超淺埋棚蓋法在地鐵車站施工中的支護(hù)效果

陶連金， 于兆源， 董立朋

(1.北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100124；2.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司， 廣州 511458)

0 引 言

受城市施工環(huán)境及斷面形式等條件的限制，淺埋暗挖法是目前我國城市隧道的主要開挖方法之一。管幕超前支護(hù)是目前淺埋暗挖隧道施工過程中的一種重要支護(hù)形式。由于暗挖施工區(qū)域一般都處于城市繁華地區(qū)，對(duì)地表沉降變形的控制要求很高。因此，很多研究者都對(duì)淺埋暗挖隧道開挖對(duì)周圍環(huán)境的影響進(jìn)行了研究[1-6]。曾宇暉等[7]結(jié)合下穿鷹廈鐵路右線隧道工程，對(duì)施工采用大管幕的支護(hù)效果進(jìn)行了研究,現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，管幕支護(hù)作用明顯,能使沉降和內(nèi)力達(dá)到施工要求。黎永索[8]結(jié)合沈陽地鐵 2 號(hào)線隧道工程,對(duì)其施工采用的管幕支護(hù)進(jìn)行地表沉降監(jiān)測(cè),Peck 模型沉降預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值為同一數(shù)量級(jí),可采用理論值指導(dǎo)施工。潘偉強(qiáng)[9]結(jié)合上海14號(hào)線桂橋路站管幕段實(shí)例工程，對(duì)管幕群頂管頂進(jìn)施工過程地面沉降情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析群頂管施工對(duì)地面沉降的影響。目前，針對(duì)北京地區(qū)超淺埋棚蓋法在地鐵車站施工中支護(hù)效果的研究較少，筆者通過管幕施工以及車站導(dǎo)洞開挖施工過程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，分析了管幕支護(hù)結(jié)構(gòu)作用下地鐵車站開挖引起的地表沉降以及拱頂沉降的規(guī)律變化曲線，為在管幕保護(hù)下平頂直墻暗挖地鐵車站的施工提供參考依據(jù)。

1 工程背景

1.1 工程概況

地鐵19號(hào)線平安里站位于平安里西大街與趙登禹路交叉口北側(cè)，趙登禹路路中南北，該工程西北側(cè)為平安醫(yī)院、多棟小平房等建筑，東北側(cè)為1～2層小樓，西南側(cè)是航天金融大廈，東南側(cè)鄰近地鐵6號(hào)線平安里站，與既有地鐵6號(hào)線平安里站水平換乘, 工程位置如圖1所示。

平安里站車站主體結(jié)構(gòu)總長225.45 m，采用14 m島式站臺(tái)，標(biāo)準(zhǔn)段寬25.10 m，車站南端局部寬26.29 m。結(jié)構(gòu)頂板覆土6.78～7.23 m，底板埋深20.92～21.37 m。設(shè)計(jì)為雙柱三跨兩層結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)施工先施工先行導(dǎo)洞，然后打設(shè)管幕形成棚蓋。施工管幕結(jié)構(gòu)鋼管的先行小導(dǎo)洞的拱頂最小覆土約 4.32 m，車站共設(shè)4個(gè)出入口，現(xiàn)場(chǎng)施工概況如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)施工概況Fig. 2 Site construction overview

1.2 地質(zhì)水文條件

平安里地鐵車站主體結(jié)構(gòu)的頂板距離地表大約6 m，縱向深度至地鐵車站的底板的垂直埋深大約21 m。地鐵車站的頂板主要處于粉質(zhì)黏土層，底板大致處于卵石層中，地鐵車站的中間部位有一層0.8 m厚的粉細(xì)砂層。平安里地鐵車站土體的場(chǎng)地里主要有兩層地下水，其中一層為上層滯水，水位標(biāo)高為43.3 m，距離上層地表的垂直埋深約5.8 m，主要處于粉土填土層中及黏質(zhì)粉土砂質(zhì)粉土層中；另一層為層間水，水位標(biāo)高約20.8 m，處于地鐵車站結(jié)構(gòu)底板下約6.5 m的位置，垂直埋深約28.6 m，主要賦存的地層有卵石層、粉細(xì)砂層。該工程的管幕鋼管頂進(jìn)主要是穿越粉質(zhì)黏土及粉細(xì)砂地層，其中沒有地下水。

1.3 周邊環(huán)境

平安里站位于城市主干道路下方，地面交通擁擠，附近擁有雨水管線、污水管線、熱力方溝、電力方溝等眾多管線。其中，離管幕較近的管線有：2 900 mm×2 300 mm的熱力方溝，其埋深約11 m，與管幕凈距約1.5 m；2 000 mm×2 300 mm的電力方溝，其埋深約10 m，與管幕凈距約1.6 m；管幕下穿直徑為1 000 mm的污水管及管井，污水管埋深約5.8 m，污水管與管幕最小凈距僅0.198 m(20號(hào)污水井井底侵入管幕結(jié)構(gòu)約0.1 m，19號(hào)污水井井底與管幕頂僅3 mm)；管幕下穿直徑為1 600 mm的雨水管，其埋深約3.5 m，管底與管幕凈距約2.4 m；管幕下穿直徑為300 mm 的中壓燃?xì)夤?，其埋深約2.0 m，管底與管幕凈距約4.3 m；管幕下穿直徑為600 mm 的上水管，上水管埋深2.3 m，管底與管幕凈距約4 m。周邊管線分布如圖3所示。

