大斷面平頂地鐵暗挖車站下穿既有建筑方案研究及變形控制
——以北京地鐵8號線三期前門站工程為例

張小偉， 張 麗， 韓亞飛， 袁夢釗

(北京城建設計發展集團股份有限公司， 北京 100037)

0 引言

在城市核心建成區修建地鐵時，因受地面交通繁忙、地下管線眾多及地上地下建(構)筑物等周邊復雜環境的限制，很多地鐵車站的實施采用暗挖工法。而在建(構)筑物影響范圍內修建地鐵時，除了控制地鐵施工風險外，建(構)筑物變形控制也是重點考慮因素，下穿方案及變形控制措施的研究尤為重要。為了減小施工引起的變形，目前往往采用減小開挖斷面的方式，譬如大量的下穿工程都采取將開挖斷面調整為單線單洞的斷面形式，但也因此犧牲了一些功能、工期或者帶來了其他環境風險。在此方面，很多學者進行了研究分析。趙良云等[1]對單線單洞矩形地鐵隧道下穿既有地鐵車站進行了數值分析，并對加固措施進行了驗證；羅富榮[2]針對地鐵臨近或穿越環境風險進行了安全風險控制體系、安全風險監控系統及典型環境風險評估與控制體系研究；張偉光等[3]結合北京某地鐵車站出入口臨近穿越建筑進行了數值模擬，分析了其變形規律；孔恒等[4]基于AHP建立了臨近施工風險源重要性等級評價及控制模型，探討了淺埋隧道臨近施工對地層變位的影響規律，總結了控制隧道施工及地層變位的優化技術；王磊等[5]通過數值模擬分析了地鐵暗挖區間隧道斜穿橋樁施工對橋樁變形及內力的影響，并將模擬結果與實測數據進行了對比驗證；路平等[6]通過數值模擬和實測數據分析了平行盾構隧道穿越砌體建筑物的沉降與傾斜規律；陶永虎等[7]通過數值模擬分析研究了暗挖區間隧道下穿區段路基的沉降變化規律及暗挖區間隧道襯砌結構內力、安全系數。

有些工程因受周邊環境限制無法通過調整斷面形式來減小變形，因此逐步出現了大斷面暗挖穿越建(構)筑物的工程。牛曉凱[8]對新建地鐵車站長距離平行密貼下穿既有隧道結構進行了研究，提出了控制因素，揭示了既有隧道縱向變形規律，并建立了風險控制系統；陳鵬[9]對暗挖車站密貼垂直下穿地下矩形隧道進行了分析，研究了有無千斤頂情況下既有隧道的變形規律；孟令志[10]對車站暗挖密貼下穿既有矩形隧道進行了研究，分析了其變形規律，并得出了密貼下穿施工的合理施工方法和結構形式；李積棟等[11]結合工程案例研究了暗挖密貼下穿既有車站的多重預頂撐技術。

從目前的研究來看，大斷面暗挖下穿的相關工程案例仍較少，且穿越工程施工大多利用既有地下結構作為蓋板并采用密貼下穿的方式，大斷面暗挖非密貼下穿地面建筑的案例非常少，有必要對此類暗挖穿越工程的變形情況及控制措施進行研究。

本文以北京地鐵8號線三期前門站為工程背景，對大斷面暗挖車站整體非密貼下穿地面建筑的不同施工方案進行了變形分析，闡述了從設計到施工全過程的變形控制關鍵技術，提出了一種大斷面非密貼下穿地面建筑的解決方案，即管幕+深孔注漿+平頂4導洞PBA法，并對其進行了數值分析及實測對比，以期研究結果為相關工程提供參考。

1 工程概況

北京地鐵8號線三期前門站位于前門東路下方，整體呈東北方向布置。車站整體為3層3跨結構，站臺寬16 m，車站設4個出入口及2組風道，與既有2號線前門站通過換乘廳+換乘通道實現換乘。車站采用明暗結合施工，其中，西南側部分采用明挖施工，中間下穿道路段采用8導洞PBA法暗挖施工，東側下穿既有建筑段采用管幕+深孔注漿+平頂4導洞PBA法暗挖施工。

