淺埋暗挖車站過(guò)重大風(fēng)險(xiǎn)源施工技術(shù)研究

張 爽

（中鐵十九局集團(tuán)有限公司 北京 100176）

1 工程概況

北京地鐵6號(hào)線呼家樓站位于朝陽(yáng)北路和東三環(huán)路的交叉口處，沿朝陽(yáng)北路下方東西向敷設(shè)。與既有的地鐵十號(hào)線呼家樓站（南北向）形成十字交叉換乘，車站穿越東三環(huán)京廣橋（樁基、連續(xù)梁）。

受既有十號(hào)線車站預(yù)留條件及場(chǎng)地建（構(gòu)）筑物、管線、地面交通等的影響，下穿京廣橋及與既有十號(hào)線車站換乘段（75.3 m）為單層雙跨結(jié)構(gòu)，采用平頂直墻結(jié)構(gòu)形式，CRD工法暗挖施工。

車站暗挖段覆土8 m左右，有電力隧道、熱力隧道、給水、燃?xì)狻⑽鬯缺姸喙芫€。

2 地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)條件

本站范圍內(nèi)土層自上而下主要為雜填土、粉質(zhì)粘土層、粘土層、粉細(xì)砂、中粗砂層和圓礫層⑤。其中車站暗挖施工段的地層主要為粉細(xì)砂、中粗砂和圓礫層。

2.2 水文地質(zhì)條件

圖1 呼家樓車站地質(zhì)剖面圖

場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)主要賦存二層地下潛水，其中潛水（一）含水層為圓礫卵石⑤層，水位埋深約為15.3 m，對(duì)暗挖施工有影響，施工前采用管井降水措施處置。層間潛水（二）含水層巖性為圓礫卵石⑦層，埋深為26.5 m，對(duì)暗挖施工無(wú)影響。

呼家樓車站地質(zhì)剖面詳見圖1。

3 計(jì)算分析方法

3.1 暗挖工程計(jì)算參數(shù)

暗挖工程計(jì)算分析采取主要地質(zhì)參數(shù)來(lái)源于本站詳勘報(bào)告。一般土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 一般土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

3.2 計(jì)算方法的選擇與簡(jiǎn)要說(shuō)明

本次計(jì)算采用的軟件為ANSYS及FLAC3D。

根據(jù)這兩個(gè)軟件的適用范圍及功能，本工程采用ANSYS建模，并使用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。

（1）計(jì)算域的確定

依據(jù)開挖斷面尺寸的大小，分別設(shè)定模型左右邊界及下邊界，上邊界取到地表。

（2）邊界條件

模型側(cè)面和底面為位移邊界，側(cè)面限制水平位移，底部限制垂直移動(dòng)，模型上面為地面，取為自由面，將其作為施加附加荷載的應(yīng)力邊界。

（3）計(jì)算力學(xué)模型

FLAC3D中提供了10種內(nèi)嵌的材料本構(gòu)模型，1種“空”模型 （NULL模型）、3種彈性模型和6種塑性模型。

本計(jì)算對(duì)隧道開挖部分的模擬就是使用NULL模型。

圍巖的計(jì)算力學(xué)模型選用Mohr-Coulomb彈塑性模型，破壞準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，如圖2所示。

（4）荷載

模擬過(guò)程中主要考慮永久荷載，包括建筑物結(jié)構(gòu)自重，地層壓力。地層壓力的初始應(yīng)力場(chǎng)由自重產(chǎn)生，不考慮土體構(gòu)造應(yīng)力的影響。

（5）支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬

圖2 FLAC3D 中Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則

圖3 暗挖主體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型圖

施工中采取的諸如超前小導(dǎo)管注漿對(duì)地層的加固處理、格柵鋼架與噴射混凝土形成的臨時(shí)支護(hù)措施以及鋼筋混凝土二次襯砌都需要進(jìn)行模擬分析，綜合以往經(jīng)驗(yàn)和軟件適應(yīng)性分析，按照如下方式進(jìn)行模擬分析：

