宗 翔

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團(tuán)）有限公司，上海200092）

0 引 言

城市地下道路或地下管廊在下穿被交路口時，經(jīng)常會遇到障礙物而難以采用明挖方式（管廊、大直徑管線），或者由于高架橋及匝道擋土墻等無法破除或者橫交道路保通要求較高也難以采用明挖方式，因而暗挖下穿成為必需。洞樁法是節(jié)點非開挖技術(shù)最為常見的方式，因其在保通和地表沉降控制的優(yōu)勢，目前被廣泛應(yīng)用于地鐵車站建設(shè)中［1］。

洞樁法是先行施工導(dǎo)洞，在洞內(nèi)制作挖孔樁，待梁柱完成后，再施作頂部結(jié)構(gòu)，然后在其保護(hù)下施工下部結(jié)構(gòu)，實際上就是將蓋挖法施工的樁、梁、柱等轉(zhuǎn)入地下進(jìn)行，施工過程中頂拱的形成尤其重要。開挖引起的地表沉降及其對周邊建筑物的影響是洞樁法施工主要關(guān)心的問題，王霆等［1］表明導(dǎo)洞開挖及初支、邊樁和中柱及導(dǎo)洞二襯、扣拱和拱部土體開挖及支護(hù)三個階段引起地表沉降比例為6：1.5：5。黃生根等［2］研究表明對地表沉降影響最大的主要是導(dǎo)洞開挖、初襯施工及二襯施工這三個階段，占總沉降量的比值分別為32%、55%和7%。劉加柱等［3］認(rèn)為導(dǎo)洞開挖與扣拱施工是引起地表沉降的兩個主要階段，二者引起地表沉降比例高達(dá)近90%。目前，研究主要為現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析和具體工程案例的數(shù)值模擬，得出經(jīng)驗性的定性結(jié)論以指導(dǎo)施工，很難得出定量的結(jié)論，這是由于施工措施的多樣化和人工開挖的質(zhì)量水平差異導(dǎo)致的。鑒于此，本文主要通過對典型工程案例的剖析，劃分主要施工階段，分析各階段沉降發(fā)展的特點及形成原因，在此基礎(chǔ)上，提出估測洞樁法施工引起地面沉降的實用方法。

1 工程案例論述

鄭州某地下空間沿創(chuàng)智路與隴海路斜交，斜交角度約67°。地下空間上層為車行環(huán)廊，下層為綜合管廊，結(jié)構(gòu)總寬15.35 m，總高10.75 m；隴海路現(xiàn)狀為高架橋及上下?lián)跬翂υ训?，橋梁上部結(jié)構(gòu)為三跨預(yù)應(yīng)力箱梁，承臺10.5 m×6.5 m×2 m，埋深4 m，樁長40 m，匝道擋土墻為L型擋墻，墻高約4 m，寬度約3.6 m；橋樁離地下結(jié)構(gòu)最小凈距為3.5 m，地下結(jié)構(gòu)覆土約5.8 m。現(xiàn)場照片如圖1所示。

圖1 高架橋及擋土墻匝道照片F(xiàn)ig.1 Site photos of viaduct and retaining wall ramp

考慮到施工期間，匝道擋土墻不可拆除，需采用暗挖的方式下穿，為了保護(hù)高架橋梁的安全，橋梁下方仍采用明挖的方式。具體平面布置見圖2，于隴海路上下匝道及地面輔道外側(cè)分別建立兩座工作井，高架橋梁下方建立一座接收井，工作井和接收井均采用明挖的方式，匝道擋土墻及外側(cè)輔道則采用暗挖的方式，暗挖采用洞樁法施工，從兩端工作井分別向接收井推進(jìn)。暗挖過程主要分為五個階段：①小導(dǎo)洞施工完畢；②邊樁施工；③中導(dǎo)洞開挖；④頂部扣拱；⑤下部土體開挖和結(jié)構(gòu)施工。設(shè)計與施工過程分別見圖3與圖4。

本工程地層從上至下依次為：①1.42 m 雜填土，②2.11 m 粉土，③5.96 m 粉土，④4.62 m 粉土，⑤9.64 m 粉土，⑥8.54 m 粉質(zhì)黏土，⑦8.24 m 粉質(zhì)黏土。勘察期間，場地地下水位在現(xiàn)自然地面以下26.3～36.4 m，相關(guān)地層設(shè)計參數(shù)見表1。

