軟弱地層中某地鐵車站明蓋挖結(jié)合施工沉降研究

□文/高利立 袁 偉

軟弱地層中某地鐵車站明蓋挖結(jié)合施工沉降研究

□文/高利立 袁 偉

地鐵車站施工中根據(jù)地層、功能要求等選擇合適的施工方法對(duì)施工質(zhì)量和安全有重要作用。而因周邊環(huán)境、交通導(dǎo)行等條件限制時(shí)，須選擇明蓋挖結(jié)合等特殊工法，當(dāng)前對(duì)明蓋挖結(jié)合施工的研究大都是在較好地質(zhì)條件下，而在軟弱地層條件下較少。文章依托天津地鐵某車站實(shí)際工程，通過變形計(jì)算、施工監(jiān)測(cè)，綜合分析研究得出在軟弱地層條件下明蓋挖結(jié)合車站施工中會(huì)導(dǎo)致明蓋挖段之間產(chǎn)生較大的不均勻沉降，對(duì)不均勻沉降規(guī)律進(jìn)行總結(jié)并結(jié)合車站施工工藝提出控制建議。

軟弱地層；明蓋挖結(jié)合；沉降；地鐵；車站

車站是地鐵系統(tǒng)非常重要的組成部分，車站位置、環(huán)境條件、設(shè)計(jì)合理性、施工質(zhì)量對(duì)地鐵安全運(yùn)行有關(guān)鍵作用。施工時(shí)，根據(jù)車站特征、地質(zhì)情況、功能要求選擇合適的施工方法是重中之重。常見的施工方法有明挖法、蓋挖法、新奧法、盾構(gòu)法等，有時(shí)因環(huán)境條件、交通導(dǎo)行等因素影響，選擇明蓋挖結(jié)合方法。

國(guó)內(nèi)外對(duì)上述每種工法都做過非常深入的研究并取得了大量而豐富的科研成果和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。對(duì)明蓋挖結(jié)合的施工方案研究也有一定的成果，但大都是在地質(zhì)條件良好的情況下，而對(duì)軟弱地層條件下兩種工法結(jié)合施工的研究則少見，也沒有成熟的理論和經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)類似工程的設(shè)計(jì)和施工。

1 工程概況

1.1 基本概況

天津地鐵某車站位于新開路與華昌道交叉路口，在道路交口四角設(shè)4個(gè)出入口，在東南、西南兩側(cè)設(shè)兩組風(fēng)亭，站區(qū)范圍地面建筑物較密集。該車站為地下2層島式站臺(tái)車站，采用一柱兩跨框架式結(jié)構(gòu)。車站總長(zhǎng)度182.2 m，其中西側(cè)蓋挖段長(zhǎng)124.8 m，東側(cè)明挖段長(zhǎng)57.4 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為20.5 m，兩端盾構(gòu)井寬度為25.3 m，基坑開挖深度17.5 m。車站在西側(cè)新開路道路紅線內(nèi)的結(jié)構(gòu)采用蓋挖逆作法施工，其余采用明挖順作法施工。先期施工的西側(cè)蓋挖段結(jié)構(gòu)頂板中柱采用鋼管柱，盾構(gòu)井段為φ800 mm，標(biāo)準(zhǔn)段為φ1000 mm；鋼管柱兩側(cè)各設(shè)有一排φ1000 mm臨時(shí)立柱，支撐蓋挖段結(jié)構(gòu)頂板，蓋挖段結(jié)構(gòu)完成后拆除。車站主體側(cè)墻采用結(jié)合墻形式，設(shè)計(jì)為800 mm厚地下連續(xù)墻和600 mm厚鋼筋混凝土內(nèi)襯。

1.2 地質(zhì)概況

車站擬建場(chǎng)區(qū)地層為第四系全新統(tǒng)人工填土層、第Ⅰ陸相層、第Ⅰ海相層、第Ⅱ陸相層、第Ⅲ陸相層、第Ⅱ海相層、第Ⅳ陸相層、第Ⅲ海相層、第Ⅴ陸相層、第Ⅳ海相層。以粉土和粉質(zhì)粘土為主，地基承載能力較差。

