淺埋暗挖地鐵車站柱洞法施工方案優(yōu)化分析

劉旭全 杜憲武 宋領(lǐng)弟

(1.中鐵北京工程局集團(tuán)有限公司 北京 102308；2.中鐵北京工程局集團(tuán)天津工程有限公司 天津 300356)

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市建設(shè)速度也在不斷加快，從而掀起了城市軌道交通項(xiàng)目的建設(shè)高潮。但是地鐵往往處于鬧市區(qū)，周邊建筑林立，地下管網(wǎng)復(fù)雜，在車站施工過程中如何控制既有建筑和管網(wǎng)的變形沉降，確保周邊建筑和車站基坑的安全穩(wěn)定是關(guān)鍵所在[1-2]。本論文結(jié)合石家莊地鐵一號(hào)線平安大街站這一工程項(xiàng)目的施工實(shí)踐，通過工程類比法等選擇了柱洞法施工方案，根據(jù)工程實(shí)際并在施工過程中不斷優(yōu)化原來常規(guī)柱洞法施工方案，得到了適用于復(fù)雜環(huán)境條件下的淺埋暗挖地鐵車站及隧道工程的中跨先行扣拱優(yōu)化施工順序后的柱洞法施工方案，總結(jié)出了采用優(yōu)化后的柱洞法施工時(shí)細(xì)粉砂地層變形規(guī)律以及控制沉降措施，對(duì)類似工程具有較強(qiáng)的借鑒意義。

2 工程概況

石家莊地鐵一號(hào)線線路全長(zhǎng)34.33 km，寬度22.6 m。沿石家莊市區(qū)主軸布置，是東西向骨干線路，連接主城區(qū)、高新區(qū)與正定新區(qū)。作為石家莊地鐵路網(wǎng)中最重要組成部分的一號(hào)線，不但能夠緩解地面交通壓力，而且還可以有效地?cái)U(kuò)展市區(qū)的發(fā)展空間，極大地帶動(dòng)了市區(qū)及郊區(qū)人流、物流、交通的發(fā)展[3]。于2012年9月28日開工建設(shè)，2019年6月26日開通運(yùn)營(yíng)。其中平安大街車站設(shè)計(jì)為三跨兩層箱形結(jié)構(gòu)，車站總長(zhǎng)248.95 m，位于中山東路和平安大街十字路口處，順著中山東路布置。因?yàn)槠桨泊蠼窒路椒植贾罅康墓芫€，考慮管線影響該車站中部中山東路采用單層暗挖，兩個(gè)端頭處兩層采用明挖。明挖段設(shè)計(jì)為地下兩層島式站臺(tái)車站，暗挖段長(zhǎng)度為48 m，施工里程段落為K10＋761.7～K10＋809.7，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用單層三跨拱頂曲墻復(fù)合襯砌形式，高度為9.87 m，寬度是22.6 m，其覆土厚度約為9.1 m。

3 車站施工條件情況

3.1 周邊建筑物分布情況

車站暗挖段東北側(cè)為鐵道大廈，11層的混凝土結(jié)構(gòu)，距暗挖段約30 m；東南側(cè)是原市第一招待所空地；西南側(cè)是已完成拆遷的華北油田賓館；西北側(cè)為5層混凝土結(jié)構(gòu)的博雅軒已拆遷；暗挖段的施工對(duì)周邊建筑基本無影響。詳見平安大街站平面布置示意圖1。

