多跨地鐵車站洞樁法施工及控制技術(shù)研究

張耀軍

(中鐵十七局集團有限公司，266555，太原//高級工程師)

洞樁法作為目前地鐵車站暗挖施工的主流工法，具有擾動小、安全性高、適應(yīng)地層能力強等特點[1-2]。但由于城市軌道交通網(wǎng)的不斷擴大，其施工過程勢必會引起周圍土體的形變以及穩(wěn)定性的改變，影響鄰近建(構(gòu))筑物；同時，地鐵施工多位于城市主干道，開挖時會對周邊管線造成擾動效應(yīng)，嚴(yán)重影響周圍城市居民生活。

文獻[3]依托新疆地鐵1號線王家梁站，對洞樁法施工進行數(shù)值模擬，分析了施工對既有快速公交車站基礎(chǔ)的影響；文獻[4]基于某地鐵工程，采用有限元分析法，對復(fù)雜環(huán)境下暗挖隧道穿越富水砂層的地表沉降進行了研究；文獻[5]以西安地鐵4 號線某車站基坑為工程背景，對遷移并改造后的管線沉降進行現(xiàn)場監(jiān)測分析，得出了管線沉降隨時間的變化規(guī)律；文獻[6]總結(jié)了市政暗挖工程在不良地質(zhì)條件下下穿既有大型污水管道施工時進行風(fēng)險控制的技術(shù)措施；文獻[7]采用試驗與有限元模擬相結(jié)合的方法，來確定地鐵工程穿越施工中熱力管線的變形規(guī)律及其對管道自身強度的影響；文獻[8]通過數(shù)值試驗，對比分析了在不同等級圍巖段及不同開挖方法下，隧道施工引起的位移場、應(yīng)力場及塑性區(qū)的變化規(guī)律。上述已有研究都針對施工環(huán)節(jié)對周圍環(huán)境的影響。本文以石家莊軌道交通3號線三教堂站為例，通過現(xiàn)場調(diào)研和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，分析多跨洞樁法施工過程中對自身結(jié)構(gòu)和周圍管線的影響，并對控制技術(shù)的效果展開研究，同時提出了針對性應(yīng)急措施，以保障整個施工過程的安全。

1 工程概況

石家莊軌道交通3號線一期工程三教堂站，位于石家莊市塔北路與東二環(huán)南路交口處，沿東西方向布置，設(shè)2座風(fēng)道和4個出入口。車站暗挖段為地下兩層結(jié)構(gòu)，里程為DK19+191.428—DK19+263.328，全長71.9 m。綜合考慮工程特點，最后選定采用洞樁法施工，以盡量降低對地層的擾動。導(dǎo)洞超前支護采用φ42 mm×3.25 mm小導(dǎo)管預(yù)注漿；管棚與小導(dǎo)管注漿漿液均采用水灰比為1∶1的水泥漿；導(dǎo)洞初期支護采用250 mm厚C25早強網(wǎng)噴混凝土+鋼筋格柵；邊樁采用φ1 000 mm@1 500 mm圍護樁，樁長為18.63 m，并噴射C25早強混凝土。暗挖段拱頂覆土厚度均較淺，約為8.215 m，且地質(zhì)條件較差。車站基本位于第四系地層(自上而下主要為：①素填土，②雜填土，③粉質(zhì)黏土，④粉細砂，⑤粉土，⑥砂層，⑦粉土，⑧粉質(zhì)黏土)。暗挖段拱頂上方地下管線眾多。土體的大幅度移動將會引起管線的破損[9]，故施工風(fēng)險等級較高。3號線三教堂站周圍管線布置如圖1。