（1）小導(dǎo)洞施工完畢

在工作井內(nèi)進(jìn)行超前支護(hù)，包括深孔注漿、超前管棚和超前小導(dǎo)管等措施，考慮到中導(dǎo)洞跨度較大，為了控制地面沉降采用雙排鋼管棚超前支護(hù)，而小導(dǎo)洞由于單次開挖量和跨度均較小，采用單排鋼管棚結(jié)合超前小導(dǎo)管的支護(hù)。小導(dǎo)洞初襯厚度300 mm，骨架為鋼筋格柵。破除馬頭門，小導(dǎo)洞臺階法開挖，兩個小導(dǎo)洞施工前后間距不小于8 m。

（2）邊樁施工

小導(dǎo)洞初支完成，及時襯后注漿，在洞內(nèi)進(jìn)行混凝土排樁及冠梁的施工，梁頂預(yù)留格柵連接鋼板，進(jìn)行導(dǎo)洞內(nèi)初襯施工，其間應(yīng)注意預(yù)留格柵接頭，隨后回填導(dǎo)洞內(nèi)混凝土。需要注意的是，邊樁施工期間需破掉已形成的封閉的小導(dǎo)洞初襯結(jié)構(gòu)。

（3）中導(dǎo)洞開挖

中導(dǎo)洞分左右兩側(cè)分別開挖，破除馬頭門，左側(cè)中導(dǎo)洞出洞，施工初襯；隨后右側(cè)導(dǎo)洞出洞，按預(yù)留格柵施工初襯，繼而連成整體。為保證安全，左右側(cè)中導(dǎo)洞施工應(yīng)錯開8 m以上。

圖2 豎井、暗挖區(qū)間、高架橋及匝道擋土墻平面布置圖Fig.2 Plan of shaft，undermining，viaduct，retaining wall ramp

圖3 暗挖橫斷面及主要施工階段Fig.3 Undermining cross section and main construction stage

（4）頂部扣拱

自兩側(cè)豎井向中間豎井分段拆除初襯，分別完成左、右兩側(cè)的二次襯砌扣拱，扣拱過程中應(yīng)注意臨時支撐體系的運用。

（5）下部土體開挖及結(jié)構(gòu)施工

在頂拱強度達(dá)到要求后，拆除底板格柵，向下開挖，完成中板施工，待中板達(dá)到設(shè)計強度后，在中板的作用下，繼續(xù)向下開挖至底，完成底板及側(cè)墻。

2 監(jiān)測方案及結(jié)果

施工過程中，暗挖區(qū)域主要監(jiān)測內(nèi)容包括洞內(nèi)收斂及沉降、頂拱二襯結(jié)構(gòu)內(nèi)力及沉降、地表沉降及匝道路面沉降、橋梁承臺位移。本次主要研究地表沉降和匝道路面沉降。

2.1 監(jiān)測方案

圖4 主要施工階段現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.4 Site photos of main construction stage

表1 場地工程地質(zhì)參數(shù)Table 1 Soil parameters

本次地表沉降共設(shè)置了9 組斷面，其中觀測明挖豎井共3 組斷面，分別是DB01、DB05、DB09，每組各有10 個沉降觀測點。暗挖區(qū)域共6 組斷面，每組各有11 個沉降觀測點。觀測點的具體平面布置見圖5。

2.2 地表沉降分析

施工主要分兩個工區(qū)進(jìn)行，位于接收井（隴海路高架）以北為北側(cè)工區(qū)，以南則為南側(cè)工區(qū)，兩個工區(qū)基本同時進(jìn)行。這里布點斷面可分為三類：4、6 監(jiān)測斷面位于地面綠地，基本沒有活荷載；2、8 監(jiān)測斷面位于地面路面，應(yīng)考慮汽車車輛荷載；3、7 監(jiān)測斷面位于匝道路面，不僅考慮汽車荷載，還應(yīng)考慮匝道自重。各斷面沉降最大點隨施工進(jìn)度的關(guān)系如圖6，根據(jù)施工記錄，各階段的施工時間跨度反應(yīng)至圖中，由圖可知，地面綠地、地面路面和地面匝道的沉降走勢基本相同，由于荷載不同，各斷面表現(xiàn)出不同的沉降量，其中地面匝道沉降量最大，其次是地面道路，地面綠地沉降量最小?？傮w而言，邊樁施工和中導(dǎo)洞開挖期間地面沉降量最大，北側(cè)中導(dǎo)洞開挖沉降占比47.4%，邊樁施工沉降占比37.1%；南側(cè)中導(dǎo)洞開挖沉降占比54.2%，邊樁施工沉降占比22.5%。

