地铁矿山法多道步序施工引起的沉降控制_陈金刚.pdf

建 筑 技 术 Architecture Technology第 54 卷第 4 期 2023 年 2 月Vol.54 No.4 Feb.2023469地铁矿山法多道步序施工引起的沉降控制陈金刚，王伟华，郭 强，槐文宝，刘静仪（北京住总集团有限责任公司，100101，北京）摘要：以北京地铁 7 号线东延工程黑庄户站 万盛南街西口站区间（矿山段）为工程背景，针对通马路范围受正线及后续近距离三个迂回通道先后施工引起沉降叠加影响问题，为确保各施工步序及叠加影响最终不超标，先通过数值分析根据施工步序对沉降控制指标分解、分阶段控制，现场采取针对性技术及管理措施对阶段沉降指标进行控制，最终确定矿山区间内三个迂回风道先后施工顺序及穿越通马路沉降控制措施。关键词：地铁矿山法；多道施工步序；数值分析；沉降指标分解；施工控制中图分类号：TU 941 文献标志码：B 文章编号：1000-4726(2023)04-0469-05THE coNTrol oF sETTlEMENT cAusED By MulTiplE coNsTrucTioN sTEps iN THE METro MiNiNG METHoDCHEn Jin-gang,WAnG Wei-hua,GUO Qiang,HUAI Wen-bao,LIU Jing-yi(Beijing Uni-Construction Group Co.,Ltd.,100101,Beijing,China)Abstract:Aiming at the problem of superimposed settlement caused by the successive construction of the main line and the three subsequent detours in close proximity to the Tongma Road area with Heizhuanghu StationWanshengxi Station interval(Mine section)of Beijing Subway Line 7 East Extension Project as the engineering background.In order to ensure that the multiple construction steps and the superimposed impact do not exceed the standard,the settlement control index is first decomposed and controlled in stages by numerical analysis according to the construction steps,and the site takes targeted technical and management measures to control the settlement index in stages,and finally determines the sequence of construction of the three detour ducts in the mine area and the settlement control measures across the Tongma Road.Keywords:metro mining method;multiple construction steps;numerical analysis;settlement indicator breakdown;construction controls城市地下空间的开发和利用已成为城市发展的趋势和主流方向，新建地铁线路多次下穿既有道路或地上建构筑物的工程不断出现。隧道开挖施工扰动上方土层，当变形达到一定程度时将造成道路沉降或坍塌，造成人员及经济损失，产生恶劣的社会影响。前者做了大量关于隧道施工对穿越既有道路或地上建构筑物影响方面的研究1-3，但大多集中于单线或双线穿越施工数值模拟的沉降预测及控制，而针对隧道多道步序施工下的阶段性沉降控制较为少见。