石家莊地鐵洞樁法車站施工地表沉降分析

楊 磊，孫 斌

（中土大地國際建筑設計有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

隨著我國城市規模不斷擴大，城市地鐵已成為現代化城市交通不可或缺的一環。目前，我國城市地鐵車站建設主要采取明挖和暗挖兩種施工方式，其中暗挖法車站施工較多采用洞樁法施工。洞樁法施工因具有占地面積小、對地層變形影響小等優勢而在工程中得到了廣泛應用。作為城市地鐵車站建設的主要施工工藝，洞樁法受到了國內諸多學者的關注。扈世民等［1］基于變位分配法原理對洞樁法施工引起的變形進行分階段研究，對比了主要沉降階段的沉降比例，提出超前注漿、錯距開挖、短進尺等施工措施，以減小對周圍環境的不利影響。李濤等［2］借助數值模擬方法，結合北京地鐵 6 號線田村站實際監測數據，對洞樁法車站不同扣拱順序對地表沉降的影響進行了分析研究。孟令志［3］以實際地鐵工程為背景，結合數值模擬方法，對洞樁法車站下穿既有隧道時，在控制既有隧道結構沉降、變形縫差異沉降、土體塑性區分布方面的問題進行了研究，得出了六導洞洞樁法均優于八導洞洞樁法的結論。李亮［4］以某地鐵車站砂卵石地層中洞樁法施工為背景，采用三維有限元數值計算進行分析，研究了單層導洞形式下洞樁法不同施工階段對地表沉降的影響及對車站周邊土體的擾動情況。

石家莊作為京津冀地區重要的中心城市之一，城市軌道交通建設得以迅猛發展。石家莊地鐵工程建設中車站施工主要以明挖施工工藝為主，少數采用洞樁法施工，所以洞樁法施工經驗積累相對較少。本論文根據洞樁法施工工藝特點和石家莊地質特點，對大戲院站及長安公園站實際監測數據進行了分析，為類似地質條件下洞樁法施工提供參考。

1 石家莊地鐵洞樁法車站施工工藝流程

洞樁法施工主要分為 4 個階段。

1）導洞開挖階段：自暗挖豎井橫通道或明挖基坑向暗挖段施做導洞，導洞一般分為 2 層，為后續梁柱體系施工提供作業空間。

2）梁柱體系階段：在導洞內，施作車站的圍護邊樁、中柱、底梁和頂梁。樁、柱起支護土作用兼做承載力樁基，承受暗挖逆筑法頂土層豎向及側向壓力。

3）扣拱施工階段：開挖上層導洞之間土方，依次完成車站上層扣拱的初期支護和二次襯砌，形成車站拱部支撐體系。

4）下部結構階段：在頂拱和邊樁形成的空間支撐結構下，逐層開挖車站土方，依次施工內部二次襯砌結構，最后形成由外層邊樁及頂拱初期支護和內層二次襯砌組合成的永久承載受力體系［5］。

洞樁法施工步序如表 1 所示。

2 石家莊地鐵洞樁法車站沉降監測實例

以下通過石家莊地鐵兩個洞樁法車站的工程概況、地質條件、施工工期以及最終的沉降結果等條件，結合洞樁法的主要施工階段，嘗試分析地鐵洞樁法施工中地表沉降特點及重要的影響因素。

2.1 大戲院站

2.1.1 工程概況

石家莊市城市軌道交通 2 號線一期工程大戲院站，車站位于石家莊建設南大街與裕華路十字路口，沿建設南大街南北向布置。車站南北兩端三層段采用明挖順作法施工，中間兩層段采用暗挖洞樁法施工。車站暗挖段長 81.4 m，結構寬度 23.1 m，高度約 15.54 m。車站暗挖斷拱頂覆土約 7.3 m，底板埋深約 22.85 m。車站暗挖段采用洞樁法施工，復合式襯砌（初期支護+二次襯砌），初期支護以 C 25 噴射混凝土、格柵鋼架為主要支護手段，小導洞超前支護采用深孔注漿+超前小導管+掌子面注漿加固，扣拱超前支護采用φ159 壁厚 8 mm 超長管棚+深孔注漿+超前小導管+掌子面注漿加固。二次襯砌整體為模筑 C 40 防水鋼筋混凝土。