圖1 三教堂站周圍管線布置圖

2 洞樁法施工模擬

2.1 模型建立

利用有限差分軟件FLAC3D進行分析，依據(jù)相關(guān)施工圖紙及文件建立模型。因車站周邊地層連續(xù)均勻、無斷層，故模型寬取線路縱向單位長度1 m；同時充分考慮圣維南原理，消除模型邊界影響，模型尺寸定為140 m×1 m×60 m(長×寬×高)。模型四周采用水平位移約束，底面完全約束，地表為自由邊界。模型建立時，不同開挖步驟的劃分對應(yīng)于不同的組，且僅考慮自重應(yīng)力場的作用，不考慮地下水對工程的影響[10]。為分析多跨洞樁法施工中地層變形以及對周圍管線的影響情況，在地表布置了一系列沉降監(jiān)測點，同時在風(fēng)險等級較高的管線處布置位移監(jiān)測點(如圖2所示，其中，G1和G2為熱力管線，G3為煤氣管線，G4為雨水管線)。

圖2 計算模型

2.2 既定施工過程模擬

參考《石家莊市城市軌道交通3號線三教堂站工程巖土工程勘察報告》，將計算模型劃分為不同土層。有關(guān)計算參數(shù)見表1。

表1 主要計算參數(shù)

土體本構(gòu)模型設(shè)置為 Mohr—Coulomb 彈塑性，支護結(jié)構(gòu)采用理想線彈性模型。車站兩側(cè)邊樁采用 pile 單元，其他結(jié)構(gòu)均為實體單元。考慮等效原理，將導(dǎo)洞超前支護范圍內(nèi)的土體參數(shù)提高50%[11]。施工模擬前進行自重應(yīng)力平衡和初始位移場清零，地層土體開挖與馬頭門破除采用null模型。施工過程包括：開挖上導(dǎo)洞,開挖下導(dǎo)洞，樁梁施作，頂部扣拱；最后進行內(nèi)部土體開挖。主要施工順序如圖3。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 地表沉降規(guī)律

圖4為不同施工階段完成后的地表沉降曲線。由圖4可以看出,沉降曲線以車站中線為中軸表現(xiàn)出對稱性，形成較為標(biāo)準(zhǔn)的“沉降槽”。其中：施工對中線處的地表影響最大，橫向影響范圍大約在20～25 m之間；上導(dǎo)洞開挖引起的地表沉降為7.5 mm，占累計沉降量的45.2%；頂部扣拱引起的地表沉降為4.46 mm，占累計沉降量的26.9%；樁梁施作階段沉降變化量較小，僅為0.55 mm，占累計沉降量的3.3%。其中，上導(dǎo)沿開挖及頂部扣拱兩個階段地表受影響最為明顯，需針對其采取必要的土體加固措施。

圖4 地表沉降曲線

由于暗挖施工對車站中軸線處的地表影響最為明顯，故提取該中軸線上某點在整個施工過程中的沉降曲線(如圖5所示)予以分析。由圖5可見,其沉降的總體趨勢為:急速增長→緩慢發(fā)展→急速增長→穩(wěn)定平緩4個部分。在上導(dǎo)洞開挖過程中，沉降曲線斜率較大，地層受擾動明顯，同時各導(dǎo)洞間存在群洞效應(yīng)，故此階段沉降量快速增加。下導(dǎo)洞開挖時地表沉降速率得到緩解，因為上導(dǎo)洞土體的開挖已經(jīng)卸掉部分荷載，故此階段沉降增量降低。樁梁施作過程中，沉降曲線總體趨勢進一步變緩，因為此階段樁梁可以作為支撐結(jié)構(gòu)控制土體的應(yīng)力釋放，改善應(yīng)力重分布狀態(tài)。頂部扣拱階段，地表沉降急劇減少，沉降速率達到最大，因為此時土體開挖量不斷增長，扣拱施作過程對周圍土體受擾動的范圍不斷擴大。在車站結(jié)構(gòu)內(nèi)部土體開挖完成后，地表沉降出現(xiàn)減少趨勢，因為此階段車站圍護結(jié)構(gòu)主體基本完成，故能降低土體開挖所帶來的影響，且土體具有一定的回彈特性。但地表最終累計沉降值還是達到了16.6 mm，故還需進一步控制地表沉降。

