淺埋暗挖地鐵車站柱洞法施工方案優化分析

劉旭全 杜憲武 宋領弟

(1.中鐵北京工程局集團有限公司 北京 102308；2.中鐵北京工程局集團天津工程有限公司 天津 300356)

1 引言

隨著我國經濟的飛速發展，城市建設速度也在不斷加快，從而掀起了城市軌道交通項目的建設高潮。但是地鐵往往處于鬧市區，周邊建筑林立，地下管網復雜，在車站施工過程中如何控制既有建筑和管網的變形沉降，確保周邊建筑和車站基坑的安全穩定是關鍵所在[1-2]。本論文結合石家莊地鐵一號線平安大街站這一工程項目的施工實踐，通過工程類比法等選擇了柱洞法施工方案，根據工程實際并在施工過程中不斷優化原來常規柱洞法施工方案，得到了適用于復雜環境條件下的淺埋暗挖地鐵車站及隧道工程的中跨先行扣拱優化施工順序后的柱洞法施工方案，總結出了采用優化后的柱洞法施工時細粉砂地層變形規律以及控制沉降措施，對類似工程具有較強的借鑒意義。

2 工程概況

石家莊地鐵一號線線路全長34.33 km，寬度22.6 m。沿石家莊市區主軸布置，是東西向骨干線路，連接主城區、高新區與正定新區。作為石家莊地鐵路網中最重要組成部分的一號線，不但能夠緩解地面交通壓力，而且還可以有效地擴展市區的發展空間，極大地帶動了市區及郊區人流、物流、交通的發展[3]。于2012年9月28日開工建設，2019年6月26日開通運營。其中平安大街車站設計為三跨兩層箱形結構，車站總長248.95 m，位于中山東路和平安大街十字路口處，順著中山東路布置。因為平安大街下方分布著大量的管線，考慮管線影響該車站中部中山東路采用單層暗挖，兩個端頭處兩層采用明挖。明挖段設計為地下兩層島式站臺車站，暗挖段長度為48 m，施工里程段落為K10＋761.7～K10＋809.7，結構設計采用單層三跨拱頂曲墻復合襯砌形式，高度為9.87 m，寬度是22.6 m，其覆土厚度約為9.1 m。

3 車站施工條件情況

3.1 周邊建筑物分布情況

車站暗挖段東北側為鐵道大廈，11層的混凝土結構，距暗挖段約30 m；東南側是原市第一招待所空地；西南側是已完成拆遷的華北油田賓館；西北側為5層混凝土結構的博雅軒已拆遷；暗挖段的施工對周邊建筑基本無影響。詳見平安大街站平面布置示意圖1。

圖1 平安大街站平面示意

3.2 地下管線分布情況

車站上方分布管線主要有:1 800×2 200磚砌人防方溝，溝內底標高約7 m，與暗挖車站頂板凈距約1.4 m；DN1200混凝土污水管，溝內底埋深約2.9 m，與暗挖車站頂板凈距約6.0 m；DN1200鑄鐵上水管，管頂覆土約2.7 m，溝底與暗挖車站頂板凈距約6.3 m；DN2000混凝土污水管，管內底埋深約4.4 m，與暗挖車站頂板凈距約4.5 m；距車站頂板約7.45 m凈距的400×300電信管，其管內底埋深約1.55 m；2 100×1 650磚砌雨污合流方溝，溝內底埋深約4.51 m，與暗挖車站頂板凈距約4.3 m；DN300燃氣管，管內底埋深約2.15 m，與暗挖車站頂板凈距約6.9 m；DN300上水管，管內底埋深約1.73 m，與暗挖車站頂板凈距約7.3 m。

3.3 工程水文地質條件

車站暗挖段地質為粉細砂層④1層、粉土⑤2層、粉質黏土⑤1層。暗挖段拱頂上下均為粉細砂層。根據地質勘察資料，地下水位埋深約45 m，車站施工未見上層滯水，未進入潛水層，但由于大氣降水、管線滲漏等原因，車站場地內不排除局部存在上層滯水的可能性，因此施工時須考慮上層滯水對本工程的影響。

