旋喷桩相对于深孔注浆堵水更有利于对沉降的控制，且工作面环境大大优于后者，因此建设单位最终选定水平旋喷桩方案。

（2）停车线段施工：9号线左线、右线和7号线停车线下穿羊坊店路1号过街通道。过街通道为钢筋混凝土装配式闭合框架结构。通道全长29m，主通道长19m，两端设伸缩缝，通道底板为现浇，侧墙及部分顶板预制拼装。

图5 9号线左线、右线和7号线停车线下穿羊坊店路1号过街通道剖面示意图

①前期现场只进行降水施工，降水引起通道沉降测点累计变形在4mm左右。随后两侧的9号线左线、右线标准段依次下穿1号过街通道，通道沉降累计变形最大为-12mm，大部分在8mm内。

②7号线停车线大断面下穿1号过街通道（断面宽12.1m，高9.7m，CRD法，分6部开挖，上部为砂层和粉质粘土层，中部为粉质粘土层，下部为粉质粘土层和砾岩），通道沉降测点最大累计变形为-18.2mm，之后施工单位对通道进行过补偿注浆，3个月后通道沉降趋于稳定，最终通道最大累计沉降值为-18.5mm（控制值30mm）[4]。由图6结合监测数据及工况分析可知，后施工的中间的矿山法大断面对通道的沉降影响比先施工的两侧9号线左线、右线对通道的沉降影响要大。大断面分6部CRD法施工，当开挖3、4部时阶段影响最大（先开挖1、2部）。上面的3部有砂层，因此注意超前注浆效果，并注意保持各部的开挖步距，初支背后及时回填注浆，最大限度的分阶段分部控制沉降。当各阶段沉降超标时，应边开挖边补偿抬升[5]，限制大幅沉降（如图7）。

图6 西军区间下穿1号过街通道沉降测点时程曲线图

图7 大断面开挖步序图

沉降最大位置发生在中间7号线停车线大断面上方，累计沉降最大达到60mm，9号线左线、右线标准段上方地表累计沉降能达到30mm，标准段和大断面施工存在交叉影响（标准段先施工），沉降槽影响范围及沉降情况如图8所示。

2.2 无水砂卵石地层条件下矿山法施工地表沉降情况

郭公庄～丰台科技园区间暗挖段、丰南～丰东区间、丰北～六里桥区间暗挖段、六里桥～太平桥区间暗挖段、太平桥～北京西客站区间、东钓鱼台～白石桥南区间暗挖段、白石桥南～国家图书馆区间，均采用矿山法施工，主要为无水砂卵石地层，地表沉降累计沉降值一般在20mm以内（控制值一般为30mm）。

图8 地表沉降测点断面图

图9 北京地铁9号线某区间在无水砂卵石条件下地表沉降测点时程曲线图

无水砂卵石地层条件下矿山法施工，卵石地层增大了管棚、超前小导管成孔难度。大卵石侵界对初期支护带来较大影响，拱部施工尽可能避开大卵石，特殊情况下需要多榀一支，甚至切割初支拱架，势必影响初支受力。

该地层渗透性强，注浆施工时应选择合适的浆液配比和施工工艺，采用经验和试验相结合的方法。

该地层相对来说容易开挖，施工进度相对较快，但容易掌子面失稳，因此超前注浆的效果、及时封闭成环、初支背后回填注浆比较关键。

2.3 无水砾岩、泥岩地层条件下矿山法施工地表沉降情况

军事博物馆～东钓鱼台区间暗挖段为矿山法施工，主要为无水第三系砾岩、泥岩地层，地层比较稳定，难开挖，施工进度相对较慢，沉降很好控制，累计沉降最大值约为-10.2mm（控制值30mm）。

图10 开挖的砾岩层

图11 开挖的泥岩层

3 结束语

（1）使用无水砂卵石地层条件下矿山法施工时，大卵石侵界对初期支护带来较大影响。由于地层渗透性强，注浆施工时应选择合适的浆液配比。及时封闭成环、初支背后回填注浆是该地层超前注浆的关键。

（2）在不具备降水条件时，区间隧道上方可采用施作水平旋喷桩方案，加强掌子面拱顶的稳定性，将极大地减少了拱顶的渗漏水情况，相比于深孔注浆堵水方案更有利于对沉降的控制，且可以创造更有利的工作面环境。

（3）大断面CRD法施工对地表沉降的阶段影响最大，应注意保持开挖步距，最大限度在每步开挖时分部控制沉降，边开挖边补偿抬升。

[1]刘永勤，金淮，高涛，钟巧荣.北京地铁九号线沿线卵石地层特性研究[J].工程勘察，2011（8）.

[2]孔恒，张汎，汪波.砂卵石地层盾构隧道关键施工技术[A].北京市政第一届地铁与地下工程施工技术学术研讨会论文集[C].2005.

[3]于家宝.水平旋喷桩预支护施工技术[J].铁道建筑，2003.

[4]张轩轶，马雪梅，叶东辉.复杂条件下的矿山法区间风险监控及沉降规律[J].铁道建筑技术，2011（S2）.

[5]王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].合肥：安徽教育出版社，2004.

U231+.3

A

1004-7344（2016）02-0120-02

2015-12-22

魏绍军（1986-），男，工程师，本科，主要从事地铁监测工作。