以北京地铁项目施工为工程背景，通过数值分析对矿山法隧道多步开挖施工进行分析，提出了阶段沉降控制指标及相关控制措施，确保隧道开挖及地上道路运营安全。1 工程概况黑庄户站 万盛南街西口站区间（简称黑万区间），区间长 2 667.765 m，采用明挖法、盾构法、矿山法施工。其中里程 K31+823.092K32+088.578 为矿山法区间（起点接区间盾构井，终点接万盛南街西口站），矿山区间采用单线马蹄标准断面，复合式衬砌，标准断面尺寸为 6.5 m（宽）6.8 m（高），采用台阶法施工。矿山法区间近中部处设三条迂回风道，迂回风道结构净宽 3.5 m，净高 4.5 m，覆土约21.89 m，风道初期支护开挖最小间距为 2.1 m。黑万区间暗挖段下穿通马路（一级公路），道路呈东北 西南走向，机动车道宽 16 m（双向 4 车道）、两侧有非机动车道及步道，道路宽共计 36 m，区间隧道呈 47 角斜穿通马路，道路车流量较大。穿越道路区间里程 K3+724K3+809，影响范围内道路长85 m，范围内道路下方有 4 m1.6 m 钢筋混凝土污水方涵及电力、电信等线缆（管）。穿越范围区间线间距约 17 m，初期支护拱顶与道路结构层底垂直距离约 21 m，污水方沟沟底距地面约 4 m，距隧道初期支护拱顶约 17 m，方沟内水流流向是自北向南，非汛收稿日期：20221210作者简介：陈金刚（1981），男，河北承德人，高级工程师，e-mail:.建 筑 技 术第 54 卷第 4 期470期测量方沟内水深约 1 m。2 地质水文及风险分析2.1 地质水文情况矿山区间隧道断面范围内土层自上而下为粉质粘土 8 层、砂质粉土 粘质粉土 8 2 层、细中砂 9 层和中粗砂 9 4 层，上覆土层为砂土、粘性土和粉土，隧道拱部主要为粉质粘土、细中砂、中粗砂，隧道中心层为粉质粘土，底部为细中砂层。地层受层间水（三）、层间水（四）及承压水（六）影响，细中砂 9 层和中粗砂 9 4 层中含有承压水，水头高度 910 m。矿山区间及迂回风道施工采用真空管井及洞内水平井处理地下水，区间共布设降水井 72 眼，井间距为 6 m，井深 39 m，降水井距离初期支护结构外轮廓3 m，降水井泵型为 175QJ5048/4（11 kW），降水井在开挖前 10 d 开始抽气，前 14 d 开始抽水；除地面布设真空管井外，在洞内布设水平井对层间残留水疏干，洞内共设水平井 26 组，每组 4 根，隧道断面内每侧布置 2 根，水平井长度均为 30 m，每组交叉搭接长度为 10 m。2.2 穿越过程风险分析（1）隧道施工会对上方土层造成不同程度扰动，同时隧道穿越的地层主要为粉质粘土、粉土和砂层，土体自稳能力差，施工过程中，易引起隧道上覆地层的分层沉降和道路路面的沉降。（2）隧道穿越的土层细中砂 9 层和中粗砂 9 4 层中含有承压水，水头较高，若降水效果不佳，施工时会发生涌水、涌砂现象，导致土层坍塌，极有可能造成污水方沟变形过大渗漏、道路塌陷。（3）隧道正线左、右线和迂回风道的先后施工，会对道路和污水方沟变形产生叠加影响，可能造成沉降指标预警。（4）通马路车流量较大，对地层扰动较大。3 确定阶段沉降控制指标3.1 沉降变形指标确定根据 DB11/10672014城市轨道交通土建工程设计安全风险评估规范4、GB 505622011城市轨道交通地下工程建设风险管理规范5、北京市轨道交通工程建设安全风险技术管理体系6、JTGD 632007公路桥涵地基与基础设计规范7等规范，结合设计咨询文件及现场实际情况，设计及产权单位确定通马路及下方 4 m1.6 m 污水方沟监控量测最终控制值（表 1、表 2）。因本工程引起通马路及下方 4 m1.6 m 污水方沟沉降是由正线左右线及迂回风道先后叠加引起的，对施工过程中每一步工序引起的沉降准确控制显得尤为重要。首先，对最终沉降指标通过数值分析按照工序进行分解初步确定，后续施工按照分解后的沉降指标对每一步工序进行 控制。