表層地下水類型主要為第四系孔隙潛水，表層地下水類型為第四系孔隙潛水，埋藏較淺，勘測(cè)地下水埋深0.9～2.6 m，主要賦存于第Ⅰ海相層的粉土、粘性土與粉土互層的地層中，含水層水平、垂向滲透性差異性較大，局部夾有粉砂薄層地帶。主要含水層顆粒較細(xì)，水力坡度較小，徑流緩慢；第Ⅱ、Ⅲ陸相層及以下的粉土、粉細(xì)砂層地下水具微承壓性。微承壓水以第Ⅱ陸相層的湖沼相沉積⑤1、⑥1層粉質(zhì)粘土為相對(duì)隔水頂板，地鐵工程影響范圍內(nèi)微承壓水主要賦存于⑥2層粉土、⑥3層粉砂、⑦2層粉土、⑦3層粉砂、⑦4層細(xì)砂中，以⑥1、⑦1層為相對(duì)隔水層。主要接受上層潛水的滲透補(bǔ)給，與上層潛水水力聯(lián)系相對(duì)緊密，排泄以相對(duì)含水層中的徑流形式為主，同時(shí)以滲透的方式補(bǔ)給深層地下水。

2 明蓋挖結(jié)合施工不均勻沉降研究

2.1 不均勻沉降計(jì)算分析

結(jié)構(gòu)、土層發(fā)生位移和變形能集中體現(xiàn)施工過程中車站結(jié)構(gòu)及周邊土層變化情況，針對(duì)明蓋挖結(jié)合車站的特點(diǎn)及施工過程，運(yùn)用荷載-結(jié)構(gòu)模型對(duì)車站明蓋挖結(jié)合施工過程進(jìn)行計(jì)算，選取車站中的鋼管柱和地連墻作為差異計(jì)算分析對(duì)象。通過對(duì)明挖段、蓋挖段在施工階段和使用階段的相關(guān)點(diǎn)位理論沉降計(jì)算值進(jìn)行綜合分析，初步明確軟弱地層明蓋挖結(jié)合施工所引發(fā)的主要工程問題。

1）計(jì)算模型及條件。主體結(jié)構(gòu)主要尺寸按實(shí)際設(shè)計(jì)確定，柱截面直徑φ1000 mm，頂板、站廳層板、底板厚度分別為 950、450、1000 mm，側(cè)墻厚為 600 mm（標(biāo)準(zhǔn)段）和800 mm（盾構(gòu)井段），頂板縱梁、中縱梁、底板縱梁尺寸分別為 1200 mm×2000 mm、1200 mm×850 mm、1200 mm×1200 mm。

車站結(jié)構(gòu)計(jì)算模型為支承在彈性地基上的對(duì)稱平面框架結(jié)構(gòu)，底板用土彈簧模擬土體抗力。按實(shí)際施工方法考慮基本水平及豎向荷載，模擬開挖、回筑和使用階段受力狀況，按最不利內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算。中柱根據(jù)等效EA原則換算成厚為0.09 m的墻。假定圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)之間只傳遞法向壓力。

計(jì)算中，各類荷載及參數(shù)取值按照勘察資料及地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范取值，土體重度γ取20 kN/m3，設(shè)備荷載取8 kN/m2，地面超載取20 kN/m2。側(cè)壓力計(jì)算中，粘性土水土合算，砂性土水土分算。地下水位取-1.5 m。荷載組合與分項(xiàng)系數(shù)根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，按結(jié)構(gòu)在施工階段和使用階段可能出現(xiàn)的最不利情況進(jìn)行荷載組合。計(jì)算基本模型見圖1。