圖1 平安大街站平面示意

3.2 地下管線分布情況

車站上方分布管線主要有:1 800×2 200磚砌人防方溝，溝內(nèi)底標(biāo)高約7 m，與暗挖車站頂板凈距約1.4 m；DN1200混凝土污水管，溝內(nèi)底埋深約2.9 m，與暗挖車站頂板凈距約6.0 m；DN1200鑄鐵上水管，管頂覆土約2.7 m，溝底與暗挖車站頂板凈距約6.3 m；DN2000混凝土污水管，管內(nèi)底埋深約4.4 m，與暗挖車站頂板凈距約4.5 m；距車站頂板約7.45 m凈距的400×300電信管，其管內(nèi)底埋深約1.55 m；2 100×1 650磚砌雨污合流方溝，溝內(nèi)底埋深約4.51 m，與暗挖車站頂板凈距約4.3 m；DN300燃?xì)夤?，管?nèi)底埋深約2.15 m，與暗挖車站頂板凈距約6.9 m；DN300上水管，管內(nèi)底埋深約1.73 m，與暗挖車站頂板凈距約7.3 m。

3.3 工程水文地質(zhì)條件

車站暗挖段地質(zhì)為粉細(xì)砂層④1層、粉土⑤2層、粉質(zhì)黏土⑤1層。暗挖段拱頂上下均為粉細(xì)砂層。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，地下水位埋深約45 m，車站施工未見上層滯水，未進(jìn)入潛水層，但由于大氣降水、管線滲漏等原因，車站場(chǎng)地內(nèi)不排除局部存在上層滯水的可能性，因此施工時(shí)須考慮上層滯水對(duì)本工程的影響。

3.4 車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式

車站結(jié)構(gòu)形式采用單層三跨拱頂曲墻復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)，包括扣拱、邊墻、頂板主梁、鋼管柱、底板主梁、底板等部分。初期支護(hù)分為噴射混凝土C25厚350 mm、雙層鋼筋網(wǎng)φ6.5＠150×150 mm、格柵鋼架間距500 mm；二次襯砌為防水鋼筋混凝土C40 P8，扣拱二次襯砌混凝土厚度為700 mm、拱頂厚度為600 mm、邊墻混凝土厚度為600 mm、底板厚度為1 240 mm。沿車站縱向由底梁1 400 mm×2 000 mm、頂梁1 400 mm×1 800 mm組成的縱橫梁體系，設(shè)有兩排鋼管柱，柱間間距為6.4 m，柱直徑為800 mm。具體詳見圖2。

圖2 車站結(jié)構(gòu)斷面圖

4 地鐵車站暗挖段施工方法

4.1 總體施工順序安排

嚴(yán)格按照“管超前，嚴(yán)注漿，短開挖，強(qiáng)支護(hù)，勤測(cè)量，早封閉，控沉降”的施工原則，采用柱洞法施工，分步實(shí)施安全推進(jìn)。為了保證暗挖施工時(shí)整體結(jié)構(gòu)的安全，車站暗挖施工應(yīng)在主體明挖結(jié)構(gòu)施工完成后進(jìn)行。對(duì)于粉細(xì)砂地層采用雙重管無收縮雙液注漿超前加固和管棚洞口段預(yù)支護(hù)，并分別緊鄰明挖結(jié)構(gòu)中板施工前后進(jìn)行。明挖結(jié)構(gòu)封頂后，暗挖段進(jìn)洞施工。明挖段結(jié)構(gòu)預(yù)留暗挖出土孔，每個(gè)出土孔安裝10 t提升架的垂直提升系統(tǒng)。采用柱洞法進(jìn)行暗挖施工時(shí)考慮設(shè)計(jì)對(duì)開挖工藝的要求，前期采用單方向進(jìn)洞開挖，首先由東向西進(jìn)行左右柱洞導(dǎo)洞掘進(jìn)，待導(dǎo)洞初支結(jié)構(gòu)施工完畢，左右柱洞導(dǎo)洞同時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工(底板梁、鋼管柱、頂板梁)；柱洞導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)施工完畢，對(duì)向進(jìn)行中跨開挖及二襯結(jié)構(gòu)施工。中跨結(jié)構(gòu)完成后，對(duì)稱開挖邊跨導(dǎo)洞和初期支護(hù)二襯結(jié)構(gòu)施工。