表 1 通马路监控量测最终控制指标项目主辅路面沉降控制值人行步道沉降控制值路面隆起控制值变形坡度路面位移速率控制值控制标准 15 mm 20 mm 5 mm 1 2 mm/d表 2 污水方沟监控量测最终控制指标项目管线沉降控制值管线隆起控制值倾斜控制值管线位移速率控制值控制标准 10 mm 5 mm 2 1 mm/d3.2 力学模型及力学参数确定施工前，通过 midas GTS 建立三维有限元模型对风险工程进行模拟计算，采用不同的本构模型模拟不同的材料，对于区间隧道初期支护结构采用线弹性模型，对于土体采用摩尔 库伦模型，模型采用位移作为边界条件，除上表面为自由边界外，其他各外表面均约束法向的位移，模型中材料的物理力学参数取值参照详细地质勘察报告和相应规范（表 3、表 4）。表 3 地层力学参数表力学参数地层 3 1 3 4 2 4r天然/（kN/m3）17 18.8 19.3 19.1 19.5 19.5 19.8 20 19.2 20 20.3 20.5r饱/（kN/m3）18 19.5 20 19.5 19.8 19.8 20 20.5 19.5 20 20.5 20.5V0.35 0.33 0.3 0.33 0.30.30.30.30.30.300.3c（kN/m2）51313029111311311/（）102725131625303216243235表 4 结构力学参数表路面、衬砌结构力学参数EA/（kN/m）EI/（kN/m3）WV衬砌结构3.0e54 5008.40.25路面结构2.0e61 6005.00.20根据矿山区间下穿通马路处风险源相对位置关系，考虑模型的边界效应、地基基础分层总和法理论及计算效率的基础上，选取模型尺寸为80 m70 m35 m（图 1）。考虑路面行车荷载，数值分析时将路面行车荷载等效为均布荷载，取值为30 kN/m2。3.3 数值分析施工步序引起沉降（变形）根据黑万区间整体施工筹划及施工步序引起沉降（变形）先后相互叠加影响，矿山区间穿越道路范围2023 年 2 月471陈金刚，等：地铁矿山法多道步序施工引起的沉降控制图 1 穿越通马路有限元模型施工步序顺序初定左线先开挖、支护，右线后开挖、支护，正线双线初期支护贯通后进行初期支护背后回填及迂回风道加固范围注浆，正线二次衬砌施做完并达到设计强度后，进行迂回风道开挖、支护，迂回风道先施工两侧1号、3号通道，待二次衬砌达到设计强度后，进行中间2号通道施工，按照上述施工步序引起道路、污水方沟沉降（变形）进行模拟分析，模拟结果如图2图6所示。0.004 782 840.001 128 190.003 212 480.004 068 980.011 393 20.011 876 图 2 正线（左线）穿过后沉降（变形）结果0.005 231 090.005 371 840.006 383 810.004 6060.011 5660.010 6095图 3 正线（双线）穿过后沉降（变形）结果0.006 844 030.005 520 150.011 672 20.010 548 40.005 551 280.004 729 97图4 风道（1号、3号）穿过后变形结果0.011 725 90.007 649 460.005 643 42 0.006 690 220.004 826 70.015 292图5 风道（2号）穿过后变形结果20 15 10 5 0 5 10 15 200123456监测点距两隧道间中线距离/m11 断面降水后路基累计沉降曲线 22 断面降水污水方沟深层测点沉降曲线降水引起累计沉降值/mm图 6 降水引起的沉降变化根 据 数 值 分 析，统 计 各 施 工 步 序 对 道 路、4 m1.6 m 污水方沟最大沉降及变形（表 5），并对最大沉降位置进行初步确定。表 5 各施工步序引起道路、污水方沟变形统计施工步序左线穿越/占比右线穿越/占比两侧迂回风道开挖/占比中间迂回风道开挖/占比路基累计最大沉降值/mm4.5/51%7/30%7.5/6%8.5/13%污水方沟累计最大沉降值/mm4.8/56%7/26%7.5/6%8.5/12%根据数值分析结果，矿山区间穿越对通马路、污水方沟影响在控制范围内，满足对风险源的保护要求。同时根据数值分析结果，参考类似工程对沉降（变形）指标进行施工步序分解，根据数值分析各步序沉降值占比确定施工阶段限值，确保各阶段沉降变形不超标，各施工步序累计沉降（变形）控制值见表 6。