2.2.1 小導(dǎo)洞施工完畢產(chǎn)生的沉降

圖5 監(jiān)測點平面布置圖Fig.5 Layout plan of monitoring points

圖6 地表沉降隨施工進(jìn)度的時間曲線Fig.6 Surface settlement-time curve with construction progress

小導(dǎo)洞施工過程中產(chǎn)生的地面沉降是比較小的，南北兩側(cè)監(jiān)測的結(jié)果都在5 mm左右。這可能是由于兩個小導(dǎo)洞開挖斷面較小，考慮到初襯較強（一排超前管棚和一排超前小導(dǎo)管），開挖面卸載較小。另一方面，兩個導(dǎo)洞間距較大，凈距8.15 m，導(dǎo)洞跨度5 m，導(dǎo)洞之間的相互影響較小，上方土體基本沒有產(chǎn)生二次擾動。

2.2.2 邊樁施工產(chǎn)生的沉降

依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，北側(cè)工區(qū)邊樁施工產(chǎn)生的沉降量為12.79 mm，約占總沉降的37.1%，南側(cè)工區(qū)邊樁施工產(chǎn)生的沉降量為8.58 mm，約占總沉降的22.5%。這與文獻(xiàn)［1］所闡述的邊樁引起的地面沉降較小的結(jié)論不一致，這可能是由于邊樁施工時，需破除格柵，初襯破壞后，沒有采取措施補強，使原本封閉的結(jié)構(gòu)體系遭到破壞而導(dǎo)致的。從南、北兩個工區(qū)對比可知，初襯破壞程度不同導(dǎo)致的沉降量有較大的差別，這與施工的進(jìn)度、同一時間邊樁施工的數(shù)量及距離是悉悉相關(guān)的。要想控制好沉降，施工中應(yīng)避免同時、近距離、大面積邊樁施工，并做好臨時補強措施。

2.2.3 中導(dǎo)洞開挖產(chǎn)生的沉降

中導(dǎo)洞開挖產(chǎn)生的沉降量是最大的，北側(cè)工區(qū)沉降量為16.34 mm，約占總沉降的47.4%，南側(cè)工區(qū)沉降量為20.66 mm，約占總沉降的54.2%，這一監(jiān)測結(jié)果與一般情況下初襯施工及二襯施工產(chǎn)生沉降量較大的結(jié)論不一致［2］。中導(dǎo)洞開挖產(chǎn)生較大沉降可能是由于中導(dǎo)洞將兩側(cè)小導(dǎo)洞連接起來，卸載范圍大幅增加，整個15.5 m跨度體系完全轉(zhuǎn)變?yōu)槌跻r結(jié)構(gòu)承擔(dān)。另一方面，中導(dǎo)洞開挖時，出現(xiàn)了較多拱部掉土的現(xiàn)象，這與中導(dǎo)洞超前支護(hù)相關(guān)（兩排超前管棚），在沒有超前小導(dǎo)管注漿的情況下，單靠超前管棚，極易產(chǎn)生掉土，從而使地面進(jìn)一步沉降，這在設(shè)計與施工中應(yīng)予以重視。

中導(dǎo)洞開挖，由于地面沉降量發(fā)展過快，為了控制沉降，采用了拱頂注漿的措施。合適注漿量和注漿壓力非常重要，能有效阻止沉降進(jìn)一步發(fā)展。

2.2.4 頂部扣拱產(chǎn)生的沉降

與一般情況不同，本工程頂部扣拱基本不產(chǎn)生沉降，這可能與每次拆除初襯之前采取一定預(yù)先豎向支撐有關(guān)。更有可能是，在超前支護(hù)和初襯做強的情況下（深孔注漿+超前管棚+格柵初襯），隨著拱部土體的全部挖除，注漿體的強度快速增長，形成初襯連帶厚注漿體的頂拱保護(hù)層，保護(hù)層能夠在短期內(nèi)承受較大的荷載，故而在拆除初襯進(jìn)行頂部二襯扣拱時保證沉降不發(fā)展。

本工程洞樁法二襯扣拱期間沉降不發(fā)展情況與沈陽新樂遺址地鐵站管幕預(yù)筑法主體結(jié)構(gòu)施工期間沉降不發(fā)展類似［4］，都是強勁的初襯形成受力體系后，承受大部分拱頂荷載，這種平衡體系在主體二襯結(jié)構(gòu)施工中基本不發(fā)生變化。

