地鐵隧道暗挖施工對既有快速公交車站基礎的影響

劉加柱，孫禮超，丁銀平，張 壯，殷小桃

(1.北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083；2.烏魯木齊城市軌道集團有限公司，新疆烏魯木齊 830000；3.中鐵十六局集團有限公司，北京 100018)

隨著城市化水平的不斷提高，城市地鐵修建規模不斷擴大，其施工會不可避免地擾動周邊地層，進而對鄰近建(構)筑物產生影響[1]。在諸多地鐵車站施工方法中洞樁法具有擾動小、效率高等優點，能夠較好地控制施工對周圍環境的影響，現已成為淺埋、近接等復雜環境下暗挖地鐵車站作業的主流方法[2-4]。

韓健勇等[5]以沈陽地鐵青年大街站為背景，分析了洞樁法施工引起的周邊地層及支護結構位移變形情況；王霆等[6]依托北京地鐵10號線黃莊站研究了洞樁法作業時地層和管道變形，指出管道所處相對位置對其變形具有重要影響；扈世民[7]結合北京地鐵6號線工程實例，應用變位分析法，對地表沉降分階段處理；霍潤科等[8]對不同導洞開挖方案進行對比研究，確立了先開挖上導洞的施工方案。已有研究多針對洞樁法施工關鍵環節或支護體系力學響應展開。

本文以新疆地鐵1號線王家梁站洞樁法施工為工程依托，通過數值模擬，分析地表沉降規律以及施工對既有快速公交(Bus Rapid Transit，BRT)車站基礎的影響，并探討加固方案。

1 工程概況

地鐵王家梁站是新疆地鐵1號線的站點，車站主體采用暗挖洞樁法施工，車站標準段采用箱形框架結構，主體長232.2 m，寬20.1 m，高15.64 m，拱頂覆土厚10.25 m。圖1為車站結構與地層剖面。其中強風化、中風化泥巖圍巖等級分別為Ⅵ級，Ⅴ級。

BRT車站位于地鐵王家梁站北側斜上方，BRT車站里程YDK9+675.849—YDK9+732.249，站臺全長約56 m，基礎為坡形截面獨立基礎，兩獨立基礎的水平間距約3 m，埋深2 m。該地面建筑承載能力差，受地表不均勻沉降影響明顯，為一級風險源。烏魯木齊地區對炸藥的管控及使用要求嚴格，且地鐵車站周邊環境特殊，綜合考慮工程特點及施工條件，最后選定采用洞樁法進行施工，懸臂式掘進機掘進，盡量減小施工擾動。

圖1 車站結構和地層剖面(單位:m)

2 洞樁法施工數值模擬

2.1 模型的建立

建立數值計算模型(見圖2)，水平方向(x軸)取120 m，垂直方向(z軸)取60 m。考慮到車站沿軸線方向(y軸)的尺寸無明顯變化，車站周邊地層連續均勻，無斷層、褶皺等地質構造，故模型軸線方向只取單位長度。四周邊界為水平位移約束，地表取自由面，底面為固定端完全約束。為提高數值模擬準確性，在劃分網格時，對需重點研究的BRT基礎及車站結構部分適當加密，共劃分56 532個單元，14 890個節點。

圖2 數值計算模型(單位:m)

2.2 材料參數的選取

表1 土層參數

為掌握基礎沉降及地層變形情況，在基礎底端中軸線布置2個沉降監測點A，B，基礎底端兩側布置傾斜監測點C，D，E，F(參見圖1)，在地表中心線布置一系列沉降監測點。

2.3 洞樁法施工過程模擬

車站采取淺埋暗挖洞樁法施工，施工過程可劃分為導洞施工、樁梁施作、頂部扣拱施作及土體開挖4個階段，見圖3。在導洞施工階段先下層后上層，先兩邊后中間。樁梁施作階段在導洞內施工邊樁、鋼管支撐中柱及頂、底縱梁。在頂部扣拱施作階段開挖頂部土體，施作初期支護與二次襯砌扣拱。