圖5 車站中軸線上地表某點沉降曲線

3.2 施工對管線沉降影響

在地鐵車站建設(shè)中，車站主體開挖會打破原有初始應(yīng)力場，致使應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致土體發(fā)生豎向變形。而該變形會直接影響既有管線，使其發(fā)生變形，若變形過大則會造成管線破壞。為探明施工步序?qū)芫€的影響，以便確定更加有針對性的措施，需對不同管線位置沉降規(guī)律展開分析。圖6為各管線位置在整個施工過程中的沉降曲線。

圖6 管線沉降曲線

由圖6可見,熱力管線G1和G2位置的沉降變化相對更為明顯，并在樁梁施作階段前呈現(xiàn)出波動現(xiàn)象。這說明在此過程中地層土體自身進行著不斷的應(yīng)力調(diào)整，管線附近土體即將發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的位移。G2距離導(dǎo)洞拱頂更近，受群洞效應(yīng)影響最為嚴(yán)重，在下導(dǎo)洞開挖完成后G2沉降迅速超過G1點；最終G1累計沉降量為6.83 mm，G2累計沉降量為8.93 mm(已經(jīng)接近沉降控制值10 mm)。由此可以判斷得出G2的風(fēng)險等級較高。G3(煤氣管線)和G4(雨水管線)位置的沉降整體趨勢較為平緩，在中板施作后可達到基本穩(wěn)定狀態(tài)；此階段沉降值可以忽略不計，且兩個位置最終沉降量基本相同，為2.8 mm左右。三教堂站周圍主要為有壓管線，必要時可選擇采用深孔注漿等加固方式來降低管線的危險程度。

3.3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

為了更好地了解多跨洞樁法施工對三教堂車站本身受力狀態(tài)的影響，特對如圖7所示的車站主要結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況予以分析。從圖7 a)可看出，拱頂外側(cè)主要承受拉應(yīng)力，拉應(yīng)力值可達1.34 MPa；結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為3.28 MPa，出現(xiàn)在中板位置。這是因為車站跨度較大，不利于中板受力。從圖7 b)可見，中柱和邊樁作為主要承載結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出完全受壓的狀態(tài)，其最大壓應(yīng)力(約為4.74 MPa)出現(xiàn)在中柱的下半部；整個結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力為8.44 MPa，出現(xiàn)在中板與中柱接觸位置(此部分容易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，必要時需要加強支護)。從車站結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)可見,其拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均較大；特別是結(jié)構(gòu)受拉已經(jīng)超出材料容許應(yīng)力，必需采取控制措施。

4 施工過程控制及效果分析

基于既定施工方案，優(yōu)化開挖順序，即同層導(dǎo)洞采用交錯開挖的方式；同時進一步加強拱頂超前支護，以提高注漿加固區(qū)對應(yīng)土體的彈性模量和黏聚力等。土體加固具體位置見圖8。

圖8 控制措施示意圖

表2為采取地表沉降控制措施前后累計沉降量的對比分析?？梢钥闯?，當(dāng)采用上述控制措施后，地表沉降可以得到有效抑制，累計沉降量為8.43 mm。受施工影響較大的上導(dǎo)洞開挖階段，沉降增量為1.79 mm，頂部扣拱階段增量為1.03 mm，相比之前分別降低了76.1%和76.9%。這說明在上導(dǎo)洞拱頂加強超前支護的控制技術(shù)達到了預(yù)期效果；但對于下導(dǎo)洞開挖和樁梁施作兩個階段基本沒有起到控制作用，因為這兩個階段在無控制措施下沉降增量就相對較小。

表2 采取地表沉降控制措施前后沉降量對比

圖9為采取措施前后管線沉降量對比情況?？梢姴扇∵m當(dāng)?shù)拇胧┖?，所有監(jiān)測管線的沉降都得到顯著控制。特別是G1和G2位置處的熱力管線，累計沉降量分別可以降低52.6%和56.8%。這是因為這兩個管線距離車站拱頂更近，當(dāng)加強超前支護并增加小導(dǎo)管和大管棚設(shè)置密度后，拱頂土體加固影響范圍擴大至管線位置附近，其周圍土體變得更加穩(wěn)定。同時,通過改變導(dǎo)洞施工順序，采用上層導(dǎo)洞交錯開挖，下層導(dǎo)洞間隔進洞的方式，能夠一定程度上抑制群洞效應(yīng)，降低對土體的擾動。