3.4 車站結構設計形式

車站結構形式采用單層三跨拱頂曲墻復合襯砌結構，包括扣拱、邊墻、頂板主梁、鋼管柱、底板主梁、底板等部分。初期支護分為噴射混凝土C25厚350 mm、雙層鋼筋網φ6.5＠150×150 mm、格柵鋼架間距500 mm；二次襯砌為防水鋼筋混凝土C40 P8，扣拱二次襯砌混凝土厚度為700 mm、拱頂厚度為600 mm、邊墻混凝土厚度為600 mm、底板厚度為1 240 mm。沿車站縱向由底梁1 400 mm×2 000 mm、頂梁1 400 mm×1 800 mm組成的縱橫梁體系，設有兩排鋼管柱，柱間間距為6.4 m，柱直徑為800 mm。具體詳見圖2。

圖2 車站結構斷面圖

4 地鐵車站暗挖段施工方法

4.1 總體施工順序安排

嚴格按照“管超前，嚴注漿，短開挖，強支護，勤測量，早封閉，控沉降”的施工原則，采用柱洞法施工，分步實施安全推進。為了保證暗挖施工時整體結構的安全，車站暗挖施工應在主體明挖結構施工完成后進行。對于粉細砂地層采用雙重管無收縮雙液注漿超前加固和管棚洞口段預支護，并分別緊鄰明挖結構中板施工前后進行。明挖結構封頂后，暗挖段進洞施工。明挖段結構預留暗挖出土孔，每個出土孔安裝10 t提升架的垂直提升系統。采用柱洞法進行暗挖施工時考慮設計對開挖工藝的要求，前期采用單方向進洞開挖，首先由東向西進行左右柱洞導洞掘進，待導洞初支結構施工完畢，左右柱洞導洞同時進行結構施工(底板梁、鋼管柱、頂板梁)；柱洞導洞結構施工完畢，對向進行中跨開挖及二襯結構施工。中跨結構完成后，對稱開挖邊跨導洞和初期支護二襯結構施工。

4.2 粉細砂地層超前深孔注漿加固

結合設計支護措施，對超前小導管支護、深孔注漿支護、超前管棚支護、深孔注漿加管棚支護四種方案進行了比選分析，同時考慮到粉細砂層地質以及對既有建筑管線保護要求控制沉降，選擇了深孔注漿加管棚支護方案。注漿工藝通過袖閥管注漿和雙重管注漿的優缺點對比分析，并結合現場場地實際情況，本工程采用深孔雙重管無收縮注漿工藝。對隧道上導坑初支外2.5 m，初支內1 m范圍內進行了深孔注漿加固，并在洞口段采用φ108厚8 mm長10 m管棚超前支護，取得了較為理想的效果[4-6]。

4.3 柱洞法施工方案優化

4.3.1 優化對比方案提出

考慮到拱部混凝土施工前需切割柱洞格柵等臨時支撐，造成受力體系隨即發生轉換，對鋼管柱受力變形和地層沉降產生一定的影響。為了獲得柱洞法施工對地層沉降以及車站結構受力產生哪些影響，建議對柱洞法部分施工工序順序進行優化，在原來方案柱洞法常規施工順序的基礎上，提出了兩種優化工序方案。其中方案一是中跨上導洞開挖完成后，進行中跨扣拱混凝土施工，然后開挖下部土體，最后開挖雙側導洞，即簡稱為中跨先扣拱方案；方案二是中跨上導洞開挖完成后，對稱開挖側導洞，最后進行中跨部分開挖，即為中跨后扣拱方案[7]。

4.3.2 方案對比分析(見圖3)

圖3 數值計算步驟及模型

為了減少邊界條件的影響在模型中間斷面設置地表監測點，地表沉降數據對比分析來看，優化方案一相對于優化方案二而言能夠更好地控制地表沉降；方案一和方案二相比經計算開挖結束后車站結構的最大主應力減少了0.26 MPa，最小主應力分別減少了0.02 MPa，從而減少了車站結構破壞。詳見地表沉降與開挖步距關系圖4。

