基于道路沉降控制的富水軟弱地層超淺埋暗挖地鐵車站施工方案研究

董凱

北京市政建設(shè)集團有限責(zé)任公司，北京100089

1 工程概況

北京地鐵昌平線南延工程小營西路車站位于小營西路下方。小營西路是連接京張高速鐵路清河站和京藏高速公路的一條重要交通干道，道路沉降控制要求高。

小營西路車站為地下兩層三跨島式車站，采用暗挖法施工，車站共設(shè)置4個出入口、2個風(fēng)道。車站平面布置如圖1所示。

圖1 小營西路車站平面布置

小營西路車站施工面臨的問題主要有：

1）車站穿越的地層主要為粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂等軟弱地層，且富含地下水，在車站暗挖施工階段需要持續(xù)降水，降水導(dǎo)致的地層固結(jié)變形和車站施工擾動引起的地層沉降疊加，致使地層沉降控制難度加大。

2）車站開挖跨度達(dá)到22.4 m，而車站拱部覆土深度只有8.6 m，覆跨比小于0.5，屬于典型的超淺埋大跨暗挖地下車站。暗挖施工階段車站上方地層很難形成承載拱，易導(dǎo)致道路突然坍塌。

3）小營西路車站位于地鐵清河車站和上清橋車站之間，車站兩側(cè)區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工。為確保全線隧道如期貫通，盾構(gòu)從清河車站始發(fā)，不停機掘進(jìn)至上清橋站，因此車站施工方案的制定必須要考慮盾構(gòu)先行穿越車站的需求。

2 車站主體結(jié)構(gòu)施工方案比選

目前暗挖地鐵車站施工方案主要為中洞法［1-3］和洞樁法（Pile-Beam-Arch Method，PBA法）［4-6］。本車站若采用中洞法施工，須在暗挖車站底板結(jié)構(gòu)施工完成后才能提供盾構(gòu)過站的條件，而暗挖車站結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工工期長，在盾構(gòu)到達(dá)前不具備盾構(gòu)接收與始發(fā)條件，因此小營西路車站可行的施工方案只有PBA法。基于PBA法設(shè)計了4導(dǎo)洞和6導(dǎo)洞兩種施工方案，如圖2所示。

圖2 兩種PBA施工方案

這兩種方案在北京地鐵工程中均有成功案例［7-8］。本車站若采用6導(dǎo)洞方案，整個施工階段須持續(xù)降水，以便為導(dǎo)洞開挖和車站主體結(jié)構(gòu)施工創(chuàng)造無水作業(yè)條件。從2016年開始，北京市逐漸限制在地鐵施工中降水。本車站施工降水存在的問題：①浪費大量水資源，小營西路車站日抽排地下水約12 000 m3；②持續(xù)降水會導(dǎo)致地層固結(jié)沉降，對車站上方道路安全不利。因此，確定車站施工方案時必須考慮少降水、縮短降水持續(xù)時間。另外，采用6導(dǎo)洞方案盾構(gòu)隧道將侵入下層導(dǎo)洞，如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)隧道侵入下層導(dǎo)洞

采用4導(dǎo)洞方案的優(yōu)點在于：①顯著縮短了降水持續(xù)時間。根據(jù)車站施工進(jìn)度的安排，采用4導(dǎo)洞、6導(dǎo)洞方案降水持續(xù)時間分別為14、26個月。據(jù)初步測算，4導(dǎo)洞方案可以減少地下水抽排約4.38×106m3，減少水資源補償稅188.34萬元左右。②車站拱部開挖與支護后，拱部承受的地層荷載傳遞給兩側(cè)邊樁、鋼管柱和柱下樁基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)受力體系合理。③4導(dǎo)洞方案的邊樁和中樁均采用機械成孔，施工安全；而6導(dǎo)洞方案的中樁只能人工挖孔，在富水軟弱地層中即便實施了降水，人工挖孔風(fēng)險仍很大。④可以滿足盾構(gòu)先行過站的要求，盾構(gòu)掘進(jìn)和車站暗挖施工相互干擾小。

綜合考慮本站工程地質(zhì)條件、縮短降水持續(xù)時間、道路下方地層沉降控制要求以及盾構(gòu)先行過站要求，確定車站采用4導(dǎo)洞方案。

根據(jù)車站和兩側(cè)的盾構(gòu)區(qū)間隧道總體工期安排，首先施工車站4個導(dǎo)洞，導(dǎo)洞貫通后施工車站兩端頭的圍護樁，為盾構(gòu)隧道過站提供條件；然后施工兩側(cè)圍護樁、中樁和鋼管柱，盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過站期間暫停邊樁、中樁和鋼管柱的施工；待左右線盾構(gòu)隧道均掘進(jìn)過站后，再恢復(fù)邊樁、中樁和鋼管柱的施工，之后按正常的4導(dǎo)洞施工工序進(jìn)行車站主體的土方開挖、結(jié)構(gòu)澆筑及管片拆除。