4.2 粉細(xì)砂地層超前深孔注漿加固

結(jié)合設(shè)計(jì)支護(hù)措施，對(duì)超前小導(dǎo)管支護(hù)、深孔注漿支護(hù)、超前管棚支護(hù)、深孔注漿加管棚支護(hù)四種方案進(jìn)行了比選分析，同時(shí)考慮到粉細(xì)砂層地質(zhì)以及對(duì)既有建筑管線保護(hù)要求控制沉降，選擇了深孔注漿加管棚支護(hù)方案。注漿工藝通過袖閥管注漿和雙重管注漿的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地實(shí)際情況，本工程采用深孔雙重管無收縮注漿工藝。對(duì)隧道上導(dǎo)坑初支外2.5 m，初支內(nèi)1 m范圍內(nèi)進(jìn)行了深孔注漿加固，并在洞口段采用φ108厚8 mm長(zhǎng)10 m管棚超前支護(hù)，取得了較為理想的效果[4-6]。

4.3 柱洞法施工方案優(yōu)化

4.3.1 優(yōu)化對(duì)比方案提出

考慮到拱部混凝土施工前需切割柱洞格柵等臨時(shí)支撐，造成受力體系隨即發(fā)生轉(zhuǎn)換，對(duì)鋼管柱受力變形和地層沉降產(chǎn)生一定的影響。為了獲得柱洞法施工對(duì)地層沉降以及車站結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生哪些影響，建議對(duì)柱洞法部分施工工序順序進(jìn)行優(yōu)化，在原來方案柱洞法常規(guī)施工順序的基礎(chǔ)上，提出了兩種優(yōu)化工序方案。其中方案一是中跨上導(dǎo)洞開挖完成后，進(jìn)行中跨扣拱混凝土施工，然后開挖下部土體，最后開挖雙側(cè)導(dǎo)洞，即簡(jiǎn)稱為中跨先扣拱方案；方案二是中跨上導(dǎo)洞開挖完成后，對(duì)稱開挖側(cè)導(dǎo)洞，最后進(jìn)行中跨部分開挖，即為中跨后扣拱方案[7]。

4.3.2 方案對(duì)比分析(見圖3)

圖3 數(shù)值計(jì)算步驟及模型

為了減少邊界條件的影響在模型中間斷面設(shè)置地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)，地表沉降數(shù)據(jù)對(duì)比分析來看，優(yōu)化方案一相對(duì)于優(yōu)化方案二而言能夠更好地控制地表沉降；方案一和方案二相比經(jīng)計(jì)算開挖結(jié)束后車站結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力減少了0.26 MPa，最小主應(yīng)力分別減少了0.02 MPa，從而減少了車站結(jié)構(gòu)破壞。詳見地表沉降與開挖步距關(guān)系圖4。

圖4 柱洞法施工變換施工工序前后地表沉降與開挖步距的關(guān)系曲線

將設(shè)計(jì)柱洞法施工的地表沉降與變換施工工序后的方案一和方案二進(jìn)行比較，地表沉降槽見圖5。

4.3.3 優(yōu)化方案的確定

經(jīng)過以上模擬計(jì)算和對(duì)比分析，最終確定采用優(yōu)化方案一，即是優(yōu)化施工順序柱洞法部分工序:先行開挖中跨導(dǎo)洞上斷面，等到上斷面貫通且沉降監(jiān)測(cè)穩(wěn)定后，再施工中跨扣拱混凝土。隨后在頂板混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，再適時(shí)進(jìn)行中跨導(dǎo)洞中臺(tái)階和下臺(tái)階的開挖[8]49。詳見圖6。

圖5 柱洞法施工變換施工工序前后地表沉降槽圖

圖6 施工順序優(yōu)化對(duì)比

5 監(jiān)控量測(cè)分析

5.1 測(cè)控量測(cè)點(diǎn)位布置

結(jié)合暗挖段上方管線分布情況，設(shè)計(jì)了監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置圖。其中管線監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿橫斷面方向布置，施工期間共布設(shè)管線監(jiān)測(cè)點(diǎn)90個(gè)、地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)23個(gè)。地表沉降監(jiān)測(cè)在左右柱洞中線上方各布置1排監(jiān)測(cè)點(diǎn)，左柱洞上方監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)為 DB3-1、DB4-1、DB7-1、DB8-1，右柱洞上方監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào) DB4-2、DB5-2、DB7-2、DB8-2。