表1 洞樁法施工步序圖

2.1.2 地質條件

車站主體地層自上而下主要為雜填土、素填土、黃土狀粉質黏土、粉細砂、粉質黏土、中粗砂、粉質黏土、細中砂。車站上層導洞及大拱拱頂土層主要以黃土狀粉質黏土、粉細砂層為主，車站下層導洞拱頂范圍主要為粉細砂、中粗砂、粉質黏土為主，底板位于粉質黏土層。地下水位為 42.5 m，位于車站底板以下約 20 m，施工期間無需降水。大戲院車站的地層剖面如圖 1 所示。

圖1 大戲院車站地層剖面

2.1.3 工期節點

按照洞樁法車站主要施工階段劃分，實際施工進度工期節點時間如表 2 所示。

表2 大戲院站工期節點

2.1.4 典型斷面沉降對比

1）選取該車站 2 處典型監測斷面（橫向監測斷面 1 與斷面 2），根據洞樁法主要施工階段劃分，地表沉降曲線如圖 2 和圖 3 所示。

2）對已選取的 2 個典型監測斷面中的車站中心點進行分析，按照洞樁法主要施工階段劃分，各階段沉降占比情況詳如圖 4、圖 5 所示。

2.2 長安公園站

2.2.1 工程概況

圖2 斷面 1 各主要施工階段地表沉降曲線

圖3 斷面 2 各主要施工階段地表沉降曲線

圖4 斷面 1 中心點各主要施工階段地表沉降占比情況

圖5 斷面 2 中心點各主要施工階段地表沉降占比情況

石家莊市城市軌道交通 2 號線一期工程長安公園站，車站跨建設北大街與健康路交叉口，南北向沿建設北大街布置。車站為 PBA 暗挖車站，主體結構為地下兩層三跨、拱頂直墻框架結構。車站總長 225.7 m，標準段結構寬 21.1 m，高 16.0 m。車站頂拱覆土厚度約7.0 m，底板埋深約 21.9 m。導洞與扣拱初支結構均為鋼格柵+噴射混凝土的初期支護形式，初支開挖土方加固措施采用深孔注漿+超前小導管形式，二次襯砌為 C 40 模注鋼筋混凝土，兩次襯砌之間設柔性防水層；主體結構中柱及邊樁均采用人工挖孔樁，其中邊樁采用鋼筋混凝土樁（Φ1 000 @1 800），中柱采用鋼管混凝土柱（Φ800@7 000）。

2.2.2 地質條件

車站主體地層自上而下主要為雜填土、素填土、黃土狀粉質黏土、粉細砂、粉質黏土、中粗砂、粉質黏土、細中砂。車站暗挖段拱頂穿越土層為黃土狀粉質黏土，底板位于粉質黏土層。現狀地下水埋深大于 45 m，施工期間不受地下水影響，無需降水。

