復(fù)合地層高承壓水洞樁法暗挖車(chē)站施工可行性研究

■ 中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 姚西平

洞樁法在北京地鐵東單站施工時(shí)首次采用，它結(jié)合了淺埋暗挖法、蓋挖法以及框架結(jié)構(gòu)的技術(shù)成果，適用于市區(qū)地面交通繁忙、地下管線密布等對(duì)地面沉降要求較高的地區(qū)，迄今為止，該方法在國(guó)內(nèi)地鐵車(chē)站的建設(shè)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)洞樁法地鐵車(chē)站做了大量研究。羅富榮[1]結(jié)合天安門(mén)西站工程，對(duì)主要施工程序進(jìn)行了數(shù)值分析，結(jié)果表明下導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)地表沉降較大，占施工總沉降的50%；瞿萬(wàn)波[2]對(duì)北京地鐵10號(hào)線工體北路站大斷面群洞交叉隧道進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)不同邊樁的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)隧道受力和橫向位移產(chǎn)生不同的控制效果，得出洞樁法施工的三維力學(xué)效應(yīng)和地鐵站交叉口初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)效應(yīng)和沉降規(guī)律。多數(shù)研究針對(duì)單一地層中的洞樁法施工進(jìn)行研究，主要解決在單一地層中洞樁法施工工序、開(kāi)挖步距、凈距對(duì)變形影響的問(wèn)題，而對(duì)復(fù)合地層且?guī)r層中富含承壓水的洞樁法施工的研究較少。

圖1 車(chē)站總平面圖

1.工程概況

該站為某城市1、2號(hào)線換乘站，位于繁華市區(qū)，車(chē)站周邊地上、地下建構(gòu)筑物眾多，中山路路口下方為時(shí)尚大道，是一幢地下一層局部?jī)蓪拥纳虡I(yè)建筑，兼作過(guò)街通道；路口東南象限為百貨大樓，西南象限為鳳凰書(shū)城，西北象限為古彭大廈；1號(hào)線車(chē)站南側(cè)為悠沃地下四層商場(chǎng)，北側(cè)為既有古彭地下廣場(chǎng)，準(zhǔn)備拆除；2號(hào)線彭城路東側(cè)為蘇寧廣場(chǎng)商業(yè)綜合體，東北側(cè)為富景廣場(chǎng)和華聯(lián)商廈，東南側(cè)為彭城飯店，各建構(gòu)筑物及基礎(chǔ)形式如圖1所示。

該換乘站1號(hào)線沿主干道淮海路下敷設(shè)，采用洞樁法施工；2號(hào)線車(chē)站位于彭城路正下方，采用半蓋挖法；兩線采用換乘廳換乘，采用明挖法施工，兩線車(chē)站同期實(shí)施。

2.工程地質(zhì)適應(yīng)性分析

車(chē)站從上到下主要土層為：(1)-1雜填土，松散；(1)-1-2老城雜填土，松散；雜填土和老城雜填土厚度約10m～11m；（5）3-4粘土，硬塑，液性指數(shù)0.15，滲透系數(shù)1.2×10-6cm/s，厚度約10m～11m，自穩(wěn)性強(qiáng)，常規(guī)的超前支護(hù)措施（小導(dǎo)管、管棚）加固效果較好，可以滿足暗挖施工的安全要求；該層土為不透水層，可將上層導(dǎo)洞扣拱置于該土層之上。

圖2 洞樁法車(chē)站地質(zhì)縱斷面圖

表1 巖石滲透系數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

圖3 水文地質(zhì)單元平面圖

圖4 車(chē)站橫斷面圖

基巖埋深約22m左右，為中風(fēng)化的寒武系頁(yè)巖、灰?guī)r和粉砂巖，條帶狀互層，為南西—北東走向，傾角65～80，單軸飽和抗壓強(qiáng)度分別為：4.28MPa、40.9MPa、22.31MPa，巖石裂隙較為發(fā)育，巖石基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ級(jí)，考慮裂隙及灰?guī)r中的承壓水，綜合圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，基巖力學(xué)性質(zhì)相對(duì)較好，可作為圍護(hù)樁的持力層。車(chē)站工程地質(zhì)情況如圖2所示。

3.水文地質(zhì)適應(yīng)性

該站位地下水類型主要為上部土層中的潛水及基巖裂隙水。潛水位于地表以下3.8m～5.5m。在該站做巖溶水文地質(zhì)專項(xiàng)試驗(yàn)，結(jié)果表明：

