長(zhǎng)春地鐵1號(hào)線解放大路站一次扣拱暗挖逆作法施工地表沉降分析與控制

李春奎

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300202)

0 引言

現(xiàn)有地鐵暗挖施工工藝中，傳統(tǒng)的CRD法存在著施工步序較多、易造成地表沉降大，且后期破除量大等不足［1］，20世紀(jì)90年代形成的PBA法又面臨導(dǎo)洞斷面小、工序多、不利于施工操作和組織、工期相對(duì)較長(zhǎng)等問題［2］。2005年，由北京城建設(shè)計(jì)研究總院黃美群等針對(duì)PBA法和CRD法的不足改革創(chuàng)新，結(jié)合工程實(shí)踐，提出一種新的用于修建大型地下建筑工程的暗挖工法——一次扣拱暗挖逆作法，并于2008年在北京地鐵10號(hào)線黃莊站成功應(yīng)用，該工法具有地面沉降及群洞效應(yīng)控制顯著、結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)換次數(shù)少、作業(yè)空間大和施工速度快等特點(diǎn)［3］。在東北地區(qū)，采用同樣技術(shù)建造的沈陽(yáng)地鐵1號(hào)線青年大街站也于2010年9月底正式通車運(yùn)營(yíng)。2011年，該技術(shù)再次應(yīng)用于長(zhǎng)春市地鐵1號(hào)線解放大路站。文獻(xiàn)［4］介紹了已成功修建的沈陽(yáng)地鐵一期工程青年大街站施工技術(shù)，結(jié)合施工前的數(shù)值模擬及施工中的監(jiān)控量測(cè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)多跨地鐵車站扣拱施工過程地表沉降特征進(jìn)行分析，得出扣拱施工是PBA工法中的關(guān)鍵性工序。文獻(xiàn)［5］分析了北京黃莊站存在的主要風(fēng)險(xiǎn)是地表沉降引起的地下管線破壞，采用FLAC3D軟件模擬分析了一次扣拱暗挖逆作法施工車站主體結(jié)構(gòu)引起的地表沉降及規(guī)律，采取工程措施后，將工程實(shí)際監(jiān)控量測(cè)結(jié)果與計(jì)算分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，并得出結(jié)論。本文通過總結(jié)和分析解放大路站施工中的地表沉降，找出一次扣拱暗挖逆作工法在我國(guó)東北地層條件下的沉降規(guī)律，總結(jié)分析工法實(shí)施過程中的地表沉降原因，改進(jìn)思路，提出有效控制措施，為進(jìn)一步完善和發(fā)展城市軌道交通工程暗挖工法提供借鑒和幫助。

1 工程概況

1.1 結(jié)構(gòu)概況

長(zhǎng)春市解放大路站位于人民大街與解放大路十字路口交匯處，為地鐵1號(hào)線和2號(hào)線的換乘車站。1號(hào)線主體為雙層三跨拱頂直墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)凈空尺寸為21.8 m(寬)×14.9 m(高)，拱部覆土厚度 8.5～9.5 m，采用一次扣拱暗挖逆作法施工。

1.2 地質(zhì)及水文情況

場(chǎng)區(qū)地層由第四系全新統(tǒng)人工填土層、第四系中更新統(tǒng)沖洪積黏性土、砂土和白堊紀(jì)泥巖組成。

現(xiàn)場(chǎng)勘查過程中，發(fā)現(xiàn)3層地下水:第1層為表層孔隙潛水;第2層為淺層承壓水，均屬于第四系松散巖類孔隙水;第3層為巖石裂縫水，屬碎屑巖類裂隙水。施工前，通過在開挖輪廓線外3 m設(shè)置間距為6 m的降水井進(jìn)行施工降水，達(dá)到無水作業(yè)的暗挖環(huán)境。

1.3 施工總體情況

根據(jù)總體工程部署，1號(hào)線車站劃分為北段和南段2個(gè)段落分別單獨(dú)施工，其中北段60 m任務(wù)自2012年9月10日開始導(dǎo)洞開挖，至2013年10月20日結(jié)束，共用時(shí)405 d(含1個(gè)冬休期61 d)。各階段施工時(shí)間見圖1。

圖1 各階段施工時(shí)間Table 1 Construction schedule

1.4 導(dǎo)洞施工順序現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整

按照一次扣拱暗挖逆作法原設(shè)計(jì)圖紙要求，車站導(dǎo)洞施工順序原為先下后上，先邊后中，具體施工步序見圖2。由于前期征遷滯后，為合理縮短工期，方便施工快速組織，同時(shí)根據(jù)實(shí)際地層條件結(jié)合理論數(shù)值模擬結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)決定改變?cè)桨福瑢?dǎo)洞開挖順序調(diào)整為先上后下，先邊后中。調(diào)整后的導(dǎo)洞施工順序見圖3。