圖4 柱洞法施工變換施工工序前后地表沉降與開挖步距的關系曲線

將設計柱洞法施工的地表沉降與變換施工工序后的方案一和方案二進行比較，地表沉降槽見圖5。

4.3.3 優化方案的確定

經過以上模擬計算和對比分析，最終確定采用優化方案一，即是優化施工順序柱洞法部分工序:先行開挖中跨導洞上斷面，等到上斷面貫通且沉降監測穩定后，再施工中跨扣拱混凝土。隨后在頂板混凝土強度達到設計要求，再適時進行中跨導洞中臺階和下臺階的開挖[8]49。詳見圖6。

圖5 柱洞法施工變換施工工序前后地表沉降槽圖

圖6 施工順序優化對比

5 監控量測分析

5.1 測控量測點位布置

結合暗挖段上方管線分布情況，設計了監測點位布置圖。其中管線監測點沿橫斷面方向布置，施工期間共布設管線監測點90個、地表監測點23個。地表沉降監測在左右柱洞中線上方各布置1排監測點，左柱洞上方監測點編號為 DB3-1、DB4-1、DB7-1、DB8-1，右柱洞上方監測點編號 DB4-2、DB5-2、DB7-2、DB8-2。

5.2 管線沉降數據統計分析

根據現場實際監控量測數據，為了總結優化后柱洞法施工中管線在各施工階段沉降變化規律，現選取DN2000 mm雨水管為代表進行統計分析，得出沉降變化規律見圖7。

從各管線的沉降變化曲線和變化規律可以看出，在各施工階段因受管線類別、材質、埋深及超前預注漿、施工過程控制程度等影響，各管線的沉降變化值有所不同。但總體上看，在柱洞施工階段沉降值均較大，介于35% ～55%之間[8]65。

圖7 沉降變化曲線(以GX7-5監測點為例)

5.3 地表沉降變化規律

根據監測點布置圖，管線監測點沿橫斷面方向布置，反映了橫斷面方向上管線的變化情況。為分析暗挖縱斷面方向上的變化規律，在暗挖上方布置2排監測點，分別位于左右柱洞的上方，選取左柱洞上方監測點 DB3-1、DB4-1、DB7-1、DB8-1，右側柱洞上方監測點 DB4-2、DB5-2、DB7-2、DB8-2，共 2 組8 個監測點分析地表監測點在各施工階段的沉降變化規律。

圖8 沉降變化曲線(以DB4-1監測點為例)

由圖8分析可以得到，在柱洞施工階段沉降量約為總沉降量的50%，中跨、邊跨施工階段的沉降變化值較小，所以在施工過程中更應采取措施加強柱洞開挖時沉降量的控制。同時從以上監測點在柱洞開挖階段的沉降數據統計分析中獲得的以下規律:當開挖到距監測點位置長度范圍為1.4～1.6倍的洞徑時(施工時間間距約為1周)，該階段地表的沉降速率較大(沉降值在3.5～5.0 mm之間)；當小導洞開挖完成以后地表的沉降速率趨于平緩，沉降值在(1±0.5)mm上下浮動，基本趨于穩定[9-11]。

6 結論及體會

(1)柱洞法施工工序繁多，受施工空間限制，在應用過程中采用科學合理的施工方法和施工順序是關鍵，選擇適用配套的施工機械是保證。

(2)柱洞法是淺埋暗挖大跨度隧道較為合適的施工工法，能夠有效地控制暗挖段拱頂上方管線及地表沉降。

(3)在柱洞法施工過程中，應采用優化施工順序等措施加強對柱洞開挖時沉降控制，從而以減小總沉降量；同時按照監控量測數據，動態調整施工進尺、及時調整支護參數等，有效控制地表(管線)的沉降，保證滿足設計控制要求。

(4)采用雙重管進行超前地質預加固，其設備輕巧、操作簡單、施工速度快，具有較好的工期效益。采用超細水泥、水玻璃雙液漿注漿材料對于粉細砂等低滲透性地層能提高漿液的可注性和可控性。

(5)該車站柱洞法施工過程中，通過對柱洞部分施工順序的優化，相比傳統的柱洞法施工方法而言，能夠加快施工進度，提高施工效率，同時確保了施工安全，對類似工程具有很強的指導意義。