多跨地鐵車站洞樁法施工及控制技術研究

張耀軍

(中鐵十七局集團有限公司，266555，太原//高級工程師)

洞樁法作為目前地鐵車站暗挖施工的主流工法，具有擾動小、安全性高、適應地層能力強等特點[1-2]。但由于城市軌道交通網的不斷擴大，其施工過程勢必會引起周圍土體的形變以及穩定性的改變，影響鄰近建(構)筑物；同時，地鐵施工多位于城市主干道，開挖時會對周邊管線造成擾動效應，嚴重影響周圍城市居民生活。

文獻[3]依托新疆地鐵1號線王家梁站，對洞樁法施工進行數值模擬，分析了施工對既有快速公交車站基礎的影響；文獻[4]基于某地鐵工程，采用有限元分析法，對復雜環境下暗挖隧道穿越富水砂層的地表沉降進行了研究；文獻[5]以西安地鐵4 號線某車站基坑為工程背景，對遷移并改造后的管線沉降進行現場監測分析，得出了管線沉降隨時間的變化規律；文獻[6]總結了市政暗挖工程在不良地質條件下下穿既有大型污水管道施工時進行風險控制的技術措施；文獻[7]采用試驗與有限元模擬相結合的方法，來確定地鐵工程穿越施工中熱力管線的變形規律及其對管道自身強度的影響；文獻[8]通過數值試驗，對比分析了在不同等級圍巖段及不同開挖方法下，隧道施工引起的位移場、應力場及塑性區的變化規律。上述已有研究都針對施工環節對周圍環境的影響。本文以石家莊軌道交通3號線三教堂站為例，通過現場調研和數值模擬相結合的方式，分析多跨洞樁法施工過程中對自身結構和周圍管線的影響，并對控制技術的效果展開研究，同時提出了針對性應急措施，以保障整個施工過程的安全。

1 工程概況

石家莊軌道交通3號線一期工程三教堂站，位于石家莊市塔北路與東二環南路交口處，沿東西方向布置，設2座風道和4個出入口。車站暗挖段為地下兩層結構，里程為DK19+191.428—DK19+263.328，全長71.9 m。綜合考慮工程特點，最后選定采用洞樁法施工，以盡量降低對地層的擾動。導洞超前支護采用φ42 mm×3.25 mm小導管預注漿；管棚與小導管注漿漿液均采用水灰比為1∶1的水泥漿；導洞初期支護采用250 mm厚C25早強網噴混凝土+鋼筋格柵；邊樁采用φ1 000 mm@1 500 mm圍護樁，樁長為18.63 m，并噴射C25早強混凝土。暗挖段拱頂覆土厚度均較淺，約為8.215 m，且地質條件較差。車站基本位于第四系地層(自上而下主要為：①素填土，②雜填土，③粉質黏土，④粉細砂，⑤粉土，⑥砂層，⑦粉土，⑧粉質黏土)。暗挖段拱頂上方地下管線眾多。土體的大幅度移動將會引起管線的破損[9]，故施工風險等級較高。3號線三教堂站周圍管線布置如圖1。

圖1 三教堂站周圍管線布置圖

2 洞樁法施工模擬

2.1 模型建立

利用有限差分軟件FLAC3D進行分析，依據相關施工圖紙及文件建立模型。因車站周邊地層連續均勻、無斷層，故模型寬取線路縱向單位長度1 m；同時充分考慮圣維南原理，消除模型邊界影響，模型尺寸定為140 m×1 m×60 m(長×寬×高)。模型四周采用水平位移約束，底面完全約束，地表為自由邊界。模型建立時，不同開挖步驟的劃分對應于不同的組，且僅考慮自重應力場的作用，不考慮地下水對工程的影響[10]。為分析多跨洞樁法施工中地層變形以及對周圍管線的影響情況，在地表布置了一系列沉降監測點，同時在風險等級較高的管線處布置位移監測點(如圖2所示，其中，G1和G2為熱力管線，G3為煤氣管線，G4為雨水管線)。

圖2 計算模型

2.2 既定施工過程模擬

參考《石家莊市城市軌道交通3號線三教堂站工程巖土工程勘察報告》，將計算模型劃分為不同土層。有關計算參數見表1。

表1 主要計算參數

土體本構模型設置為 Mohr—Coulomb 彈塑性，支護結構采用理想線彈性模型。車站兩側邊樁采用 pile 單元，其他結構均為實體單元?？紤]等效原理，將導洞超前支護范圍內的土體參數提高50%[11]。施工模擬前進行自重應力平衡和初始位移場清零，地層土體開挖與馬頭門破除采用null模型。施工過程包括：開挖上導洞,開挖下導洞，樁梁施作，頂部扣拱；最后進行內部土體開挖。主要施工順序如圖3。