2 一次扣拱暗挖逆作法地表沉降規(guī)律分析

2.1 沉降點(diǎn)布設(shè)情況及特征點(diǎn)沉降規(guī)律分析

解放大路站1號(hào)線車站主體北段60 m任務(wù)段落(圖4黑色粗體方框內(nèi)區(qū)域)地表共布設(shè)52個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)(點(diǎn)位布設(shè)見圖4)，從導(dǎo)洞破除馬頭門開始進(jìn)行監(jiān)測(cè)，截至中跨拱部結(jié)構(gòu)混凝土施工完畢(圖2中第④步施工完畢)時(shí)，沉降最大值為85.46 mm(78a號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，剖面位置見圖3)，其縱向位置在中跨拱頂?shù)乇砭囡L(fēng)道口40 m處，同樣含有該點(diǎn)的5號(hào)橫斷面也沉降最大。78a號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降曲線及沉降分配餅圖見圖5。

從圖5可以看出，地表在邊跨導(dǎo)洞開挖(見圖3)及中跨導(dǎo)洞開挖(圖2第④步)施工期間，發(fā)生的沉降較大，分別占到總沉降量的59.14%和16.67%，合計(jì)達(dá)到75.81%。同時(shí)，由于黏土的變形滯后效應(yīng)，在未施工的冬休期間，地表仍然發(fā)生了一部分沉降，這部分沉降排在第3位，占到總沉降量的8%。而最初在計(jì)算機(jī)模擬過程中，由于邊跨結(jié)構(gòu)二次襯砌施工(圖2第②、③步)需要對(duì)導(dǎo)洞中隔壁支護(hù)進(jìn)行拆換，此時(shí)造成的較大地表沉降在實(shí)際施工中并未明顯發(fā)生。

圖2 一次扣拱暗挖逆作法施工步序圖Fig.2 Sequence of top-down construction method under protection of cast-in-situ arch specified in original design

同時(shí)也可看出，一次扣拱暗挖逆作法的優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)混凝土施工全過程對(duì)地表沉降控制較好，優(yōu)于傳統(tǒng)CRD法和PBA法。

圖3 調(diào)整后的導(dǎo)洞施工順序圖Fig.3 Optimized pilot tunnel construction sequence

圖4 1號(hào)線車站主體北段60 m段落地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖(單位:m)Fig.4 Layout of ground surface settlement monitoring points(m)

圖5 78a監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)地表沉降曲線及分配餅圖Fig.5 Ground surface settlement measured at No.78 monitoring point

2.2 沉降規(guī)律分析

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，全部52個(gè)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，累計(jì)沉降小于30 mm(目前北京市標(biāo)準(zhǔn)斷面暗挖區(qū)間隧道驗(yàn)標(biāo)規(guī)定值)的點(diǎn)數(shù)為5個(gè)，占總點(diǎn)數(shù)的9.6%，小于60 mm(設(shè)計(jì)圖紙規(guī)定值，含累計(jì)沉降小于30 mm的點(diǎn)數(shù))的點(diǎn)數(shù)為26個(gè)，占總點(diǎn)數(shù)的50%，大于等于60 mm的點(diǎn)數(shù)為26個(gè)，為50%。

通過對(duì)所有地表點(diǎn)進(jìn)行分析，得到沉降擬合云圖，見圖6。

圖6 地表沉降擬合云圖Fig.6 Contour of fitting of ground surface settlement

從圖6中可以看出:

1)車站結(jié)構(gòu)正上方的區(qū)域(車站中心線左右各12 m范圍內(nèi))沉降最大，均達(dá)到60 mm以上，大于車站拱部覆土厚度2倍(左右各20 m)以外的地面沉降，基本在30 mm以內(nèi);

2)車站縱向(施工方向)地表沉降差異相對(duì)較小(＜20 mm)，橫向基本對(duì)稱;

3)邊跨拱部二次襯砌結(jié)構(gòu)形成后，不但能夠抑制車站邊跨上方地表沉降，亦能在中跨土體開挖過程中，有效控制中跨上方的土體沉降，即最終形成的沉降槽底部為平底，而不是鍋底(見圖6及圖7)。

圖7 5號(hào)橫斷面沉降曲線圖Fig.7 Curve of ground surface settlement of No.5 cross-section

2.3 沉降原因分析

除降水導(dǎo)致土體變形外，一次扣拱暗挖逆作法施工地表沉降主要有以下原因:

1)土方開挖造成土層凌空，產(chǎn)生土體沉降，繼而傳遞至地表，引起地表沉降。

2)導(dǎo)洞初期支護(hù)未密貼土體，造成間隙，引起土層沉降。

3)導(dǎo)洞開挖中的群洞效應(yīng)。由于本工法共采用4個(gè)大導(dǎo)洞，導(dǎo)洞間距小于1倍洞徑，致使上下層導(dǎo)洞及左右近鄰導(dǎo)洞施工時(shí)沉降疊加效應(yīng)明顯。但同時(shí)由于導(dǎo)洞間存在一部分土體，相對(duì)CRD工法來講，沉降傳遞受到部分阻隔，所以導(dǎo)洞開挖期間的沉降能夠得到較好控制。

4)由于導(dǎo)洞斷面較大，采用雙側(cè)壁或中隔壁法進(jìn)行施工，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)混凝土施工時(shí)需對(duì)臨時(shí)的中隔壁支撐進(jìn)行拆除，此時(shí)，拆撐的段落劃分及時(shí)機(jī)就極為重要。解放大路站根據(jù)監(jiān)測(cè)情況，將拆撐的長(zhǎng)度定為10 m/循環(huán)，由內(nèi)向外逐段拆除，沉降控制較為理想。

5)除施工工藝外，施工速度對(duì)于地表沉降的影響亦不可忽視。

3 控制地表沉降采取的相應(yīng)措施

1)加快初期支護(hù)施工速度，減少開挖面凌空面積和時(shí)間，盡早進(jìn)行支護(hù)背后回填注漿(宜控制在3 m之內(nèi))，并根據(jù)沉降監(jiān)測(cè)，進(jìn)行反復(fù)回填注漿，減小支護(hù)背后間隙。

2)根據(jù)地層合理安排導(dǎo)洞施工順序，并確定各小導(dǎo)洞施工步距。在上下層導(dǎo)洞施工順序上，究竟是先上后下，或是先下后上，通過計(jì)算機(jī)模擬以及在北京和長(zhǎng)春的實(shí)踐證明，兩者造成的最終地表沉降差異不大，可以根據(jù)地質(zhì)條件及現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境要求進(jìn)行選擇。

3)為減小上下層導(dǎo)洞施工造成的沉降疊加效應(yīng)，應(yīng)針對(duì)層間土體采用超前深孔注漿進(jìn)行有效注漿加固，減小沉降傳遞。

4)結(jié)構(gòu)混凝土施工中，合理確定中隔壁拆撐段落長(zhǎng)度和時(shí)機(jī)，不宜過長(zhǎng)和過早拆撐。在類似本車站所在底層的條件下，拆撐長(zhǎng)度宜控制在9～11 m，待前一模結(jié)構(gòu)混凝土澆筑完畢后，進(jìn)行下一循環(huán)拆撐工序。

5)不論是導(dǎo)洞施工階段還是二次襯砌結(jié)構(gòu)施工階段，都應(yīng)合理加快施工進(jìn)度，盡早形成拱部襯砌結(jié)構(gòu)，有效抑制地表沉降風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論與體會(huì)

綜合以上分析，一次扣拱暗挖逆作工法由于導(dǎo)洞斷面較大，同時(shí)簡(jiǎn)化了拆撐工序，使得拱部襯砌結(jié)構(gòu)一次形成，因而有效地減小了結(jié)構(gòu)混凝土施工過程中的地表沉降。從本工法在長(zhǎng)春地鐵1號(hào)線解放大路站施工過程中造成的地表沉降規(guī)律特點(diǎn)來看，地表沉降控制的重點(diǎn)仍是導(dǎo)洞土方開挖環(huán)節(jié)，這與本工法在北京黃莊和沈陽(yáng)青年大街站應(yīng)用中的規(guī)律基本相似，稍有區(qū)別的是以下2點(diǎn):1)解放大路站底層導(dǎo)洞位于第四系白堊紀(jì)強(qiáng)風(fēng)化泥巖層，相對(duì)北京和沈陽(yáng)來說，工程地質(zhì)較好，能有效地減少沉降對(duì)地表的影響;2)由于長(zhǎng)春地區(qū)地處嚴(yán)寒地區(qū)，存在冬休期(建設(shè)單位提出)，雖然處在停工期，但由于黏土層變形的滯后效應(yīng)，致使地表仍在沉降。因此，加強(qiáng)在導(dǎo)洞施工時(shí)段內(nèi)的地表沉降控制是本工法應(yīng)用成敗的關(guān)鍵，施工中必須嚴(yán)格遵循“十八字”方針，加強(qiáng)初期支護(hù)系統(tǒng)的工藝質(zhì)量控制。

建議在高緯度嚴(yán)寒氣溫條件下，盡量合理安排工序時(shí)間，將導(dǎo)洞開挖直至中跨拱部二次襯砌結(jié)構(gòu)結(jié)束的這段時(shí)間，安排在一年的有效施工期內(nèi)，避開冬休期，連續(xù)作業(yè)，同時(shí)，施工中應(yīng)合理加快施工進(jìn)度，有效控制地表沉降，確保地表管線及地面行人及行車安全。

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