圖3 周邊管線分布Fig. 3 Peripheral pipeline distribution

1.4 管幕施工技術(shù)

平安里站位于西城區(qū)，地上、地下環(huán)境復(fù)雜。上跨六號(hào)線車站埋深僅7 m，上方地下管線眾多，無起拱條件，無明挖條件，在覆土極薄的情況下，最終選擇應(yīng)用管幕構(gòu)筑棚蓋，在棚蓋防護(hù)下暗挖地鐵車站。

管幕工法是非開挖工藝的一種,是利用較大直徑的鋼管在地下預(yù)先密排形成一帷幕從而建造大斷面地下空間的施工方法。平安里站管幕施工由先行導(dǎo)洞向兩側(cè)施工，最終在先行導(dǎo)洞內(nèi)連通，形成整體棚護(hù)結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)段管幕共489根，單根管幕總長35 m，往西打設(shè)19 m，往東打設(shè)13 m，在先行導(dǎo)洞內(nèi)連通3 m。

管幕采用φ402 mm×16 mm無縫鋼管，間距450 mm，管幕之間通過角鋼制作的公母扣扣緊，鋼管管節(jié)之間采用等強(qiáng)焊接連接。鋼管內(nèi)填充M30水泥砂漿，為控制管幕施工引起的沉降，管幕外設(shè)1根φ42 mm注漿管補(bǔ)償注漿。管幕橫斷面如圖4所示。

圖4 管幕橫斷面Fig. 4 Tube curtain cross section

管幕以其安全性高、精度高、施工距離長等技術(shù)特點(diǎn)，作為超前支護(hù)或隔離，廣泛應(yīng)用于上跨或下穿重要的建(構(gòu))筑物。平安里站管幕同一般管幕法的區(qū)別在于此處管幕不僅為超前支護(hù)，更是車站土方開挖時(shí)的承載結(jié)構(gòu)，需承擔(dān)車站上方7 m土體及趙登禹路上車輛荷載，是結(jié)構(gòu)形成前的主要受力結(jié)構(gòu)。

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

為監(jiān)測(cè)管幕施作前后上部導(dǎo)洞地表和拱頂?shù)某两盗?，根?jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)條件，在1號(hào)和2號(hào)施工橫通道之間，以開挖斷面中軸線對(duì)應(yīng)的地表為中心線，在兩側(cè) 15 m范圍內(nèi)從中心線向兩側(cè)布置15個(gè)測(cè)點(diǎn)(因現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)條件限制，無法對(duì)先行導(dǎo)洞和導(dǎo)洞3正上方進(jìn)行地表沉降監(jiān)測(cè))；上部導(dǎo)洞拱頂沉降由1號(hào)施工橫通道向南沿導(dǎo)洞開挖方向每5 m布設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，具體監(jiān)測(cè)布置見圖5。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)布置Fig. 5 Site monitoring arrangement

3 結(jié)果分析

3.1 地表沉降分析

(1)選取距離1號(hào)施工橫通道南側(cè)10 m 處斷面(A-3、B-3、C-3三點(diǎn))為代表進(jìn)行上部導(dǎo)洞地表沉降分析。

記地表沉降為sz，施工時(shí)間為t,地表沉降歷程曲線如圖6所示。由圖6可以看出,地表在先行導(dǎo)洞開挖階段迅速下降，此時(shí)無任何支護(hù)體系，故地表沉降較快且沉降量較大；管幕施工屬于非開挖技術(shù)，在打設(shè)管幕階段地表稍有沉降趨勢(shì)，但沉降量較小，僅為15 mm；待管幕打設(shè)完畢，在管幕構(gòu)筑的超淺埋棚蓋防護(hù)體系下進(jìn)入主體導(dǎo)洞開挖，與先行導(dǎo)洞開挖時(shí)地表沉降相比，地表沉降速率明顯降低，且沉降量明顯減小；在施作頂板階段，地表沉降產(chǎn)生較快的突變，這是由于在進(jìn)行車站頂板施工時(shí)，需拆除初期支護(hù)與管幕之間的連接，此時(shí)增加了管幕的受荷跨度，故產(chǎn)生地表沉降突變的現(xiàn)象，此后地表沉降趨于穩(wěn)定。

