石家莊地鐵洞樁法車站施工地表沉降分析

楊 磊，孫 斌

（中土大地國(guó)際建筑設(shè)計(jì)有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

隨著我國(guó)城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市地鐵已成為現(xiàn)代化城市交通不可或缺的一環(huán)。目前，我國(guó)城市地鐵車站建設(shè)主要采取明挖和暗挖兩種施工方式，其中暗挖法車站施工較多采用洞樁法施工。洞樁法施工因具有占地面積小、對(duì)地層變形影響小等優(yōu)勢(shì)而在工程中得到了廣泛應(yīng)用。作為城市地鐵車站建設(shè)的主要施工工藝，洞樁法受到了國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者的關(guān)注。扈世民等［1］基于變位分配法原理對(duì)洞樁法施工引起的變形進(jìn)行分階段研究，對(duì)比了主要沉降階段的沉降比例，提出超前注漿、錯(cuò)距開(kāi)挖、短進(jìn)尺等施工措施，以減小對(duì)周圍環(huán)境的不利影響。李濤等［2］借助數(shù)值模擬方法，結(jié)合北京地鐵 6 號(hào)線田村站實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)洞樁法車站不同扣拱順序?qū)Φ乇沓两档挠绊戇M(jìn)行了分析研究。孟令志［3］以實(shí)際地鐵工程為背景，結(jié)合數(shù)值模擬方法，對(duì)洞樁法車站下穿既有隧道時(shí)，在控制既有隧道結(jié)構(gòu)沉降、變形縫差異沉降、土體塑性區(qū)分布方面的問(wèn)題進(jìn)行了研究，得出了六導(dǎo)洞洞樁法均優(yōu)于八導(dǎo)洞洞樁法的結(jié)論。李亮［4］以某地鐵車站砂卵石地層中洞樁法施工為背景，采用三維有限元數(shù)值計(jì)算進(jìn)行分析，研究了單層導(dǎo)洞形式下洞樁法不同施工階段對(duì)地表沉降的影響及對(duì)車站周邊土體的擾動(dòng)情況。

石家莊作為京津冀地區(qū)重要的中心城市之一，城市軌道交通建設(shè)得以迅猛發(fā)展。石家莊地鐵工程建設(shè)中車站施工主要以明挖施工工藝為主，少數(shù)采用洞樁法施工，所以洞樁法施工經(jīng)驗(yàn)積累相對(duì)較少。本論文根據(jù)洞樁法施工工藝特點(diǎn)和石家莊地質(zhì)特點(diǎn)，對(duì)大戲院站及長(zhǎng)安公園站實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，為類似地質(zhì)條件下洞樁法施工提供參考。

1 石家莊地鐵洞樁法車站施工工藝流程

洞樁法施工主要分為 4 個(gè)階段。

1）導(dǎo)洞開(kāi)挖階段：自暗挖豎井橫通道或明挖基坑向暗挖段施做導(dǎo)洞，導(dǎo)洞一般分為 2 層，為后續(xù)梁柱體系施工提供作業(yè)空間。

2）梁柱體系階段：在導(dǎo)洞內(nèi)，施作車站的圍護(hù)邊樁、中柱、底梁和頂梁。樁、柱起支護(hù)土作用兼做承載力樁基，承受暗挖逆筑法頂土層豎向及側(cè)向壓力。

3）扣拱施工階段：開(kāi)挖上層導(dǎo)洞之間土方，依次完成車站上層扣拱的初期支護(hù)和二次襯砌，形成車站拱部支撐體系。

4）下部結(jié)構(gòu)階段：在頂拱和邊樁形成的空間支撐結(jié)構(gòu)下，逐層開(kāi)挖車站土方，依次施工內(nèi)部二次襯砌結(jié)構(gòu)，最后形成由外層邊樁及頂拱初期支護(hù)和內(nèi)層二次襯砌組合成的永久承載受力體系［5］。