（1）承壓位于灰?guī)r條帶中，頁(yè)巖和砂頁(yè)均為隔水層，且與灰?guī)r之間的聯(lián)系很弱；饅頭組基巖裂隙水沿沿節(jié)理、層面垂向徑流強(qiáng)烈，條帶之間水力聯(lián)系差；各巖層滲透系數(shù)如表1所示。

（2）試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)基巖承壓水水與上層潛水之間無(wú)水力聯(lián)系；

（3）饅頭組上段灰?guī)r承壓水水位15.63m，徐莊組、毛莊組灰?guī)r承壓水位18.49m，張夏組灰?guī)r承壓水位標(biāo)高26.89m，基巖承壓水可以降至開(kāi)挖面以下，灰?guī)r內(nèi)承壓水最大降深36.4m，承降承壓水不會(huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生的影響；

（4）車(chē)站總降水量約13000m3/d，在饅頭組灰?guī)r內(nèi)設(shè)降水井10口，單井涌水量最大約1000m3/d；設(shè)置在徐莊組和毛莊組降水井共8口，單井涌水量約700m3/d。（圖3）

根據(jù)水文專項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)論，1號(hào)線暗挖車(chē)站避開(kāi)水量極大的張夏組灰?guī)r，車(chē)站東部有砂巖相隔，暗挖的降水量可極大地減??；通過(guò)在上導(dǎo)洞內(nèi)施工降水井提前降水，并在導(dǎo)洞內(nèi)鉆孔樁之間增加注漿帷幕，有一定的隔水作用，可滿足暗挖無(wú)水作業(yè)施工的要求。

4.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

受制于周邊地下結(jié)構(gòu)和地層的特性，將拱頂置于硬塑狀粘土中，拱頂距離上部老城雜填土最小距離2.57m，距離時(shí)尚大道底板約7.07m，埋深14.47m。車(chē)站縱斷面如圖2所示，車(chē)站橫斷面如圖4所示。

表3 超前支護(hù)參數(shù)

圖5 車(chē)站施工工序圖

車(chē)站采用雙層三跨箱型框架結(jié)構(gòu)，拱頂為三聯(lián)拱，邊樁采用機(jī)械成孔，直徑φ1000@1200mm鉆孔灌注樁，鉆孔樁內(nèi)側(cè)鋪設(shè)φ8鋼筋網(wǎng)片，并噴射150mm厚C25濕噴早強(qiáng)混凝土，洞樁法結(jié)構(gòu)尺寸及材料如表2所示。

4.2 支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

小導(dǎo)洞開(kāi)挖采用φ42超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)，扣拱導(dǎo)洞超前支護(hù)采用φ108大管棚+φ42鋼花管超前支護(hù)，管棚環(huán)向間距0.4m，管棚從橫通道內(nèi)打入拱頂上方，注水泥漿，若局部滲漏水，可以注雙液漿堵水，初支均采用雙層φ8鋼筋網(wǎng)片+格柵鋼架+C25濕噴早強(qiáng)混凝土，支護(hù)參數(shù)如表3所示。

4.3 開(kāi)挖工況

通過(guò)在暗挖車(chē)站一側(cè)設(shè)置豎井，從豎井一側(cè)多層橫通道，之后在橫通道內(nèi)施工車(chē)站導(dǎo)洞。施工過(guò)程簡(jiǎn)化為10個(gè)步驟：一是上邊導(dǎo)洞開(kāi)挖支護(hù)，機(jī)械鉆孔施工邊樁、樁間注漿止水和施工承壓水降水井，將車(chē)站內(nèi)承壓水位降低至下導(dǎo)洞開(kāi)挖面以下1m；二是開(kāi)挖下導(dǎo)洞；三是施工底縱梁、邊樁冠梁及邊扣拱，同時(shí)開(kāi)挖上部中間導(dǎo)洞；四是施工鋼管混凝土柱及頂縱梁；五是超前大管棚支護(hù)，施工邊扣拱初支，開(kāi)挖土體，跳槽拆除扣拱范圍內(nèi)導(dǎo)洞初支，施工防水層、拱部二次襯砌；六是施工中間扣拱大管棚及初支；七是鑿除小導(dǎo)洞襯砌，鋪設(shè)防水層，及中間扣拱二襯；八是逐層開(kāi)挖至中板以下，施工側(cè)墻防水層、側(cè)墻、中板和中縱梁；九是逐層開(kāi)挖至底板以下，施工底板防水層、底板和負(fù)二層側(cè)墻；十是施工內(nèi)部結(jié)構(gòu)。車(chē)站施工工序如圖5所示。

