分离岛式车站群洞开挖施工变形控制措施*

谢大波，王 琛，周 诚，余群舟

(1.华中科技大学土木与水利工程学院，湖北 武汉 430074；2.武汉地铁集团有限公司，湖北 武汉 430070)

0 引言

在繁华城市修建地铁会因受到各种因素影响使得地铁车站的形式不再局限于传统的岛式车站、侧式车站、岛侧混合式车站，越来越多新的车站形式如分离岛式涌入。分离岛式车站的轨道位于站台两侧，但分离岛式站台的上、下行站台分开，站台间通过1条或几条通道连接。国内很多地铁线路是顺沿道路建设，而城市道路上大都存在高架桥、立交桥，其立柱基础会使得路面无法进行大面积开挖，使得地铁车站站厅与站台无法合成一体，因此对其解决方法一般为在中间修建连接通道接驳两侧隧道与站厅[1]。地铁隧道施工过程中不可避免的影响是会使隧道周边岩体受到外界施工因素的扰动，隧道本身与通道结构及周边产生一系列变形，群洞施工影响则更甚。

国内外相关针对地铁隧道开挖研究中，Peck提出的关于Peck公式[2-3]及其修正版和衍生版公式应用是针对预测地表沉降公式中应用度最广的。Loganathan等[4]针对这一系列的双隧道、双孔通道问题所引起的施工安全风险进行多方面深入探究并进行理论公式分析。肖涛[5]以两条相交的北京地铁线路站点为研究背景，针对实际工程中的问题，进行控制PBA多个导洞施工变形的研究并提出相应的防控措施。在对施工监测及风险控制研究中，王坤等[6]在对浅埋暗挖法施工近距离群洞暗挖复杂情况进行分析时，因其围岩呈现出不规律性沉降变化，施工采取信息化监测手段时必不可少，其对宣武门站超40个断面进行监测数据分析，充分利用监测数据保障群洞开挖安全。

基于上述研究及论述，以分离岛式车站为研究背景，完善在相应研究上的不足，本文归纳了地铁暗挖施工的施工工法并深入分析对群洞开挖施工变形影响因素，最后结合实际工程案例监测数据分析规律并给出控制措施，验证措施的有效性，为群洞暗挖施工提供安全保障。

1 分离岛式车站施工变形影响因素分析

1.1 工程概况

本文研究的工程实例为武汉某地铁工点，该车站为地下4层14m分离岛式站台车站(见图1)，采用半铺盖法顺作施工。主体结构采用2个4层单跨箱形钢筋混凝土结构分离岛，大里程端总宽47.3m，平面呈长条形。车站分离岛间设置6个连接通道(见图2)，其中地下1层分布1个，地下2层分布2个，地下4层分布3个，均采用暗挖法施工。地质情况大致为：地下1层主要穿越地层为粉质黏土，地下2层主要穿越地层为强风化泥岩，地下4层主要穿越地层为中风化泥岩。整体暗挖施工工序为：先地下4层再地下2层，最后地下1层。其中，地下1层CRD施工加大管棚及小导管超前支护，地下2层CRD施工加大管棚超前支护，地下4层短台阶法施工加注浆小导管超前支护。

图1 分离岛式车站形式示意

图2 连接通道位置分布

1.2 群洞开挖施工变形影响因素分析

1.2.1群洞施工引起地表沉降影响因素分析

采用浅埋暗挖法进行地下隧道工程开挖不可避免地会造成地表沉降，影响隧道暗挖地表沉降的主要因素涵盖工程地质条件、隧道暗挖施工工艺、隧道开挖截面尺寸大小、埋深、上部荷载大小等[7]。

1)工程地质 工程地质条件影响施工的各方面，是各工序施工方案所需考虑的重要因素，还包括水文地质条件及具体土体物理力学性能。

2)隧道开挖截面 根据现有的相关研究表明，将隧道开挖截面近似看作圆形截面，则如果隧道开挖半径增加，地表沉降量和沉降槽的范围也会相应变大。

3)施工工艺 施工工艺是对隧道开挖全过程工序的囊括，具体包括超前加固法、施工法、选用的支护形式。

4)埋深 基于已有研究，在保证其他条件不变的情况下，隧道埋深不断增加，地表沉降最大值逐渐减小，沉降范围缓慢增加，但减小速率却放缓，中心线位置的沉降值逐渐变小(见图3)。

图3 地表沉降值与隧道埋深关系曲线

对于群洞暗挖施工来说，其对地表沉降造成的影响不仅来自自身施工状况，还与周边隧道施工有着不可分割的关系，主要影响因素除了上面提及的外还有群洞间间距、群洞施工顺序、开挖方式、开挖步距、作业方式(见图4)。