3 數值模擬結果分析

3.1 地表沉降規律

圖4為不同施工階段完成后的地表沉降曲線。由圖4可以看出,沉降曲線以車站中線為中軸表現出對稱性，形成較為標準的“沉降槽”。其中：施工對中線處的地表影響最大，橫向影響范圍大約在20～25 m之間；上導洞開挖引起的地表沉降為7.5 mm，占累計沉降量的45.2%；頂部扣拱引起的地表沉降為4.46 mm，占累計沉降量的26.9%；樁梁施作階段沉降變化量較小，僅為0.55 mm，占累計沉降量的3.3%。其中，上導沿開挖及頂部扣拱兩個階段地表受影響最為明顯，需針對其采取必要的土體加固措施。

圖4 地表沉降曲線

由于暗挖施工對車站中軸線處的地表影響最為明顯，故提取該中軸線上某點在整個施工過程中的沉降曲線(如圖5所示)予以分析。由圖5可見,其沉降的總體趨勢為:急速增長→緩慢發展→急速增長→穩定平緩4個部分。在上導洞開挖過程中，沉降曲線斜率較大，地層受擾動明顯，同時各導洞間存在群洞效應，故此階段沉降量快速增加。下導洞開挖時地表沉降速率得到緩解，因為上導洞土體的開挖已經卸掉部分荷載，故此階段沉降增量降低。樁梁施作過程中，沉降曲線總體趨勢進一步變緩，因為此階段樁梁可以作為支撐結構控制土體的應力釋放，改善應力重分布狀態。頂部扣拱階段，地表沉降急劇減少，沉降速率達到最大，因為此時土體開挖量不斷增長，扣拱施作過程對周圍土體受擾動的范圍不斷擴大。在車站結構內部土體開挖完成后，地表沉降出現減少趨勢，因為此階段車站圍護結構主體基本完成，故能降低土體開挖所帶來的影響，且土體具有一定的回彈特性。但地表最終累計沉降值還是達到了16.6 mm，故還需進一步控制地表沉降。

圖5 車站中軸線上地表某點沉降曲線

3.2 施工對管線沉降影響

在地鐵車站建設中，車站主體開挖會打破原有初始應力場，致使應力重新分布，導致土體發生豎向變形。而該變形會直接影響既有管線，使其發生變形，若變形過大則會造成管線破壞。為探明施工步序對管線的影響，以便確定更加有針對性的措施，需對不同管線位置沉降規律展開分析。圖6為各管線位置在整個施工過程中的沉降曲線。

圖6 管線沉降曲線

由圖6可見,熱力管線G1和G2位置的沉降變化相對更為明顯，并在樁梁施作階段前呈現出波動現象。這說明在此過程中地層土體自身進行著不斷的應力調整，管線附近土體即將發生不可逆轉的位移。G2距離導洞拱頂更近，受群洞效應影響最為嚴重，在下導洞開挖完成后G2沉降迅速超過G1點；最終G1累計沉降量為6.83 mm，G2累計沉降量為8.93 mm(已經接近沉降控制值10 mm)。由此可以判斷得出G2的風險等級較高。G3(煤氣管線)和G4(雨水管線)位置的沉降整體趨勢較為平緩，在中板施作后可達到基本穩定狀態；此階段沉降值可以忽略不計，且兩個位置最終沉降量基本相同，為2.8 mm左右。三教堂站周圍主要為有壓管線，必要時可選擇采用深孔注漿等加固方式來降低管線的危險程度。

3.3 結構內力分析

為了更好地了解多跨洞樁法施工對三教堂車站本身受力狀態的影響，特對如圖7所示的車站主要結構應力分布情況予以分析。從圖7 a)可看出，拱頂外側主要承受拉應力，拉應力值可達1.34 MPa；結構最大拉應力為3.28 MPa，出現在中板位置。這是因為車站跨度較大，不利于中板受力。從圖7 b)可見，中柱和邊樁作為主要承載結構呈現出完全受壓的狀態，其最大壓應力(約為4.74 MPa)出現在中柱的下半部；整個結構最大壓應力為8.44 MPa，出現在中板與中柱接觸位置(此部分容易發生應力集中現象，必要時需要加強支護)。從車站結構的受力狀態可見,其拉應力和壓應力均較大；特別是結構受拉已經超出材料容許應力，必需采取控制措施。