長安公園車站地層剖面如圖 6 所示。

圖6 長安公園車站地層剖面

2.2.3 工期節點

按照洞樁法車站主要施工階段劃分，實際施工進度工期節點時間如表 3 所示。

表3 長安公園站工期節點

2.2.4 典型斷面沉降對比

1）選取該車站 2 處典型監測斷面（橫向監測斷面 3 和斷面 4），根據洞樁法主要施工階段劃分，地表沉降曲線如圖 7 和圖 8 所示。

2）對已選取的 2 個典型監測斷面中的車站中心點進行分析，按照洞樁法主要施工階段劃分，各階段沉降占比情況詳如圖 9 和圖 10 所示。

3 監測成果分析

圖7 斷面 3 各主要施工階段地表沉降曲線

圖8 斷面 4 各主要施工階段地表沉降曲線

圖9 斷面 3 中心點各主要施工階段地表沉降占比

圖10 斷面 4 中心點各主要施工階段地表沉降占比

1）導洞開挖階段施工工期約為 3～4 個月，該階段沉降量約占總沉降量的 60 %～70 %，其中車站中部沉降值最大，越遠離車站中間位置沉降量越小，地表沉降曲線整體呈現向下的單凹槽形狀。初步分析造成該現象的原因是該階段群洞施工效應引起的，導洞施工過程中引發地表沉降，各導洞沉降槽相互影響，越靠近車站中部，相互影響程度越大，土體受到的擾動越明顯，沉降值就越大。其次沉降槽影響程度明顯受導洞間凈間距影響，長安公園站中部兩個導洞凈間距僅有 1.6 m，明顯小于其他導洞間凈間距，沉降槽影響程度相較其他導洞間更大，所以該位置土體受到的擾動程度更大。施工階段地表沉降曲線發展情況圖，也顯示了長安公園站的地表沉降曲線凹陷程度明顯大于大戲院站。

2）梁柱體系階段施工工期約為 4 個月，該階段沉降量約占總沉降量的 5 %～10 %。地表沉降速率較小，沉降量穩定。該階段施工主要在是導洞內進行樁體和結構施工，對周邊土體影響相對較小。

3）扣拱施工階段工期約為 6 個月，該階段沉降約占總沉降量的 13 %～20 %。地表沉降值進一步加大，沉降曲線向中間進一步凹出，說明越靠近車站中部，監測點沉降速率越快。初步分析該現象的原因是該階段主要施工柱、梁之間的拱部結構，整體結構的承力體系由導洞初支向柱、梁、拱結構進行轉換。受力轉換期間，車站上方土體因扣拱初支施工影響，再次受到較大擾動，引發沉降速率變大。

4）下部結構階段工期約為 7 個月，該階段沉降約占總體沉降量的 5 %～10 %，地表沉降已趨于穩定。由于扣拱結構施工的完成，車站整體承力體系已經完成。在拱部結構和圍護樁的保護下，下部結構的土方開挖和結構施工對周邊土體已產生不了大的擾動，整個車站的地層沉降已趨于穩定。

4 結語

1）洞樁法車站地表沉降曲線呈單凹槽形式，沉降最大點位于斷面中心。按照所處施工階段的不同，地表沉降曲線呈現明顯的階段性變化。地表沉降值以導洞開挖階段最為明顯，其次是扣拱施工階段，因此這兩個施工階段是控制洞樁法地鐵車站地表沉降的關鍵。

2）導洞開挖階段是控制洞樁法施工地表沉降的主要階段，導洞開挖期間首先要注意群洞效應，避免由于工藝簡單而導洞施工速度過快，通過嚴格控制導洞開挖順序、導洞間掌子面間距等措施，有效避免因群洞施工對地層的多重擾動，從而有效降低洞樁法施工沉降。其次提高對凈間距小的導洞施工引發沉降的重視程度，加強此類導洞施工措施，如對導洞間地層進行注漿加固，提高圍巖自穩能力，應能有效控制施工沉降。

3）扣拱施工階段是洞樁法施工工藝的受力轉換階段，此階段會引發地層沉降的二次加速。扣拱施工期間應嚴格控制扣拱初支施工質量，同時輔以地層超前注漿、大管棚等土層加固措施，盡量做到強支護、快封閉，快速完成轉換階段。

4）在洞樁法施工中通過監測數據分析沉降、反映地層、支護及主體結構的安全穩定性狀況，了解工程施工對周圍環境的影響程度，從而及時、嚴密、有效地監測各施工時段的變形情況，起到預測、預報施工安全，指導施工、調整施工方案作用，確保工程建設順利進行，確保地面建筑物及地下管線的正常使用，真正做到信息化施工。石家莊地鐵施工在無水環境和相對良好地質條件下進行，為類似水文和地質條件下洞樁法施工積累了相關經驗和提供參考數據。