圖3 洞樁法施工工序

3 數值模擬結果

3.1 地表沉降規律

地鐵車站正上方的地表監測點累計沉降曲線見圖4。可見:①在導洞施工階段地表不斷下沉，曲線斜率最大。②相較于導洞施工階段，樁梁施作完成后地表沉降很小。主要是因為樁梁施作階段土體開挖量很小，對地層擾動亦小。③在頂部扣拱施作階段地表沉降較大。這是由于頂部土體開挖量較大，開挖擾動較大。④在土體開挖階段土方開挖量最大，但地表沉降卻出現負增長。這是因為:前期的結構施作形成了車站的樁、梁、拱縱橫支撐體系，土體開挖在支撐體系保護下進行，對周邊環境影響較小，產生的地表沉降也較小。由于土體回彈模量較小，在開挖車站土體后車站下方地基產生較大回彈，帶動車站及上方土體回彈。開挖產生的回彈影響大于開挖引起的沉降影響，所以總體來說該階段地表沉降表現為負增長。

圖4 地表監測點累計沉降曲線

各階段施工引起的地表沉降見表2。

表2 各階段施工引起的地表沉降

3.2 施工對BRT車站基礎的影響

3.2.1 基礎沉降控制標準

1)施工控制要求。根據施工單位設計要求，對BRT車站基礎沉降和傾斜進行監測。分預警、警戒、極限控制三級管理。可按極限控制值執行:基礎最大沉降9 mm；相鄰基礎最大差異沉降3 mm。當沉降指標無法控制時，需采取必要的加固處理措施。

2)建(構)筑物控制指標要求。參照北京地區建(構)筑物控制指標參考值(見表3)，BRT車站基礎重要性等級可劃為Ⅰ級，故其允許沉降控制值≤15 mm，差異沉降控制值≤5 mm，傾斜控制值≤0.002。

表3 北京地區建(構)筑物控制指標參考值[10]

3.2.2 基礎沉降分析

由于沼氣產生過程復雜及影響因素較多，精確計算出沼氣的產生速率和產量比較困難。目前預測沼氣產氣量的主要方法包括：經驗估算法、Scholl Canyon模型、Monad模型以及由美國環保總署提出的垃圾沼氣排放模型等［1-2］。根據已完成的可行性研究報告，已填埋的垃圾量、垃圾主要組成、填埋工藝等情況基本符合Scholl Canyon模型的要求，同時根據CJJ 133—2009生活垃圾填埋場填埋氣體收集處理及利用工程技術規范［3］，可以按此模型預測沼氣的產量，模型算法如下。

根據數值計算結果，分別提取A、B監測點數據，繪制兩獨立基礎沉降曲線，見圖5。可見:基礎最大沉降11.31 mm，不能滿足9 mm的施工控制要求，基礎最大差異沉降6.04 mm，既不滿足3 mm的施工控制要求，也不滿足5 mm的建(構)筑物沉降控制要求。

圖5 兩獨立基礎沉降曲線

3.2.3 基礎傾斜分析

施工擾動會造成車站基礎發生傾斜，必須嚴格控制基礎傾斜，將傾斜值控制在0.002以內。從數值計算結果中分別提取C，D，E，F監測點數據，左基礎C，D監測點的最大差異沉降2.6 mm，基礎傾斜值為0.000 7，右基礎E，F監測點的最大差異沉降0.9 mm，傾斜值為0.000 2，兩基礎傾斜值均符合建(構)筑物傾斜控制要求。

由以上分析可知，地鐵車站施工時BRT車站基礎最大傾斜值0.000 7，滿足0.002的傾斜控制要求，但兩基礎最大沉降及最大差異沉降均不能滿足施工控制要求，擬采用地面袖閥管進行注漿加固。以下從注漿體彈性模量及注漿范圍兩方面對注漿加固的效果進行數值模擬分析。