4 施工過程控制及效果分析

基于既定施工方案，優化開挖順序，即同層導洞采用交錯開挖的方式；同時進一步加強拱頂超前支護，以提高注漿加固區對應土體的彈性模量和黏聚力等。土體加固具體位置見圖8。

圖8 控制措施示意圖

表2為采取地表沉降控制措施前后累計沉降量的對比分析?？梢钥闯觯敳捎蒙鲜隹刂拼胧┖?，地表沉降可以得到有效抑制，累計沉降量為8.43 mm。受施工影響較大的上導洞開挖階段，沉降增量為1.79 mm，頂部扣拱階段增量為1.03 mm，相比之前分別降低了76.1%和76.9%。這說明在上導洞拱頂加強超前支護的控制技術達到了預期效果；但對于下導洞開挖和樁梁施作兩個階段基本沒有起到控制作用，因為這兩個階段在無控制措施下沉降增量就相對較小。

表2 采取地表沉降控制措施前后沉降量對比

圖9為采取措施前后管線沉降量對比情況?？梢姴扇∵m當的措施后，所有監測管線的沉降都得到顯著控制。特別是G1和G2位置處的熱力管線，累計沉降量分別可以降低52.6%和56.8%。這是因為這兩個管線距離車站拱頂更近，當加強超前支護并增加小導管和大管棚設置密度后，拱頂土體加固影響范圍擴大至管線位置附近，其周圍土體變得更加穩定。同時,通過改變導洞施工順序，采用上層導洞交錯開挖，下層導洞間隔進洞的方式，能夠一定程度上抑制群洞效應，降低對土體的擾動。

圖9 管線沉降控制前后對比

圖10為車站主要結構的應力分布情況。從圖10 a)可看出，結構最大拉應力為2.12 MPa，相對未采取控制措施時降低35.4%。這是因為車站底部土體的注漿加固相當于增強了地基承載力，使中柱的受力狀態得到了改善。從圖10 b)可看出，整個結構最大壓應力為5.43 MPa，出現在邊柱與地板的接觸位置,相對未采取控制措施時降低35.7%。這是因為車站在開挖前對內部土體進行注漿加固，可在施工初期降低中柱所承受的荷載，進而影響中板的受力情況。

5 施工控制技術

車站在采用洞樁法施工過程中，若采用既定方案，會帶來對周圍環境影響過大且自身受力狀態較差等風險。通過對上述兩種施工方案模擬結果的分析，并結合施工現場實際情況，經綜合考慮提出以下控制技術措施：

(1)暗挖段拱頂采用雙排大管棚加小導管的支護形式作為超前支護手段，適當增強支護，增加小導管和大管棚布設密度，防止地層沉降。

(2)增強導洞內初期支護，對拱部和中跨導洞間進行注漿加固；加固后的土體應有良好的均勻性和自立性，其抗壓強度應不小于0.5 MPa，以減少應力釋放。由于下導洞底部處于粉細砂層，地基承載力較弱，故也需采用注漿加固；同時需控制注漿壓力，避免注漿中造成地下管線變形過大，并應及時進行襯砌以及地層之間的填充。

(3)考慮群洞效應，同層導洞交錯開挖，相鄰下導洞施工滯后一定時間進洞。小導洞建議采用臺階法開挖，臺階長度控制在3～5 m；開挖時需預留核心土，且長度不小于2 m。

(4)加強各導洞內超前地質勘探，根據掌子面地質和含水率情況，確定是否采用噴射混凝土封閉掌子面，以減少圍巖暴露時間。

(5)提高現場監測頻率，根據反饋信息隨時調整施工步距及支護參數。應嚴格執行“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、早封閉、勤量測”的原則。

6 結論

(1)采用既定方案施工，地表沉降曲線表現出對稱性,兩側影響范圍為20～25 m，上導洞開挖階段對土體的擾動最為明顯，頂部扣拱階段地表沉降速率最大，地表最終累計沉降值為16.6 mm。車站施工完成后，主體結構最大拉應力為3.28 MPa，最大壓應力可達8.44 MPa。

(2)在未采取控制措施時，更靠近車站的熱力管線沉降量相對較大，最大沉降值為8.93 mm；其中樁梁施作和頂部扣拱兩個階段對管線的影響最大，中板施作后各管線沉降可達到穩定狀態。

(3)針對施工過程的影響規律，提出了增強超前支護、對拱部和內部地層進行注漿加固、提高地基承載力、同層導洞交錯開挖、相鄰下導洞施工滯后一定時間進洞等關鍵控制措施。

(4)采取措施后，地表沉降量在影響最大的兩個階段得到明顯控制，管線沉降量也明顯減少，且車站主體結構受力狀態得到較大改善，表明了控制技術的有效性。