圖9 管線沉降控制前后對比

圖10為車站主要結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況。從圖10 a)可看出，結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為2.12 MPa，相對未采取控制措施時降低35.4%。這是因為車站底部土體的注漿加固相當(dāng)于增強了地基承載力，使中柱的受力狀態(tài)得到了改善。從圖10 b)可看出，整個結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力為5.43 MPa，出現(xiàn)在邊柱與地板的接觸位置,相對未采取控制措施時降低35.7%。這是因為車站在開挖前對內(nèi)部土體進行注漿加固，可在施工初期降低中柱所承受的荷載，進而影響中板的受力情況。

5 施工控制技術(shù)

車站在采用洞樁法施工過程中，若采用既定方案，會帶來對周圍環(huán)境影響過大且自身受力狀態(tài)較差等風(fēng)險。通過對上述兩種施工方案模擬結(jié)果的分析，并結(jié)合施工現(xiàn)場實際情況，經(jīng)綜合考慮提出以下控制技術(shù)措施：

(1)暗挖段拱頂采用雙排大管棚加小導(dǎo)管的支護形式作為超前支護手段，適當(dāng)增強支護，增加小導(dǎo)管和大管棚布設(shè)密度，防止地層沉降。

(2)增強導(dǎo)洞內(nèi)初期支護，對拱部和中跨導(dǎo)洞間進行注漿加固；加固后的土體應(yīng)有良好的均勻性和自立性，其抗壓強度應(yīng)不小于0.5 MPa，以減少應(yīng)力釋放。由于下導(dǎo)洞底部處于粉細砂層，地基承載力較弱，故也需采用注漿加固；同時需控制注漿壓力，避免注漿中造成地下管線變形過大，并應(yīng)及時進行襯砌以及地層之間的填充。

(3)考慮群洞效應(yīng)，同層導(dǎo)洞交錯開挖，相鄰下導(dǎo)洞施工滯后一定時間進洞。小導(dǎo)洞建議采用臺階法開挖，臺階長度控制在3～5 m；開挖時需預(yù)留核心土，且長度不小于2 m。

(4)加強各導(dǎo)洞內(nèi)超前地質(zhì)勘探，根據(jù)掌子面地質(zhì)和含水率情況，確定是否采用噴射混凝土封閉掌子面，以減少圍巖暴露時間。

(5)提高現(xiàn)場監(jiān)測頻率，根據(jù)反饋信息隨時調(diào)整施工步距及支護參數(shù)。應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強支護、早封閉、勤量測”的原則。

6 結(jié)論

(1)采用既定方案施工，地表沉降曲線表現(xiàn)出對稱性,兩側(cè)影響范圍為20～25 m，上導(dǎo)洞開挖階段對土體的擾動最為明顯，頂部扣拱階段地表沉降速率最大，地表最終累計沉降值為16.6 mm。車站施工完成后，主體結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為3.28 MPa，最大壓應(yīng)力可達8.44 MPa。

(2)在未采取控制措施時，更靠近車站的熱力管線沉降量相對較大，最大沉降值為8.93 mm；其中樁梁施作和頂部扣拱兩個階段對管線的影響最大，中板施作后各管線沉降可達到穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)針對施工過程的影響規(guī)律，提出了增強超前支護、對拱部和內(nèi)部地層進行注漿加固、提高地基承載力、同層導(dǎo)洞交錯開挖、相鄰下導(dǎo)洞施工滯后一定時間進洞等關(guān)鍵控制措施。

(4)采取措施后，地表沉降量在影響最大的兩個階段得到明顯控制，管線沉降量也明顯減少，且車站主體結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)得到較大改善，表明了控制技術(shù)的有效性。