4 數值模擬袖閥管注漿加固效果

注漿管長8 m，注漿范圍為地面以下2～10 m。假定注漿后土層密度為22.5 kg/m3，內摩擦角提高到29°，注漿體彈性模量亦有提高。

4.1 不同彈性模量

其他參數保持不變，將注漿體的彈性模量分別提高至 5，10，15，20，25 GPa，計算基礎最大沉降及基礎最大差異沉降，結果見表4。可見:剛開始時提高注漿體彈性模量對基礎最大沉降及基礎最大差異沉降影響顯著，但當彈性模量大于15 GPa后，基礎最大沉降及基礎最大差異沉降減少均不明顯，對提高注漿效果影響不大，故注漿時將彈性模量控制在15 GPa左右即可。

表4 不同彈性模量時基礎沉降

4.2 不同注漿范圍

注漿體彈性模量取15 GPa，方案1到方案3注漿橫向長度分別為42～60 m，34～68 m，34～86 m，如圖 6所示。車站基礎沉降見表5。

圖6 不同注漿范圍

表5 不同注漿范圍時基礎沉降

由表5可見:與方案1和方案2相比，方案3的基礎最大差異沉降明顯減小，減至1.42 mm，加固效果明顯。其原因是:方案1、方案2的右側注漿邊界在車站上方，加固后巖土體相當于右側懸空的懸臂梁，加固體也會產生左小右大的不均勻沉降，未能從根本上控制兩基礎產生差異沉降。而方案3注漿區域橫跨車站上方，形成兩端鉸支的簡支梁，在簡支梁的支撐保護下基礎差異沉降得到有效控制。雖然3個方案的最大沉降及最大差異沉降均能滿足建(構)筑物沉降控制要求。但參照車站設計要求，僅有注漿區域橫跨車站上方的方案3能夠滿足基礎沉降及基礎差異沉降的施工控制要求。方案3為較優方案。

采用方案3注漿加固前后最大拉應力均出現在車站拱腳外側，其值由注漿前的3.3 MPa減小到了注漿后的2.2 MPa。此外，車站周邊土層縱向位移也整體明顯變小。

4.3 數值模擬沉降與實測沉降的對比

BRT車站基礎為一級風險源，對施工擾動要求非常嚴格，必須嚴格控制基礎沉降。基于數值模擬分析結果，在工程現場采用方案3注漿，讓注漿區域橫跨車站上方，盡可能減小施工對基礎的擾動。對基礎沉降進行現場監測，繪制計算與實測的基礎沉降與基礎差異沉降曲線，見圖7。

圖7 基礎沉降曲線

分析圖7可知:施工完成后，左、右基礎的實測沉降分別為7.60，6.63 mm，數值計算沉降分別為7.40，6.05 mm，誤差在10%左右，總體而言相差不大。實測基礎最大沉降7.62 mm出現在扣拱施作完成后。與數值計算結果相比，雖然施工過程中各階段實測沉降占比稍有偏差，但左側基礎的沉降始終大于右側基礎，這一點與數值計算結果一致。

導洞施工后實測兩基礎差異沉降0.87 mm，實測兩基礎最大差異沉降1.05 mm出現在扣拱施作完成后，相較于數值計算得到的基礎最大差異沉降1.35 mm，誤差也在可接受范圍內。

綜合分析可知:注漿加固后實測基礎最大沉降7.62 mm，既滿足15 mm的建(構)筑物沉降控制要求，又滿足9 mm的施工控制要求；實測兩基礎最大差異沉降1.05 mm，滿足3 mm的施工控制要求。

5 結論

1)洞樁法施工可分為導洞施工、樁梁施作、頂部扣拱施作和土體開挖4個階段。導洞開挖階段與頂部扣拱施作階段對地表沉降影響大。土體開挖在支撐保護下進行，對周邊地層擾動非常小，開挖產生的回彈影響大于開挖引起的沉降影響，故土體開挖階段地表沉降表現為負增長。

2)地鐵車站施工對鄰近BRT車站基礎擾動較大，兩基礎最大沉降及最大差異沉降均不能滿足施工控制要求。采用袖閥管注漿，注漿區域橫跨車站上方，可充分發揮簡支梁的支撐作用，有效控制基礎沉降。