表 6 沉降指标分解控制表施工步序左线穿越 右线穿越两侧迂回风道开挖中间迂回风道开挖路基累计沉降控制值/mm 8 12 13 15路基累计隆起控制值/mm 3 4 4.5 5方沟累计沉降控制值/mm 6 8 9 10方沟累计隆起控制值/mm 3 4 4.5 54 施工监控量测及沉降控制措施4.1 现场监控量测为确保矿山区间穿越期间道路及污水管道安全稳定，施工前，按照专项设计图纸及数值分析在相应位建 筑 技 术第 54 卷第 4 期472置布置路基和污水方沟监测点，路基监测点按照普通监测点（路面以下 1.2 m）布置且穿越路面结构层，污水方沟采用深层监测点（路面以下 9 m）监测方沟周边土层变形情况，对道路路基及污水方沟进行施工步序阶段控制。区间开挖前，对监测点进行初始值采集，首先，每天对降水引起监测点沉降情况进行了跟踪监测，通过监测统计发现，降水引起累计沉降值范围3.25.3 mm，最大值为 5.3 mm，沉降位置处于两隧道间中线及隧道两侧降水井附近，降水引起沉降时间集中在 510 d，开始和 10 d 以后沉降相对较小。开挖期间，考虑施工步序等因素叠加影响，选取穿越范围内路基监测断面 11 和污水方沟监测断面22 上监测点的沉降值进行整理、分析，得出监测断面测点沉降值变化曲线图（图 7、图 8）。40 30 20 10 0 10 20 30 4020246810121416监测点距两隧道间中线距离/m11 横断面左线开挖后路基累计沉降曲线 11 横断面右线开挖后累计路基沉降曲线 11 横断面 1 号、3 号风道开挖后路基累计沉降曲线 11 横断面 2 号风道开挖后路基沉累计降曲线各步序引起累计沉降值/mm图 7 各施工步序引起 11 断面沉降变化20 15 10 5 0 5 10 15 20202468101214监测点距两隧道间中线距离/m22 断面左线开挖污水方沟深层测点沉降曲线 22 断面右线开挖污水方沟深层测点沉降曲线 22 断面 1、3 号风道开挖污水方沟深层测点沉降曲线 22 断面 2 号风道开挖污水方沟深层测点沉降曲线各步序引起累计沉降值/mm图 8 各施工步序引起 22 断面沉降变化由 11 断面、22 断面现场监测数据可知，在按照初定各施工步序施工，路基阶段累计沉降值分别为12.6 mm（左线开挖后）、13.1 mm（右线开挖后）、13.4 mm（1、3 号通道开挖后）、14.1 mm（2 号通道开挖后）；污水方沟阶段累计沉降值分别为7.8 mm（左线开挖后）、8.7 mm（右线开挖后）、11.5 mm（1、3 号通道开挖后）、11.9 mm（2 号通道开挖后），通过采取措施，现场监测沉降值基本满足规范（规程）要求，但与数值分析确定阶段沉降控制指标有偏差，主要是数值分析对降水引起沉降考虑不充分。4.2 沉降控制措施4.2.1 完善降水方案，确保降水效果通过先期区间盾构井（基坑深 29.9 m）施工总结，结合区间地层情况，进一步完善降水专项方案各项技术参数及应急加固止水措施，确保地下水降至隧道初期支护底部 1m 以下。4.2.2 优化施工步序（方法）顺序，减小多次地层 扰动正线采用台阶法施工，分上、下两部开挖，先环向开挖上部土体，预留核心土，隧道开挖上下导洞步距控制在 56 m，左右线先后开挖间隔不小于 30 m，施工方法如图 9 所示。初期支护通长铺设完后施作仰拱防水层及二次衬砌54坡度 10.3坡度 10.356 m2.53 m1.852核心土超前注浆管外插角3110 203127564锁脚锚管核心土施工缝DN 32、t=2.75 mm 焊接钢管3040（a）（b）图 9 施工工序纵断面、横断面示意（a）纵断面；（b）横断面1 超前小导管；2 环形开挖留核心土；3 上半断面初期支护；4 下半断面开挖；5 下半断面初期支护；6 隧道仰拱二次衬砌；7隧道拱墙二次衬砌。同时正线，正线初期支护完成先行对迂回风道位置进行深孔注浆加固，而后进行正线二次衬砌施工，待达到设计强度后，进行 1、3 号迂回风道初期支护施工、二次衬砌施工，待其 1、3 号二次衬砌到达设计强度后，再施工 2 号风道初期支护、二次衬砌。4.2.3 调整加固方式及参数，确保加固效果正线隧道断面拱顶采用 1.5 m 超前小导管注浆加2023 年 2 月473陈金刚，等：地铁矿山法多道步序施工引起的沉降控制固，每两榀布设，穿越道路风险范围及 45 角外放区域小导管调整为每榀布设，且导管长度增加至 2 m。