①超前小導(dǎo)管注漿

采用提高注漿區(qū)地層的地層參數(shù)來(lái)模擬。

根據(jù)北京地區(qū)注漿試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，注漿后，土體的彈性模量 50%，模擬時(shí)，按如下數(shù)值條件進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入：密度2.2 g/cm3，壓縮模量30.0 MPa，泊松比0.25，粘聚力75 kPa，內(nèi)摩擦角50°。

②格柵鋼拱架+噴混凝土

采用拱殼shell彈性單元進(jìn)行模擬計(jì)算。綜合設(shè)計(jì)工況及以往施工經(jīng)驗(yàn)，按如下數(shù)值進(jìn)行輸入分析：厚度0.3 m，彈性模量17.5 GPa，泊松比0.20，密度取2.5 g/cm3。

③模筑鋼筋混凝土二襯

模筑鋼筋混凝土二襯采用彈性單元模擬。輸入數(shù)值為：彈性模量30 GPa，泊松比0.20，密度取2.4 g/cm3。

4 風(fēng)險(xiǎn)工程施工影響計(jì)算分析及施工技術(shù)措施

4.1 車站暗挖下穿地下管線

4.1.1 控制性管線描述

（1）污水管（D700）：該雨管沿東三環(huán)路呈南北走向，管內(nèi)底埋深6.2 m；

（2）雨水管（DN1100）：該雨管沿東三環(huán)路呈南北走向，管內(nèi)底埋深約4.02 m；

（3）雨水管（DN1100）：該雨管沿東三環(huán)路呈南北走向，管內(nèi)底埋深約3.82 m；

（4）上水管（D1400）：管內(nèi)底埋深約3.25 m；

（5）上水管（D1000）：管內(nèi)底埋深約1.59 m ；

（6）污水管（D1250）：該污水管沿東三環(huán)路呈南北走向，管底埋深6.8 m；

（7）電力隧道（2000×2350 mm）：溝內(nèi)底埋深10.0 m，在東三環(huán)路西側(cè)輔路下。

（8）熱力隧道（2700×2320）：根據(jù)東三環(huán)路東側(cè)溝底埋深10.63 m熱力管溝。

（9）中水方溝：（1280×700）：埋深：1.82 m。

4.1.2 變形控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)管線調(diào)查結(jié)果，并參考北京市軌道交通工程建設(shè)《安全風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)管理體系》，污水管（施工期間管內(nèi)無(wú)流水）允許沉降量≤20 mm；斜率≤0.0025；沉降速率≤3 mm/d； DN500中壓燃?xì)夤転橛袎汗芫€，其沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為：允許沉降量≤10 mm；斜率≤0.002；沉降速率≤2 mm/d；電力溝：允許位移控制值≤30mm，傾斜率控制值≤0.004，變形速率控制指標(biāo)為≤1.5mm/d；熱力溝：允許位移控制值≤10mm，傾斜率控制值≤0.002，變形速率控制指標(biāo)為≤2mm/d。

4.1.3 計(jì)算分析

主體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)斷面其計(jì)算如圖3所示：

經(jīng)過(guò)計(jì)算，由圖3可以看出，暗挖主體結(jié)構(gòu)地面最大沉降為35 mm，難以滿足管線最小位移控制標(biāo)準(zhǔn)，因此采用半斷面超前注漿加固，以有效控制地面沉降，保證管線安全。

4.1.4 施工技術(shù)措施

綜合考慮車站上方的雨水、污水、上水、熱力、電力隧道等管線，隧道施工針對(duì)上方管線采取以下保護(hù)措施：

（1）施工前對(duì)管線的滲漏情況進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，并提前對(duì)管線下方的空洞或水囊進(jìn)行注漿處理；

（2）提前對(duì)上方的雨、污水管線進(jìn)行鋪襯處理或分段對(duì)管內(nèi)水進(jìn)行導(dǎo)流；

（3）提前調(diào)查熱力溝及電力溝等管溝內(nèi)是否有水，若有水必須先疏干；

（4）隧道開挖前采用深孔注漿預(yù)加固地層。注漿范圍為結(jié)構(gòu)斷面開挖線以外2.5 m，開挖線以內(nèi)0.5 m。

（5）分步多導(dǎo)洞施工初期支護(hù)，采用“中洞法”施工，前后導(dǎo)洞錯(cuò)開間距，控制開挖步距0.5 m；

（6）及時(shí)進(jìn)行初支背后注漿，控制地層沉降；

（7）施工中加強(qiáng)對(duì)管線進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并及時(shí)反饋監(jiān)測(cè)結(jié)果。