洞樁法施工步序如表 1 所示。

2 石家莊地鐵洞樁法車站沉降監(jiān)測(cè)實(shí)例

以下通過(guò)石家莊地鐵兩個(gè)洞樁法車站的工程概況、地質(zhì)條件、施工工期以及最終的沉降結(jié)果等條件，結(jié)合洞樁法的主要施工階段，嘗試分析地鐵洞樁法施工中地表沉降特點(diǎn)及重要的影響因素。

2.1 大戲院站

2.1.1 工程概況

石家莊市城市軌道交通 2 號(hào)線一期工程大戲院站，車站位于石家莊建設(shè)南大街與裕華路十字路口，沿建設(shè)南大街南北向布置。車站南北兩端三層段采用明挖順作法施工，中間兩層段采用暗挖洞樁法施工。車站暗挖段長(zhǎng) 81.4 m，結(jié)構(gòu)寬度 23.1 m，高度約 15.54 m。車站暗挖斷拱頂覆土約 7.3 m，底板埋深約 22.85 m。車站暗挖段采用洞樁法施工，復(fù)合式襯砌（初期支護(hù)+二次襯砌），初期支護(hù)以 C 25 噴射混凝土、格柵鋼架為主要支護(hù)手段，小導(dǎo)洞超前支護(hù)采用深孔注漿+超前小導(dǎo)管+掌子面注漿加固，扣拱超前支護(hù)采用φ159 壁厚 8 mm 超長(zhǎng)管棚+深孔注漿+超前小導(dǎo)管+掌子面注漿加固。二次襯砌整體為模筑 C 40 防水鋼筋混凝土。

表1 洞樁法施工步序圖

2.1.2 地質(zhì)條件

車站主體地層自上而下主要為雜填土、素填土、黃土狀粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、中粗砂、粉質(zhì)黏土、細(xì)中砂。車站上層導(dǎo)洞及大拱拱頂土層主要以黃土狀粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂層為主，車站下層導(dǎo)洞拱頂范圍主要為粉細(xì)砂、中粗砂、粉質(zhì)黏土為主，底板位于粉質(zhì)黏土層。地下水位為 42.5 m，位于車站底板以下約 20 m，施工期間無(wú)需降水。大戲院車站的地層剖面如圖 1 所示。

圖1 大戲院車站地層剖面

2.1.3 工期節(jié)點(diǎn)

按照洞樁法車站主要施工階段劃分，實(shí)際施工進(jìn)度工期節(jié)點(diǎn)時(shí)間如表 2 所示。

表2 大戲院站工期節(jié)點(diǎn)

2.1.4 典型斷面沉降對(duì)比

1）選取該車站 2 處典型監(jiān)測(cè)斷面（橫向監(jiān)測(cè)斷面 1 與斷面 2），根據(jù)洞樁法主要施工階段劃分，地表沉降曲線如圖 2 和圖 3 所示。

2）對(duì)已選取的 2 個(gè)典型監(jiān)測(cè)斷面中的車站中心點(diǎn)進(jìn)行分析，按照洞樁法主要施工階段劃分，各階段沉降占比情況詳如圖 4、圖 5 所示。