圖6 地表沉降歷程曲線Fig. 6 Surface subsidence curve

從圖6可以看出,B-3測(cè)點(diǎn)沉降量最大，A-3測(cè)點(diǎn)次之，C-3測(cè)點(diǎn)沉降量最小。這是因?yàn)锽-3測(cè)點(diǎn)位置在先行導(dǎo)洞正上方東側(cè)5 m處，A-3測(cè)點(diǎn)位置(導(dǎo)洞2正上方)在先行導(dǎo)洞正上方西側(cè)7.2 m處，C-3測(cè)點(diǎn)位置(導(dǎo)洞1正上方)在先行導(dǎo)洞正上方東側(cè)9.5 m處。先行導(dǎo)洞開挖過程對(duì)橫斷面兩側(cè)10 m范圍內(nèi)的土體產(chǎn)生了較大的影響，在開挖過程中要提高對(duì)該區(qū)域的監(jiān)測(cè)頻率。

(2)為了驗(yàn)證管幕構(gòu)筑的超淺埋棚蓋防護(hù)體系的支護(hù)效果，對(duì)比分析先行導(dǎo)洞開挖階段、打設(shè)管幕階段、主體導(dǎo)洞開挖階段、施作頂板階段4個(gè)施工階段地表沉降規(guī)律。記距開挖斷面中心線距離為d,4個(gè)施工階段下地表沉降曲線如圖7所示(導(dǎo)洞3的位置在先行導(dǎo)洞西側(cè)15 m范圍之外，故圖7中沒有標(biāo)注)，在先行導(dǎo)洞開挖階段，地表最大沉降量達(dá)到40 mm，并且位于先行導(dǎo)洞的正上方，待管幕施作完畢后，在主體導(dǎo)洞開挖階段，地表最大沉降量?jī)H為10 mm，相比先行導(dǎo)洞開挖階段地表最大沉降量減少了75%，且上部主體導(dǎo)洞的開挖所引起橫向地表的沉降值大致符合Peck沉降曲線。由此可知，大直徑管幕構(gòu)筑的超淺埋棚蓋防護(hù)體系對(duì)控制地表變形起到了顯著的作用。

圖7 4個(gè)施工階段下地表沉降變形Fig. 7 Ground settlement and deformation under four construction stages

3.2 拱頂沉降分析

上部主體導(dǎo)洞拱頂沉降選取距離先行導(dǎo)洞較近的導(dǎo)洞2進(jìn)行分析，由1號(hào)施工橫通道向南沿導(dǎo)洞2開挖方向取5個(gè)測(cè)點(diǎn)(A-1、A-3、A-5、A-7、A-9)進(jìn)行規(guī)律分析。記拱頂沉降為sy,上部主體導(dǎo)洞拱頂沉降歷程曲線如圖8所示。

圖8 上部主體導(dǎo)洞拱頂沉降歷程曲線Fig. 8 Curve of settlement history of arch of upper main guide tunnel

從圖8可以看出，上部主體導(dǎo)洞施工階段拱頂沉降變化趨勢(shì)大致可以分為3個(gè)階段：快速下降階段、緩慢下降階段和后期穩(wěn)定階段。在0～30 d拱頂出現(xiàn)了明顯的沉降，原因是導(dǎo)洞開挖對(duì)地層擾動(dòng)較大，但在管幕構(gòu)筑的超淺埋棚蓋防護(hù)體系支護(hù)下，沉降量?jī)H為4 mm，沉降速率最大達(dá)到0.13 mm/d，經(jīng)過緩慢下降階段，至上部導(dǎo)洞開挖完畢，拱頂最大沉降量?jī)H為4.5 mm，沉降速率及沉降量均符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 論

(1)在超淺埋暗挖工程中，應(yīng)用管幕構(gòu)筑棚蓋，在棚蓋防護(hù)下暗挖上部主體導(dǎo)洞，上部主體導(dǎo)洞的開挖所引起橫向地表的沉降值大致符合Peck沉降曲線，地表最大沉降量為10 mm，最大沉降位置出現(xiàn)在先行導(dǎo)洞正上方，因此，該位置是施工過程中最危險(xiǎn)的區(qū)域，應(yīng)做到實(shí)時(shí)監(jiān)控，并做加固處理。

(2)為控制管幕施工引起的沉降，管幕外設(shè)注漿管補(bǔ)償注漿，注漿通過鋼管預(yù)留孔對(duì)原土體進(jìn)行加固，穩(wěn)定土層，管幕施工過程中引起的地表最大沉降值為15 mm，其引起的地表沉降量能達(dá)到施工要求。

(3)在管幕構(gòu)筑的超淺埋棚蓋防護(hù)體系下，上部主體導(dǎo)洞的拱頂沉降最大值為4.5 mm，沉降速率最大達(dá)到 0.13 mm/d，沉降速率及沉降量均符合設(shè)計(jì)要求。

(4)超淺埋棚蓋法施工中大直徑管幕作為超前支護(hù)和主體結(jié)構(gòu)形成前的主要受力結(jié)構(gòu)，控制地表沉降效果顯著，最終沉降量滿足控制要求，措施合理。