4.2 對(duì)既有十號(hào)線結(jié)構(gòu)的施工影響分析與技術(shù)措施

4.2.1 破除結(jié)構(gòu)對(duì)既有線車站影響分析

十號(hào)線車站軌道交通的安全風(fēng)險(xiǎn)包括既有線車站結(jié)構(gòu)和軌道的破壞，主要涵蓋以下幾個(gè)項(xiàng)目：

（1）既有線車站側(cè)墻破除的內(nèi)力分析和加固方案；

（2）6號(hào)線車站施工對(duì)既有車站的穩(wěn)定性、安全性評(píng)估；

（3）既有線車站結(jié)構(gòu)（頂、底板）沉降、側(cè)墻傾斜等控制；

（4）既有線運(yùn)營(yíng)軌道的保護(hù)。

4.2.2 對(duì)十號(hào)線車站的采取的技術(shù)措施

（1）6號(hào)線車站的施工需破除既有十號(hào)線站廳層的側(cè)墻，對(duì)既有十號(hào)線車站20 m范圍的換乘段節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生較大影響。尤其是對(duì)原拱形頂板與側(cè)墻的腳部支點(diǎn)產(chǎn)生影響，側(cè)向剛度有所減弱。因此，在施工前要將該處采用型鋼預(yù)應(yīng)力拉桿將其變成自平衡的系桿拱結(jié)構(gòu)，有效的減小拱腳的水平的位移趨勢(shì)，保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

（2）采用合理、安全的開鑿、加固步序（如圖4所示）

圖4 既有線車站側(cè)墻開鑿加固步序示意圖

（3）為確保既有站運(yùn)營(yíng)安全，對(duì)既有線的運(yùn)營(yíng)軌道做專項(xiàng)保護(hù)，具體實(shí)施方案為：

①變形最大部位設(shè)置軌距拉桿防護(hù)措施，并在下穿作業(yè)開始后即采取限速運(yùn)行，限速建議值40～50km/h。

②制訂周密的監(jiān)測(cè)方案，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。隨時(shí)指導(dǎo)設(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)整與施工進(jìn)展。

4.3 車站暗挖下穿既有橋梁

4.3.1 車站主體暗挖段下穿京廣橋橋樁

車站與橋樁的關(guān)系如圖5和圖6所示。

圖5 京廣橋與呼家樓站平面位置關(guān)系示意圖

圖6 京廣橋與呼家樓站立面位置關(guān)系示意圖

4.3.2 橋樁沉降控制要求

本工程施工前對(duì)橋的沉降控制指標(biāo)及相關(guān)參數(shù)參考了已經(jīng)完成的北京市類似工程，即連續(xù)梁、異性板等超靜定結(jié)構(gòu)沿超靜定方向的不均勻差異沉降不大于5mm，簡(jiǎn)支梁等靜定結(jié)構(gòu)，沿靜定方向差異沉降不大于15mm，簡(jiǎn)支梁支墩若為門式剛架結(jié)構(gòu)，也將該方向的受力按超靜定考慮，不大于5mm。根據(jù)上述要求，本站施工時(shí)相關(guān)橋樁的允許差異沉降建議值見表2：

本站穿越橋梁段為暗挖法施工，暗挖主體結(jié)構(gòu)外皮距離京廣橋橋樁3.8米，該距離在開挖影響范圍之內(nèi)，施工中的土體擾動(dòng)、地層缺失都將造成橋樁的磨阻力的損失（既有橋梁為摩擦樁）。根據(jù)十號(hào)線（雙層）暗挖施工經(jīng)驗(yàn)數(shù)字揭示，暗挖施工階段橋梁最大差異沉降為3.03mm，按工程類比分析，雖然6號(hào)線車站（單層）施工對(duì)京廣橋的影響將會(huì)小于10號(hào)線，但6號(hào)線車站施工對(duì)橋樁及周圍土體屬于二次擾動(dòng)，很有可能引起土體應(yīng)力重新分布而帶來(lái)疊加沉降，所以，必須對(duì)橋樁采取洞內(nèi)、洞外措施，有效控制變形，對(duì)橋樁保護(hù)進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)。