2.2 長(zhǎng)安公園站

2.2.1 工程概況

圖2 斷面 1 各主要施工階段地表沉降曲線

圖3 斷面 2 各主要施工階段地表沉降曲線

圖4 斷面 1 中心點(diǎn)各主要施工階段地表沉降占比情況

圖5 斷面 2 中心點(diǎn)各主要施工階段地表沉降占比情況

石家莊市城市軌道交通 2 號(hào)線一期工程長(zhǎng)安公園站，車站跨建設(shè)北大街與健康路交叉口，南北向沿建設(shè)北大街布置。車站為 PBA 暗挖車站，主體結(jié)構(gòu)為地下兩層三跨、拱頂直墻框架結(jié)構(gòu)。車站總長(zhǎng) 225.7 m，標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)寬 21.1 m，高 16.0 m。車站頂拱覆土厚度約7.0 m，底板埋深約 21.9 m。導(dǎo)洞與扣拱初支結(jié)構(gòu)均為鋼格柵+噴射混凝土的初期支護(hù)形式，初支開(kāi)挖土方加固措施采用深孔注漿+超前小導(dǎo)管形式，二次襯砌為 C 40 模注鋼筋混凝土，兩次襯砌之間設(shè)柔性防水層；主體結(jié)構(gòu)中柱及邊樁均采用人工挖孔樁，其中邊樁采用鋼筋混凝土樁（Φ1 000 @1 800），中柱采用鋼管混凝土柱（Φ800@7 000）。

2.2.2 地質(zhì)條件

車站主體地層自上而下主要為雜填土、素填土、黃土狀粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、中粗砂、粉質(zhì)黏土、細(xì)中砂。車站暗挖段拱頂穿越土層為黃土狀粉質(zhì)黏土，底板位于粉質(zhì)黏土層。現(xiàn)狀地下水埋深大于 45 m，施工期間不受地下水影響，無(wú)需降水。

長(zhǎng)安公園車站地層剖面如圖 6 所示。

圖6 長(zhǎng)安公園車站地層剖面

2.2.3 工期節(jié)點(diǎn)

按照洞樁法車站主要施工階段劃分，實(shí)際施工進(jìn)度工期節(jié)點(diǎn)時(shí)間如表 3 所示。

表3 長(zhǎng)安公園站工期節(jié)點(diǎn)

2.2.4 典型斷面沉降對(duì)比

1）選取該車站 2 處典型監(jiān)測(cè)斷面（橫向監(jiān)測(cè)斷面 3 和斷面 4），根據(jù)洞樁法主要施工階段劃分，地表沉降曲線如圖 7 和圖 8 所示。

2）對(duì)已選取的 2 個(gè)典型監(jiān)測(cè)斷面中的車站中心點(diǎn)進(jìn)行分析，按照洞樁法主要施工階段劃分，各階段沉降占比情況詳如圖 9 和圖 10 所示。

3 監(jiān)測(cè)成果分析

圖7 斷面 3 各主要施工階段地表沉降曲線

圖8 斷面 4 各主要施工階段地表沉降曲線

圖9 斷面 3 中心點(diǎn)各主要施工階段地表沉降占比

圖10 斷面 4 中心點(diǎn)各主要施工階段地表沉降占比

1）導(dǎo)洞開(kāi)挖階段施工工期約為 3～4 個(gè)月，該階段沉降量約占總沉降量的 60 %～70 %，其中車站中部沉降值最大，越遠(yuǎn)離車站中間位置沉降量越小，地表沉降曲線整體呈現(xiàn)向下的單凹槽形狀。初步分析造成該現(xiàn)象的原因是該階段群洞施工效應(yīng)引起的，導(dǎo)洞施工過(guò)程中引發(fā)地表沉降，各導(dǎo)洞沉降槽相互影響，越靠近車站中部，相互影響程度越大，土體受到的擾動(dòng)越明顯，沉降值就越大。其次沉降槽影響程度明顯受導(dǎo)洞間凈間距影響，長(zhǎng)安公園站中部?jī)蓚€(gè)導(dǎo)洞凈間距僅有 1.6 m，明顯小于其他導(dǎo)洞間凈間距，沉降槽影響程度相較其他導(dǎo)洞間更大，所以該位置土體受到的擾動(dòng)程度更大。施工階段地表沉降曲線發(fā)展情況圖，也顯示了長(zhǎng)安公園站的地表沉降曲線凹陷程度明顯大于大戲院站。