正线初期支护完成后，从正线初期支护背后对1、3 号风道拱部及 2 号风道全范围深孔注浆加固土体，加固范围为 1 号、3 号风道拱部初期支护轮廓线外 1.5 m、内 0.5 m 及 1 号、3 号风道间的土体，同时在正线初期支护背后风道马头门顶拱部位打设双排超前小导管，导管采用 4 m 长 DN32 钢管，环向间距300 mm，纵向间距 0.5 m，打设角度为 15，加固范围为拱顶 120，小导管采用无缝钢管，注浆材料采用 PO 42.5 水泥浆，水泥浆水灰比为 11，注浆压力：0.20.5 MPa，注浆扩散半径为 250 mm，注浆速度 30 L/min，每根注浆管注浆量取 0.150.2 m3。4.2.4 工前详细调查风险源，制订针对性方案针对道路与污水方沟沉降控制，施工前，详细调查道路及地下管线的详细资料，如地下管线结构、实测标高、管线的接口形式、施工缝（检查井）的位置、管线距离初期支护的实际距离、管内水量、水量变化及流向等，详细记录，提前制订应急措施和保护方案。4.2.5 先探后挖穿越范围拱部开挖前采用洛阳铲进行超前探测，发现地层含水量较大时应及时封闭掌子面，采用深孔注浆等措施进行堵水和地层加固。4.2.6 穿越道路上采取技术及管理措施如安装减速带、限速牌、限载牌，设置缓冲带，安排专职交通协管员等。5 结论（1）对于环境（自身）风险工程沉降（变形）受多道施工步序叠加影响，可以先采用数值分析确定阶段沉积控制指标，再按照每道施工步序沉降指标进行控制。（2）通过对富水砂层矿山区间施工引起道路路基、污水方沟现场监控量测得出，降水引起最大沉降量为 5.3 mm，约占施工步序引起累计沉降量的38%，因此，降水引起沉降值不容忽视，特别是风险源密集区域。（3）对于双线标准断面矿山区间线间距 L 与隧道埋深 D 之比不大于 0.7（L/D 0.7）时，先施工步序（左线）引起沉降较大，约占总沉降量的 75%，且沉降最大值位于所施工隧道中心线处；后施工步序（右线）引起沉降占比相对较小，且沉降最大值位于两隧道间中线附近而不是所施工隧道中心线处。（4）横跨矿山区间且在迂回风道附近的污水方沟，施工步序引起累计沉降量最大值为 6.8 mm，左、右线引起约占 70%，迂回风道引起约占 30%，其中1 号、3 号开挖约占 20%。（5）现场通过地面真空管井降水、洞内水平井及超前小导管注浆加固等技术措施，各施工步序阶段引起沉降值基本满足阶段控制指标。（6）矿山区间内存在多个近距离通道时，通道间净距D与通道宽度B之比不大于0.6（D/B0.6）时，施工顺序确定及加固方案既保证施工安全和工期，又节约了生产成本。参考文献1 黄合理.地铁隧道穿越既有车站的沉降预测及加固措施 J.现代隧道技术,2013,50(2):114117.2 杨庆刚,孙明,倪小东,等超浅埋隧道下穿铁路引起变形敏感度数值分析 J.现代隧道技术,2017,54(3):112119.3 黄汉彪,徐松,税欢.地铁隧道穿越既有道路的沉降预测及加固措施 J.城市建设理论研究,2017,222(12):181183.4 城市轨道交通土建工程设计安全风险评估规范:DB11/10672014S.5 城市轨道交通地下工程建设风险管理规范:GB506522011S.6 罗富荣,曹伍富.北京市轨道交通工程建设安全风险技术管理体系 M:北京:中国铁道出版社,2013.7 公路桥涵地基与基础设计规范:JTGD632007S.中共中央、国务院印发质量强国建设纲要近日，中共中央、国务院印发了质量强国建设纲要（以下简称纲要），并发出通知，要求各地区各部门结合实际认真贯彻落实。纲要提出，提升建设工程品质。要强化工程质量保障。全面落实各方主体的工程质量责任，强化建设单位工程质量首要责任和勘察、设计、施工、监理单位主体责任。严格执行工程质量终身责任书面承诺制、永久性标牌制、质量信息档案等制度，强化质量责任追溯追究。落实建设项目法人责任制，保证合理工期、造价和质量。推进工程质量管理标准化，实施工程施工岗位责任制，严格进场设备和材料、施工工序、项目验收的全过程质量管控。完善建设工程质量保修制度，加强运营维护管理。强化工程建设全链条质量监管，完善日常检查和抽查抽测相结合的质量监督检查制度，加强工程质量监督队伍建设，探索推行政府购买服务方式委托社会力量辅助工程质量监督检查。完善工程建设招标投标制度，将企业工程质量情况纳入招标投标评审，加强标后合同履约监管。（来源：住房和城乡建设部官网）