表2 橋樁的允許差異沉降建議值

4.3.3 計(jì)算分析

采用平面有限元模型進(jìn)行模擬基坑施工過(guò)程，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖7和圖8所示。

圖7 橋梁結(jié)構(gòu)與暗挖結(jié)構(gòu)影響建模圖

圖8 橋梁結(jié)構(gòu)與暗挖結(jié)構(gòu)計(jì)算模型圖

模擬計(jì)算顯示，京廣橋樁基產(chǎn)生的最大沉降值約為 8.7mm，滿足市政管理單位設(shè)定的指標(biāo)要求，施工中，可以采取隔離、注漿等技術(shù)措施，控制該項(xiàng)指標(biāo)。

4.3.4 施工技術(shù)措施

（1）車站施工對(duì)鄰近橋基影響的分析預(yù)測(cè)。建立包括既有10號(hào)線、在建6號(hào)線車站及京廣橋樁在內(nèi)的非線性數(shù)值模型，模擬6號(hào)線開挖穿越過(guò)程，將數(shù)值模擬與施工監(jiān)測(cè)進(jìn)行對(duì)比、分析、研究，預(yù)測(cè)各施工階段對(duì)周邊環(huán)境的影響水平。

（2）沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的制定。根據(jù)橋梁上部結(jié)構(gòu)的型式（簡(jiǎn)支或連續(xù)）、相鄰結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置關(guān)系以及施工階段，按差異沉降和絕對(duì)沉降指標(biāo)進(jìn)行控制，結(jié)合市政管理部門的相關(guān)要求分別設(shè)定各橋墩及地表沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)和預(yù)警值。

（3）橋樁加固與保護(hù)。保護(hù)原則：先洞外加固、再降水、開挖前洞內(nèi)加固、再開挖，加強(qiáng)過(guò)程監(jiān)控，指導(dǎo)施工過(guò)程，根據(jù)橋樁變化采取優(yōu)化工序、注漿加固改良、基礎(chǔ)補(bǔ)強(qiáng)等措施。施工過(guò)程中在車站暗挖通過(guò)橋樁前，在洞外施工復(fù)合錨桿樁加固和隔離橋樁承臺(tái)，洞內(nèi)采用超前注漿的方式對(duì)橋樁承臺(tái)周邊土體進(jìn)行加固。

（4）施工期間應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)（包括對(duì)車站結(jié)構(gòu)本身的監(jiān)測(cè)和對(duì)京廣橋的監(jiān)測(cè)），并及時(shí)反饋設(shè)計(jì)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)修正設(shè)計(jì)參數(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

地鐵六號(hào)線呼家樓站暗挖段最終地表沉降控制在30mm以內(nèi)，東三環(huán)京廣橋的沉降控制在2.8mm，未對(duì)周邊重大管線造成不良影響。

針對(duì)復(fù)雜環(huán)境、高風(fēng)險(xiǎn)條件下地鐵車站暗挖工程進(jìn)行建模數(shù)據(jù)分析計(jì)算，可為施工中采取技術(shù)措施提供較強(qiáng)的科學(xué)理論依據(jù)。

本工程實(shí)施前對(duì)地層沉降進(jìn)行了分析計(jì)算，確定了管線、橋梁等建構(gòu)筑物的容許沉降標(biāo)準(zhǔn)，并分別采取了地層加固、分步開挖、隔離分區(qū)、變不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)等綜合技術(shù)處理措施，使所有施工風(fēng)險(xiǎn)得到有效控制，取得了良好的效果。

這充分說(shuō)明，科學(xué)的理論分析在復(fù)雜環(huán)境下工程施工是十分必要和可行的。值得類似工程借鑒。