2.2.5 下部土體開挖及結(jié)構(gòu)施工產(chǎn)生的沉降

在頂拱和邊樁的保護(hù)下，進(jìn)行下部土體的開挖，采用全逆作的方式施工結(jié)構(gòu)中板和底板，期間產(chǎn)生的地面沉降很小，均在5 mm以內(nèi)。此過程主要是邊樁在下挖過程中產(chǎn)生的側(cè)向變形和邊樁嵌固長度變短導(dǎo)致的豎向沉降造成的。

總體而言，對于洞樁法這種人工開挖、工況繁雜、步序較多、施工補救措施靈活的工法而言，沉降預(yù)測是很困難的，更不宜強調(diào)過多解析方法。由于每個工程采用的開挖方式、支護(hù)強度和地質(zhì)水文條件各異，得出的工程經(jīng)驗也不盡相同，因此個案的分析和工程師的預(yù)判相當(dāng)重要。

3 中導(dǎo)洞開挖階段的沉降估測

由前可知，邊樁施工和中導(dǎo)洞開挖是沉降形成的主要階段，北側(cè)區(qū)域、南側(cè)區(qū)域此兩階段占總沉降量的84.5%、76.7%，因此這兩階段的沉降估測和沉降控制極為重要。一般而言，在經(jīng)歷過小導(dǎo)洞開挖、邊樁施工之后，結(jié)構(gòu)的體系及邊界條件基本不變，緊接著的中導(dǎo)洞開挖工序也是“沿襲”前階段的邊界條件和受力規(guī)律，此外，施工上的方式和參數(shù)也會被“沿襲”下來，因此可以認(rèn)為，在不出現(xiàn)極端措施的情況下，可以用邊樁施工之后的沉降估測中導(dǎo)洞開挖的沉降。

3.1 邊樁施工和中導(dǎo)洞開挖沉降規(guī)律

采用洞樁法施工，由于施工步序的復(fù)雜性和人為開挖的不確定等問題，很難用精確的理論解析去預(yù)測沉降，目前都是采用實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬進(jìn)行分析與解釋。

以南、北兩個工區(qū)的地面匝道實測數(shù)據(jù)為對象，研究發(fā)現(xiàn)，邊樁施工階段和中導(dǎo)洞開挖階段的沉降均大體符合Peck 曲線［5］（R 方均大于0.9），由于中導(dǎo)洞的開挖，最大沉降變大，沉降槽寬度變窄。由于中導(dǎo)洞是分左洞和右洞兩次開挖的，待一側(cè)導(dǎo)洞完成初襯之后方能進(jìn)行另一導(dǎo)洞的開挖，故Peck曲線會向后開挖的一側(cè)偏移［4］，而并非呈完全的中心線對稱，詳見圖7。

圖7 兩階段沉降規(guī)律Fig.7 Two-stage settlement rule

3.2 兩階段的沉降曲線關(guān)系

Peck 曲線采用高斯公式描述，其中Smax為最大沉降，i為沉降槽寬度，Sx=Smaxexp（-x2∕2i2）。兩個變量之間存在如下關(guān)系：Smax=，其中Vl是地層損失，與施工水平、地質(zhì)情況等相關(guān)。

可以假設(shè)，在經(jīng)歷過小導(dǎo)洞開挖、邊樁施工之后，結(jié)構(gòu)體系及邊界條件基本不變，施工方式和參數(shù)也大致相同，在不出現(xiàn)極端措施的情況下，中導(dǎo)洞開挖的地層損失率與邊樁施工的相同，即地層損失只與開挖斷面面積相關(guān)。以下標(biāo)1 為中導(dǎo)洞開挖沉降曲線參數(shù)，下標(biāo)2 為邊樁施工沉降曲線參數(shù)，存在如下關(guān)系：