2）計(jì)算結(jié)果。利用SAP2000軟件進(jìn)行蓋挖逆作施工模擬，考慮各階段荷載作用的特點(diǎn)，分析施工階段和使用階段的變形特征。施工階段對(duì)蓋挖段和明挖段地下連續(xù)墻的累積沉降值進(jìn)行計(jì)算分析，使用階段對(duì)明挖段和蓋挖段的頂板、底板沉降進(jìn)行計(jì)算分析。

212例胸部CT均為GE HD680上按胸部CT常規(guī)平掃，參數(shù)選用120KV，100～500mA，螺距1.375：1，球管轉(zhuǎn)速0.35S/圈，螺旋掃描，視野為large?？v膈窗（窗寬350，窗位40）采用soft重建，5mm層厚，5mm層間距，迭代90%。肺窗（窗寬1500，窗位-700）采用lungs重建，0.625mm層厚，0.625mm層間距，迭代90%。再選擇3名有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生根據(jù)胸部 CT 平掃左心室區(qū)密度與室間隔區(qū)密度對(duì)比減低來推測(cè)患者是否貧血并記錄下來。

（1）施工階段。蓋挖段地連墻最大沉降30.2 mm，明挖段地連墻最大沉降199 mm。說明在軟弱地層采用明蓋挖結(jié)合施工所導(dǎo)致的周邊地層差異沉降為168.8 mm。

（2）使用階段。蓋挖段頂板最大沉降5 mm，底板最大沉降2 mm；明挖段不考慮地基加固時(shí)，頂板最大沉降7.7 mm，底板最大沉降6.5 mm?？紤]地基加固時(shí)，頂板最大沉降4 mm，底板最大沉降3.2 mm。

計(jì)算結(jié)果說明，在軟弱地層中，同一車站采用明蓋挖結(jié)合方法施工時(shí)，明挖段與蓋挖段不僅在施工階段存在差異沉降，在后期使用階段仍然存在差異沉降。同時(shí)在車站蓋挖段頂板與底板產(chǎn)生的較大差異沉降，導(dǎo)致蓋挖部分車站結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生變形，影響結(jié)構(gòu)安全。而考慮了蓋挖部分車站的變形協(xié)調(diào)，在坑底進(jìn)行旋噴加固，計(jì)算結(jié)果顯示減少了差異沉降，保持了變形協(xié)調(diào)一致。

2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)研究

為更明確分析以上問題，在車站施工時(shí)，分別對(duì)車站明挖段和蓋挖段布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行施工沉降監(jiān)測(cè)。

1）明挖段沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)大小的范圍分布，排除奇異數(shù)據(jù)點(diǎn)，選取N-FC1和S-FC5兩點(diǎn)位的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，見圖2。

2）蓋挖段沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。根據(jù)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)大小的范圍分布，排除奇異數(shù)據(jù)點(diǎn)，選取1-2、1-5和1-6三個(gè)點(diǎn)位的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，見圖3。

3）綜合分析。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，靠近明蓋挖結(jié)合處的N-FC1點(diǎn)沉降值較大，而距離結(jié)合處較遠(yuǎn)的S-FC5沉降則較小，施工過程中最大差異沉降約為160 mm。明挖法施工時(shí)周邊土體最大沉降量達(dá)到271 mm，蓋挖法最大沉降為33 mm。說明蓋挖法施工產(chǎn)生的周邊土體沉降遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于明挖法產(chǎn)生的沉降且在明蓋挖結(jié)合處會(huì)產(chǎn)生極大的不均勻沉降。故在明蓋挖施工過程中，應(yīng)通過各種技術(shù)措施控制施工沉降，盡量減小明挖法的施工沉降值，從而降低明蓋挖施工產(chǎn)生的不均勻沉降問題。

3 明蓋挖結(jié)合施工工藝

考慮在軟弱地層中采用明蓋挖相結(jié)合施工的不均勻沉降控制，基坑開挖順序可擬定為蓋挖段站廳層土方開挖→明挖段土方開挖→蓋挖段站臺(tái)層土方開挖，見圖4。