表4 土體物理力學(xué)參數(shù)

表5 結(jié)構(gòu)單元物理力學(xué)參數(shù)

5.洞樁法施工對(duì)周邊環(huán)境的影響

5.1 模型與參數(shù)

利用大型通用軟件ANSYS建立三維有限元模型，以初始自重應(yīng)力場(chǎng)為基準(zhǔn)，通過(guò)穩(wěn)固導(dǎo)洞及車(chē)站范圍內(nèi)的土體單元來(lái)模擬土體開(kāi)挖，并進(jìn)行應(yīng)力釋放[3]，之后再進(jìn)行初支及車(chē)站內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的設(shè)置，來(lái)模擬導(dǎo)洞的初期支護(hù)和車(chē)站的二襯[4]。

圖6 三維限元模型

考慮邊界效應(yīng)和計(jì)算時(shí)效，模型尺寸為150m×75m×80m，土體視為理想彈塑性模型[4]，采用空間八節(jié)點(diǎn)Solid45實(shí)體單元，屈服準(zhǔn)則采用D-P準(zhǔn)則，結(jié)構(gòu)柱采用beam4單元模擬，初期支護(hù)及二襯采用shell63單元模擬，分別賦予對(duì)應(yīng)的材料和幾何參數(shù)，如圖6所示，具體參數(shù)見(jiàn)表4和表5。

模型的側(cè)面和底面施加位移邊界條件，側(cè)面限制水平移動(dòng)，底部限制垂直移動(dòng)，上邊界為自由地面。

圖7 各工況地表沉降曲線

圖8 時(shí)尚大道結(jié)構(gòu)底板位移沉降曲線

5.2 地表沉降影響分析

地鐵車(chē)站施工過(guò)程地表沉降曲線如圖7所示，扣拱二襯完成后地表沉降17.1mm，占總沉降的87.2%，可見(jiàn)，三聯(lián)拱形成前導(dǎo)洞及扣拱土體的開(kāi)挖引起的沉降占總沉降的主要部分，故導(dǎo)洞及扣拱階段是控制車(chē)站總沉降的關(guān)鍵。車(chē)站施工完成時(shí)地表最大沉降為19.6mm，滿足一般市政管線規(guī)定的沉降20mm的標(biāo)準(zhǔn)要求。

5.3 時(shí)尚大道結(jié)構(gòu)影響分析

各階段時(shí)尚大道結(jié)構(gòu)底板沉降曲線如圖8所示，導(dǎo)洞施工完成后，結(jié)構(gòu)底板大道最大沉降為11.05mm；扣拱完成后，結(jié)構(gòu)底板最大沉降為12.2mm，車(chē)站全部完成后，結(jié)構(gòu)底板最大沉降為15.2mm，位于時(shí)尚大道中央，最小沉降為時(shí)尚大道邊墻，沉降為7.7mm，結(jié)構(gòu)差異沉降7.5mm，結(jié)構(gòu)傾斜率0.5‰，滿足丙級(jí)建筑變形標(biāo)準(zhǔn)30mm要求[5]，說(shuō)明洞樁法施工可以滿足時(shí)尚大道的安全和正常使用的要求。

6.結(jié)論

(1)將上層導(dǎo)洞和三聯(lián)拱置于工程性質(zhì)好的(5)-3-4硬塑狀粘土中，避開(kāi)上部老城雜填土、地下建構(gòu)筑物；

(2)將車(chē)站置于饅頭組上段、徐莊組和毛莊組巖層互成段，避開(kāi)水量極大的張夏組灰?guī)r；同時(shí)在邊樁之間注漿，和邊樁形成帷幕，減小暗挖的降水量；

(3)在上導(dǎo)洞內(nèi)設(shè)置降水井，可提前將灰?guī)r承壓水降至開(kāi)挖面以下1m處，可保證車(chē)站的暗挖無(wú)水作業(yè)；

(4)三維數(shù)值模擬結(jié)果表明，車(chē)站施工完成后，地表最大沉降19.6mm，滿足規(guī)范所要求的沉降標(biāo)準(zhǔn)?？酃扒鞍低谝鸬某两嫡架?chē)站總沉降的87.2%，導(dǎo)洞及扣拱階段是控制車(chē)站總沉降的關(guān)鍵。

(5)時(shí)尚大道底板最大沉降為15.2mm，最大差異沉降7.5mm，底板傾斜率0.5‰，變形滿足當(dāng)?shù)剀壍来蠼煌ńㄔO(shè)規(guī)范要求[5]。