其中S 為各階段開挖的斷面面積。由表2 可知，對于北側(cè)工區(qū)，按式（1）計算結(jié)果為2.03=1.68·i2∕i1，對于南側(cè)工區(qū)，按式（1）計算結(jié)果為1.93=1.68·i2∕i1。其中，1.68 為中導(dǎo)洞開挖的面積（包括兩側(cè)小導(dǎo)洞）與兩側(cè)小導(dǎo)洞開挖的面積之比，見圖3（b）和圖3（d）。通過表2 可知，i2∕i1=1.2，基本滿足式（1）。

i 為沉降槽寬度，與地層、施工方法和開挖跨度有關(guān)，本次不討論具體的沉降槽寬度確定方法，而重點討論兩個階段的關(guān)系。對于淺埋暗挖法而言，由于開挖跨度大，覆土很淺，沉降槽寬度受開挖跨度影響很大。孟丹等［6］研究表明，對于從中間向兩側(cè)擴(kuò)大開挖時，當(dāng)開挖斷面較大時，開挖跨度的影響不能忽略，理論上差值為L∕2（L 為開挖跨度）。反過來，對于從兩側(cè)向中間擴(kuò)大開挖時，由于受中部沉降影響，沉降槽寬度會變窄，理論上差值也是L∕2。通過表2 的擬合結(jié)果可知，i1=i2-0.417L，即沉降槽寬度減小的幅度為小導(dǎo)洞凈距L=8.15 m的0.417倍。當(dāng)然，以上結(jié)論是關(guān)于本工程南北兩個案例的經(jīng)驗，仍需更多的實例驗證。

表2 擬合曲線主要參數(shù)Table 2 Main parameters of fitting curve

圖8 沉降槽寬度變化示意Fig.8 Change of settlement trough width

3.3 沉降估測實用方法

通過以上結(jié)論可以估測洞樁法施工引起的地面沉降，為施工對周邊環(huán)境的分析以及是否需要采用更強的措施提供一定的依據(jù)，主要分為以下步驟：

（1）根據(jù)計算與經(jīng)驗，結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ痰刭|(zhì)與水文條件，設(shè)計合理施工方法，布置地面沉降監(jiān)測點。監(jiān)測兩側(cè)導(dǎo)洞開挖及邊樁施工引起的地面沉降。

（2）用Peck 曲線擬合地面沉降曲線，找出最大沉降Smax2，沉降槽寬度i2等關(guān)鍵參數(shù)。

（3）通過小導(dǎo)洞凈距跨度，估算中導(dǎo)洞開挖后的沉降槽寬度i1=i2-0.417L，通過中導(dǎo)洞開挖的面積（包括兩側(cè)小導(dǎo)洞）與兩側(cè)小導(dǎo)洞開挖的面積之比，估算地層損失率的比例關(guān)系Vl1∕Vl2=S1∕S2，從而根據(jù)Smax1∕Smax2=S1∕S2·i2∕i1估算Smax1。

（4）根據(jù)關(guān)系參數(shù)Smax1和i1估算中導(dǎo)洞開挖之后的地面沉降曲線。

（5）根據(jù)邊樁施工及中導(dǎo)洞開挖這兩階段沉降占總體沉降的關(guān)系，估測最終產(chǎn)生的沉降。

（6）若根據(jù)（4）或（5）產(chǎn)生的沉降量超過了預(yù)先設(shè)定的限值，則后續(xù)施工中應(yīng)采取更為有力的措施，避免發(fā)生風(fēng)險事件。

4 結(jié) 論

（1）按施工步序和沉降曲線特征，將洞樁法暗挖施工分為五個階段，根據(jù)實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，邊樁施工和中導(dǎo)洞開挖期間地面沉降量最大，北側(cè)中導(dǎo)洞開挖沉降占比47.4%，邊樁施工沉降占比37.1%；南側(cè)中導(dǎo)洞開挖沉降占比54.2%，邊樁施工沉降占比22.5%。依據(jù)工程特點給出了沉降發(fā)展的相關(guān)解釋，為設(shè)計、施工提供了應(yīng)注意的事項和理論依據(jù)。

（2）根據(jù)實測數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，邊樁施工階段和中導(dǎo)洞開挖階段的沉降均符合Peck 曲線，文章重點對比研究了兩個階段最大沉降量、沉降槽寬度之間的關(guān)系。

（3）建立了估測洞樁法施工引起的地面沉降的實用方法：以邊樁施工引起的地面沉降為基礎(chǔ)，根據(jù)兩階段沉降曲線關(guān)鍵參數(shù)之間的關(guān)系，求解中導(dǎo)洞開挖階段的最大沉降量和沉降槽寬度，用于預(yù)測中導(dǎo)洞開挖階段的地面沉降；再依據(jù)邊樁施工及中導(dǎo)洞開挖這兩階段沉降占總體沉降的比例，估測最終產(chǎn)生的沉降。沉降估測方法為后續(xù)施工及周邊環(huán)境保護(hù)提供一定的理論依據(jù)。