1）蓋挖段站廳層土方開挖順序。首先開挖明蓋挖分界處明挖段土方，縱向長(zhǎng)度21 m，深度7.1 m，明挖側(cè)按1∶2坡度放坡，此步開挖主要是為進(jìn)入蓋挖段站廳層施工提供作業(yè)面。蓋挖段站廳層土體分兩層開挖，上層土體高度為3.5 m，由東向西水平開挖。到達(dá)車站西端頭后，反方向由西向東水平開挖蓋挖段站廳層下層高度為2.1 m的土體，人工配合清底找平，及時(shí)施工地?；炷练忾]基坑，分段施工中板及側(cè)墻。

2）明挖段土方開挖順序。明挖段土方開挖采取水平分層的順序，配合鋼支撐的安裝，總體分三步施工。第一步：蓋挖段站廳層土方開挖完成后，破除明挖段路面后安裝第一道鋼支撐，開挖至第二道支撐以下0.5 m，安裝第二道鋼支撐。第二步：繼續(xù)開挖至第三道支撐以下0.5 m，安裝第三道鋼支撐。第三步：繼續(xù)開挖至基坑底，人工配合清底找平，及時(shí)安裝第四道鋼支撐，施工墊層混凝土封閉基坑，分段施工底板和側(cè)墻結(jié)構(gòu)。

3）蓋挖段站臺(tái)層土方開挖順序。當(dāng)蓋挖段站廳層結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求后，開挖蓋挖段站臺(tái)層土方。蓋挖段站臺(tái)層設(shè)計(jì)有一道水平鋼支撐，土方需分四層開挖。第一層開挖3.0 m，由東向西水平開挖；第二層反方向由西向東開挖1.5 m，隨開挖由西向東及時(shí)安裝鋼支撐；第三層開挖3.0 m，由東向西水平開挖；第四層由西向東開挖剩余約1 m土方，人工配合清底找平，及時(shí)施工墊層混凝土封閉基坑，分段施工底板及側(cè)墻。

4 結(jié)論

1）明蓋挖結(jié)合施工不均勻沉降計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均顯示，軟弱地層中明蓋挖結(jié)合施工中會(huì)導(dǎo)致較大不均勻沉降的發(fā)生，明挖段施工的沉降均大于蓋挖段施工且在明蓋挖結(jié)合處會(huì)產(chǎn)生極大的不均勻沉降。

2）對(duì)車站蓋挖段施工，車站基坑底板的沉降比頂板沉降大，導(dǎo)致蓋挖部分車站結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生變形，影響結(jié)構(gòu)安全。施工中采取在坑底進(jìn)行旋噴加固的方法控制基坑底板沉降，有效地控制了蓋挖法施工底板的沉降。

3）在軟弱地層中采用明蓋挖結(jié)合施工車站，施工時(shí)綜合研究施工方法并應(yīng)嚴(yán)格控制明蓋挖法施工的各項(xiàng)施工工序要采取注漿、旋噴等土體加固手段控制沉降，以協(xié)調(diào)明、蓋挖段之間的差異沉降以及蓋挖段頂板與底板的差異沉降，同時(shí)應(yīng)在車站結(jié)構(gòu)防水方面需研究采取針對(duì)性措施。

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［3］宋順龍，章曉鵬，李文波.新型蓋挖法在上海地鐵車站的應(yīng)用[J].都市快軌交通，2009，（6）：79-83.

［4］臧小龍.蓋挖法在地鐵車站施工中的應(yīng)用前景分析[J].山西建筑，2008，34（28）：269-270.

［5］JGJ 94—2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

□袁 偉/天津市地下鐵道集團(tuán)有限公司。

U231+.4

C

1008-3197（2012）06-25-03

□課題項(xiàng)目：天津市建交委科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目（2008-26-2）

2012-11-09

高利立/男，1987年出生，助理工程師，碩士，天津市地下鐵道集團(tuán)有限公司，從事地鐵工程技術(shù)管理工作。