图4 隧道相离较远与较近时地表沉降曲线

相邻隧道净距分界点Le受多个相关因素影响，在同一个工程地质大环境下，H/L值是影响沉降曲线的重要因素。沉降槽宽度参数K受围岩和岩土性质影响较大，其和工程地质情况密切相关，由Peck公式和相关研究在判定相邻隧道距离远近的判别公式得出，围岩性质越好，K值越小。若隧道开挖埋深H已知，则有：

Le=2.021HK0.975

(1)

1.2.2群洞施工引起洞内变形影响因素分析

地铁隧道相邻间距的研究一直是研究的关键问题，其将直接影响隧道的相互间施工。21世纪初，厦门市某地铁隧道建设中对相邻隧道的净间距给出了指导性建议[2]，如表1所示。

表1 城市相邻隧道最小净间距

以相邻的2座隧道为例，二者间距是相互间影响的关键因素，根据已有研究，按影响程度将隧道间净间距大体上划分为4类，即Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ级区域，影响程度递减，分别对应为Ⅰ级影响极大，需立即采取相应防范措施；Ⅱ级影响较大，需加强监测，必要时采取措施；Ⅲ级影响一般，适当关注监测；Ⅳ级影响较小，一般情况下无须过多关注。

Ⅰ级区域范围为0～1.0D，Ⅱ级区域范围为 (1.0～1.5)D，Ⅲ级区域范围为(1.5～2.5)D，Ⅳ级区域范围为2.5D以上(见图5)，其中D为隧道开挖宽度。

图5 一般情况下影响区域划分

隧道所处的围岩情况对净距的要求也有差异，围岩等级高的对距离要求同条件下也更远。施工工法及支护形式对洞内变形的影响也不可忽略，良好的超前支护结构及适宜的暗挖施工工法在维系隧道内部结构稳定性方面是施工控制的关键所在，通常来说大管棚的支护效果要优于小导管注浆，单个支护体系效果要劣于多个支护体系共同叠加。

2 分离岛式车站群洞暗挖施工变形规律分析

2.1 洞内施工变形监测数据分析

2.1.1拱顶下沉监测数据分析

对于洞内施工变形监测数据分析，本文主要是针对洞内拱顶下沉和净空收敛。隧道在开挖土体后，由于土体的损失导致围岩自重及应力发生变化，致使隧道顶部向下发生位移的现象称为拱顶下沉。根据现场监测数据各监测点时序图分析(见图6～8)，各断面拱顶下沉监测点初始开挖后数值初始变化较小且伴随小幅度波动，随着开挖的不断进行数值总体呈现增加趋势，总体上各曲线变化趋势相似、数值差距小。不同通道的拱顶数值存在较大差异，其原因主要与实际工况、所在地层、施工工法、施工实际情况等相关。

图6 1号连接通道拱顶下沉各监测点时序曲线

图7 各连接通道初始端拱顶下沉时序曲线

图8 1号连接通道拱顶下沉同一断面监测点时序曲线

两侧壁拱顶下沉时序图变化趋势保持较高程度的相似性，各转折点时间点基本一致，整体曲线数值差距在1mm以内，GD1-1-2(右侧)数值要略高于GD1-1-1(左侧)，而略低于各拱顶监测点时序图中的12mm。数值曲线随时间变化不断增加，开挖初期存在短时期数值波动，整体变化趋势及幅度有较大相似之处，通道中间区域拱顶数值一般要大于两侧拱顶。

2.1.2净空收敛监测数据分析

净空收敛别称净空变形，一般指的是隧道开挖后周边围岩向隧道内出现净空侵入现象，通常理解为隧道周边同一水平高度上的两点在整个开挖过程中相对位置的变化情况(见图9)。

图9 暗挖通道横向断面与净空收敛纵向监测点布置

随着通道土体开挖完成之后，将相应的净空收敛监测设备布设在初期支护周边，按预设的方案施工。因收敛监测点较多且随施工进度设置监测点，故数据繁多且杂，针对收集到的现场数据分类归纳成图表。

如图10所示，以群洞中1号和2号通道净空收敛监测时序曲线为例，其数值大小规律可总结为：同一断面上侧壁收敛数值大小与先后开挖施工有关，先开挖的导洞侧壁收敛数值较小，后开挖的导洞收敛数值大，不同断面上的净空收敛数值与对应的位置相关，两端数值要小于中间区域，因中间区域受土方开挖影响时间较长(见图11)。

图10 1，2号连接通道净空收敛各监测点时序曲线

图11 不同通道SLx-1-1净空收敛时序曲线

基于现有的净空收敛数据样本，选取不同地层下各通道在同一相对位置上的监测点数据对比。比对数值时序曲线可得结论为：各通道净空收敛监测点曲线均存在多处转折点，其受到现场施工进度的影响较大，曲线变化速率与施工进度、支护结构的及时性关联在一起；数值上地下1层和地下2层的通道净空收敛最终数值明显小于地下4层数值。