5.2 管線沉降數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，為了總結(jié)優(yōu)化后柱洞法施工中管線在各施工階段沉降變化規(guī)律，現(xiàn)選取DN2000 mm雨水管為代表進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出沉降變化規(guī)律見圖7。

從各管線的沉降變化曲線和變化規(guī)律可以看出，在各施工階段因受管線類別、材質(zhì)、埋深及超前預(yù)注漿、施工過程控制程度等影響，各管線的沉降變化值有所不同。但總體上看，在柱洞施工階段沉降值均較大，介于35% ～55%之間[8]65。

圖7 沉降變化曲線(以GX7-5監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例)

5.3 地表沉降變化規(guī)律

根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖，管線監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿橫斷面方向布置，反映了橫斷面方向上管線的變化情況。為分析暗挖縱斷面方向上的變化規(guī)律，在暗挖上方布置2排監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別位于左右柱洞的上方，選取左柱洞上方監(jiān)測(cè)點(diǎn) DB3-1、DB4-1、DB7-1、DB8-1，右側(cè)柱洞上方監(jiān)測(cè)點(diǎn) DB4-2、DB5-2、DB7-2、DB8-2，共 2 組8 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分析地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)在各施工階段的沉降變化規(guī)律。

圖8 沉降變化曲線(以DB4-1監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例)

由圖8分析可以得到，在柱洞施工階段沉降量約為總沉降量的50%，中跨、邊跨施工階段的沉降變化值較小，所以在施工過程中更應(yīng)采取措施加強(qiáng)柱洞開挖時(shí)沉降量的控制。同時(shí)從以上監(jiān)測(cè)點(diǎn)在柱洞開挖階段的沉降數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析中獲得的以下規(guī)律:當(dāng)開挖到距監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置長(zhǎng)度范圍為1.4～1.6倍的洞徑時(shí)(施工時(shí)間間距約為1周)，該階段地表的沉降速率較大(沉降值在3.5～5.0 mm之間)；當(dāng)小導(dǎo)洞開挖完成以后地表的沉降速率趨于平緩，沉降值在(1±0.5)mm上下浮動(dòng)，基本趨于穩(wěn)定[9-11]。

6 結(jié)論及體會(huì)

(1)柱洞法施工工序繁多，受施工空間限制，在應(yīng)用過程中采用科學(xué)合理的施工方法和施工順序是關(guān)鍵，選擇適用配套的施工機(jī)械是保證。

(2)柱洞法是淺埋暗挖大跨度隧道較為合適的施工工法，能夠有效地控制暗挖段拱頂上方管線及地表沉降。

(3)在柱洞法施工過程中，應(yīng)采用優(yōu)化施工順序等措施加強(qiáng)對(duì)柱洞開挖時(shí)沉降控制，從而以減小總沉降量；同時(shí)按照監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整施工進(jìn)尺、及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)等，有效控制地表(管線)的沉降，保證滿足設(shè)計(jì)控制要求。

(4)采用雙重管進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)加固，其設(shè)備輕巧、操作簡(jiǎn)單、施工速度快，具有較好的工期效益。采用超細(xì)水泥、水玻璃雙液漿注漿材料對(duì)于粉細(xì)砂等低滲透性地層能提高漿液的可注性和可控性。

(5)該車站柱洞法施工過程中，通過對(duì)柱洞部分施工順序的優(yōu)化，相比傳統(tǒng)的柱洞法施工方法而言，能夠加快施工進(jìn)度，提高施工效率，同時(shí)確保了施工安全，對(duì)類似工程具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。