2）梁柱體系階段施工工期約為 4 個(gè)月，該階段沉降量約占總沉降量的 5 %～10 %。地表沉降速率較小，沉降量穩(wěn)定。該階段施工主要在是導(dǎo)洞內(nèi)進(jìn)行樁體和結(jié)構(gòu)施工，對(duì)周邊土體影響相對(duì)較小。

3）扣拱施工階段工期約為 6 個(gè)月，該階段沉降約占總沉降量的 13 %～20 %。地表沉降值進(jìn)一步加大，沉降曲線向中間進(jìn)一步凹出，說(shuō)明越靠近車站中部，監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降速率越快。初步分析該現(xiàn)象的原因是該階段主要施工柱、梁之間的拱部結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)的承力體系由導(dǎo)洞初支向柱、梁、拱結(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。受力轉(zhuǎn)換期間，車站上方土體因扣拱初支施工影響，再次受到較大擾動(dòng)，引發(fā)沉降速率變大。

4）下部結(jié)構(gòu)階段工期約為 7 個(gè)月，該階段沉降約占總體沉降量的 5 %～10 %，地表沉降已趨于穩(wěn)定。由于扣拱結(jié)構(gòu)施工的完成，車站整體承力體系已經(jīng)完成。在拱部結(jié)構(gòu)和圍護(hù)樁的保護(hù)下，下部結(jié)構(gòu)的土方開(kāi)挖和結(jié)構(gòu)施工對(duì)周邊土體已產(chǎn)生不了大的擾動(dòng)，整個(gè)車站的地層沉降已趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

1）洞樁法車站地表沉降曲線呈單凹槽形式，沉降最大點(diǎn)位于斷面中心。按照所處施工階段的不同，地表沉降曲線呈現(xiàn)明顯的階段性變化。地表沉降值以導(dǎo)洞開(kāi)挖階段最為明顯，其次是扣拱施工階段，因此這兩個(gè)施工階段是控制洞樁法地鐵車站地表沉降的關(guān)鍵。

2）導(dǎo)洞開(kāi)挖階段是控制洞樁法施工地表沉降的主要階段，導(dǎo)洞開(kāi)挖期間首先要注意群洞效應(yīng)，避免由于工藝簡(jiǎn)單而導(dǎo)洞施工速度過(guò)快，通過(guò)嚴(yán)格控制導(dǎo)洞開(kāi)挖順序、導(dǎo)洞間掌子面間距等措施，有效避免因群洞施工對(duì)地層的多重?cái)_動(dòng)，從而有效降低洞樁法施工沉降。其次提高對(duì)凈間距小的導(dǎo)洞施工引發(fā)沉降的重視程度，加強(qiáng)此類導(dǎo)洞施工措施，如對(duì)導(dǎo)洞間地層進(jìn)行注漿加固，提高圍巖自穩(wěn)能力，應(yīng)能有效控制施工沉降。

3）扣拱施工階段是洞樁法施工工藝的受力轉(zhuǎn)換階段，此階段會(huì)引發(fā)地層沉降的二次加速?？酃笆┕て陂g應(yīng)嚴(yán)格控制扣拱初支施工質(zhì)量，同時(shí)輔以地層超前注漿、大管棚等土層加固措施，盡量做到強(qiáng)支護(hù)、快封閉，快速完成轉(zhuǎn)換階段。

4）在洞樁法施工中通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析沉降、反映地層、支護(hù)及主體結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性狀況，了解工程施工對(duì)周圍環(huán)境的影響程度，從而及時(shí)、嚴(yán)密、有效地監(jiān)測(cè)各施工時(shí)段的變形情況，起到預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)施工安全，指導(dǎo)施工、調(diào)整施工方案作用，確保工程建設(shè)順利進(jìn)行，確保地面建筑物及地下管線的正常使用，真正做到信息化施工。石家莊地鐵施工在無(wú)水環(huán)境和相對(duì)良好地質(zhì)條件下進(jìn)行，為類似水文和地質(zhì)條件下洞樁法施工積累了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和提供參考數(shù)據(jù)。