2.2 地表沉降现场监测数据分析

2.2.1地表沉降现场监测数据时序规律分析

地表沉降是因开挖后、围岩及支护、复合衬砌间的空隙地下水位下降，致使发生固结现象，围岩和支护下沉最终导致地表沉降。从现场收集到的数据时序图分析可得如下结果：①工况相似的通道暗挖施工，监测点时序变化会有差异，但地表沉降数值总体差距小，最终稳定数值基本一致；②受各通道开挖进度影响，各曲线时序变化差异影响较大，且受交叉施工影响，地表情况横向分布会有差异；③支护结构施工后一段时间内，地表沉降增速降低；④CRD法施工对地表沉降控制效果要远优于CD法，施工工法的更改会直接体现在地表沉降数值及增速上；⑤受到群洞施工影响，地表沉降数值横向分布有差异(见图12)。

图12 1，3号连接通道地表沉降时序曲线

2.2.2地表沉降监测数据规律异同性分析

地表沉降最终监测数值大小与隧道埋深有很大关系，同一施工工法、同一埋深或埋深相近，最终土方开挖数值大小相近，差异性很小。

图13所示大致符合理论变化趋势，隧道埋深逐渐变大，沉降值变小，但其呈现曲线式变化趋势，即变化速率不断变小。1号和4号因存在上下叠层关系导致4号数值增加，各通道监测点两端地表沉降监测数值变化有相同趋势，其数值差距保持在一定范围内且偏差较小。时序图数值变化程度较低且存在瞬时性，转折变化快，转折点一般与实际施工现状及进度情况相关(见图14，15)。

图13 各通道不同埋深下地表沉降曲线

图14 不同截面中线处地表沉降数据时序曲线

图15 不同通道初始断面横向地表沉降终值曲线

针对不同监测断面，数值存在差异，2，3，5号通道各初始截面和终端截面数值大小差距较小，相反4，6号差距较大，其原因主要为存在交叉施工影响数值变化。各连接通道横向地表沉降分布曲线有着一定差异性，主要存在U形和V形曲线差别，数值存在一定的对称性，但两端数值差仍明显，其原因主要是受实际现场交叉施工和施工顺序影响。

3 分离岛式车站群洞施工变形控制措施及效果分析

3.1 分离岛式车站群洞施工变形控制措施

3.1.1洞内施工变形控制措施

就目前对把控洞内施工变形理论及实践来说，较有效措施主要从以下2个层面把控，即支护手段和隧道开挖方式[8]。综合某分离岛式车站群洞施工现场监测数据展现出来的规律和数值模拟规律情况，给出洞内变形针对性控制措施为：①提高支护结构强度，可通过提高喷射混凝土强度等级、选用大直径钢筋及钢架、增加钢格栅数目、减少布设间距、提高锚杆刚度等提升初期支护承载力；②根据实际工况选择适宜的施工工法(暗挖施工)，加强施工监测频率及增加监测点布设；③选用复合衬砌结构，严格把控支护结构施作的时间节点；④各环节应严格按施工规范及施工方案要求，及时施作内部支撑结构(见图16)。

图16 地表沉降控制基本对策

3.1.2地表沉降控制措施

隧道暗挖施工引起的地表沉降及后期沉降增加主要与3方面关联度较大，即周边围岩及土体介质性质、地下隧道自身结构、隧道施工方法[9]。

综合某分离岛式车站群洞施工现场监测数据展现出来的规律情况，给出地表沉降针对性控制措施：①严格按施工方案施工，尽可能规避上下叠层及交叉施工；②严格控制开挖进尺，且保持适当的施工台阶长度；③隧道遵循边开挖边支护原则，及时施作初期支护、仰拱等结构，土方开挖完成后及时进行二次衬砌施工封闭结构，尽快达到稳定状态；④对于群洞同时施工，在纵向保持一定的施工断面间隔，对受到交叉影响的地层可提前进行注浆处理并提高支护结构强度。

3.2 控制措施效果分析

综合现场实际施工中得以应用的施工变形控制措施，以现场监测数据变化实况验证相应措施的有效性。论证相应措施采取前后，由现场监测数值及变化速率2方面分析可知，采取相应控制措施后，群洞施工变形取得良好控制效果。最终监测数值显示，地表沉降最大值为29mm(允许值30mm)(见图17)，拱顶沉降为12mm(允许值15mm)，收敛为22mm(允许值40mm)，从监测预警三级管理角度分析，洞内外施工变形监测数据仅个别监测数值处于橙色预警范围，各项数值均未超过允许值范围，充分验证了控制措施的实用性及有效性。

图17 通道终端断面中线地表沉降时序曲线

4 结语

本文以武汉某分离岛式地铁现场工程案例为研究对象，基于现有的群洞开挖施工基础理论，归纳总结了分离岛式群洞施工变形影响因素并对比各工法特点，综合分析实际工程案例中分离岛式车站群洞暗挖现场监测数据，得出相应的实际变形规律并给出针对性施工变形控制措施，最后验证措施有效性，为类似工程提供参考，保障施工安全进行。