3 采用4導(dǎo)洞方案施工對道路下方地層沉降的影響

由于車站位于小營西路下方，為研究采用4導(dǎo)洞方案施工對道路下方地層沉降的影響，采用有限元軟件FLAC 3D建立三維數(shù)值模型進(jìn)行分析。

3.1 計算模型

根據(jù)車站主體的結(jié)構(gòu)尺寸，考慮邊界效應(yīng)，模型尺寸取106.2 m（x軸）×60 m（y軸）×59.72 m（z軸）。共劃分了84 069個節(jié)點，486 375個單元。計算模型如圖4所示。

圖4 計算模型

地層物理力學(xué)參數(shù)、結(jié)構(gòu)及材料物理力學(xué)參數(shù)分別見表1和表2。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)及材料物理力學(xué)參數(shù)

3.2 模擬結(jié)果分析

在計算模型的縱向中點（y=30 m處）設(shè)置1個監(jiān)測斷面，在該監(jiān)測斷面上布置了54個沉降測點。

按照車站實際施工工序模擬，車站施工結(jié)束后道路下方地層沉降曲線如圖5所示。

圖5 道路下方地層沉降曲線

由圖5可知，車站施工結(jié)束后道路下方地層沉降最大值為54.45 mm，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了道路產(chǎn)權(quán)單位給出的地層沉降控制值（30 mm）。因此必須對車站主體結(jié)構(gòu)的拱部及其他關(guān)鍵部位采取加強措施，以降低車站施工對周圍地層的擾動，確保道路下方地層沉降滿足要求。

4 降低車站施工對地層擾動的措施

4.1 車站拱部增設(shè)大管棚

經(jīng)計算，對車站拱部地層僅采取超前深孔注漿措施不能滿足道路下方地層沉降控制要求。根據(jù)北京地區(qū)類似工程的施工經(jīng)驗［9-10］，對于超淺埋暗挖地鐵車站，在車站拱部采用大管棚進(jìn)行加固可以有效降低車站施工對上方地層的擾動。為此在車站拱部增設(shè)φ108 mm鋼管管棚（鋼管壁厚6 mm），鋼管間距30 cm，從橫通道打入，每根鋼管施工完成后向鋼管內(nèi)注漿。大管棚加固范圍如圖6所示。

圖6 車站拱部大管棚加固范圍

4.2 橫通道與車站主體交叉部位地層沉降控制

橫通道是車站主體結(jié)構(gòu)施工的作業(yè)通道，本工程共設(shè)置5個橫通道（其中1號豎井有2個橫通道，參見圖1），橫通道與車站主體形成了空間交叉結(jié)構(gòu)。交叉部位施工順序：橫通道施工→橫通道兩側(cè)壁的導(dǎo)洞施工→車站主體結(jié)構(gòu)的扣拱施工。由于交叉部位地層受多次施工擾動，地層沉降控制難度大。因此，需要對交叉部位的車站導(dǎo)洞和車站主體結(jié)構(gòu)采取加固措施，見圖7。

圖7 交叉部位的車站導(dǎo)洞和車站主體結(jié)構(gòu)加固措施

具體做法如下：

1）橫通道施工階段沿橫通道側(cè)壁按照車站導(dǎo)洞開挖輪廓線預(yù)埋門式鋼架，并將鋼架與橫通道的初期支護牢固連接。

2）橫通道施工階段在橫通道側(cè)壁沿車站開挖輪廓線在現(xiàn)場架設(shè)鋼筋，并與橫通道的格柵連接，然后噴射C25混凝土，從而沿車站開挖輪廓線形成一個加強環(huán)。

5 結(jié)論

1）本文分析了小營西路車站工程地質(zhì)條件和施工面臨的問題，基于PBA法設(shè)計了4導(dǎo)洞和6導(dǎo)洞兩種施工方案。采用4導(dǎo)洞方案能大幅縮短施工持續(xù)降水時間，結(jié)構(gòu)受力體系合理，施工作業(yè)安全，盾構(gòu)掘進(jìn)過站和車站暗挖施工相互干擾小，故確定采用4導(dǎo)洞方案。

2）經(jīng)數(shù)值模擬，采用4導(dǎo)洞方案車站施工引起的道路下方地層沉降超過控制值。為此提出在車站拱部增設(shè)大管棚，橫通道與車站主體結(jié)構(gòu)交叉部位預(yù)埋門式鋼架、加強環(huán)等加固措施，以降低車站施工對地層的擾動，確保車站上方道路的安全。