車站所處地層自上而下為填土層、粉土層、細砂層、粉土及粉質黏土交互地層、圓礫-卵石層。車站范圍存在2層地下水，分別為層間水及潛水，水位分別位于車站地下1層中部及地下2層樓板處，需進行降水處理。

既有建筑為地上3層框架結構，地下部分為一柱一樁擴底端承樁基礎形式，建于1995年。既有建筑位于車站東北側車站主體上方，與車站主體平面呈斜交關系，車站頂板距離既有樁基礎底部約0.8 m。

經過檢測評估，既有建筑目前不存在影響結構安全的損壞，但柱間產生了較大的差異沉降，差異沉降控制指標最終確定為0.001L(L為柱距)，即7 mm。同時，考慮到既有建筑建造年代較遠，且建筑重要性及敏感性高，整體沉降控制值設為25 mm。

車站總平面見圖1。地質縱剖面見圖2。車站與既有建筑關系見圖3。

圖1 車站總平面圖

圖2 地質縱剖面圖

(a) 平面圖

(b) 剖面圖

2 方案研究

2.1 方案選擇

目前，在地鐵車站全斷面暗挖施工中，PBA法是公認的控制變形相對較好的方法。PBA法是在樁(pile)、梁(beam)和拱蓋(arch)支撐保護下進行的大斷面地鐵車站暗挖施工方法。其整體施工順序為施工導洞—在導洞內施工樁梁體系—扣拱—在上述體系的支撐下開挖土體并施作二次襯砌永久結構。因為車站主體的大體量開挖都是在樁、梁和拱蓋支撐保護下進行的，所以采用PBA法大大降低了開挖變形，故而被廣泛應用在暗挖地鐵車站施工中。

影響PBA法車站變形的因素主要有車站覆土、車站體量、地層情況、車站導洞數量和超前措施等。本文提到的車站暗挖下穿施工，對變形控制要求很高，需對車站整體方案及施工每個環節進行重點考量，進而選擇合適的方法和控制措施。

2.1.1 同底板埋深車站層數對地表沉降的影響

車站站臺寬度及軌頂標高確定的情況下，車站一般可采用2層或3層8導洞PBA法施工(本站覆土相差5 m)。2層車站施工變形相對較小，從變形控制的角度來說為優選方案。但本站受周邊環境影響較大，采用2層車站會增加周邊用地、拆遷以及其他環境風險的控制難度，因此有必要對2層車站和3層車站的地表沉降進行分析，明確了解2種方案的變形差異。

本文采用數值模擬的方法對2種方案的地表沉降進行分析。2種方案的整體施工模擬順序均采用導洞“先下后上、先外后內”的方式，扣拱采用先中跨后邊跨的方式。同底板埋深情況下2種方案數值模擬二維計算模型如圖4所示。數值模擬得出2種方案下的地表沉降曲線如圖5所示。

(a) 2層車站計算模型

(b) 3層車站計算模型

(a) 2層車站施工地表沉降曲線

根據模擬計算可知，采用PBA法施工2層車站和3層車站引起的地表沉降主要集中在導洞開挖及扣拱階段，分別約占總地表沉降的44%和45%。同等埋深不同覆土情況下，3層車站開挖引起的地表沉降約為67 mm，大于2層車站施工引起的地表沉降(58 mm)，增大的部分主要集中在上導洞及扣拱的開挖階段，而下導洞施工階段兩者引起的地表沉降基本相當。3層車站方案對既有建筑的整體變形控制是不利的，但3層車站與2層車站施工引起的地表沉降斜率基本相當，均為2.2%～2.3%，在建筑的差異沉降控制方面兩者是相近的。因此，對于以差異沉降為主控制指標的既有建筑來說，選擇3層方案或2層方案并不存在太大差異。

2.1.2 車站導洞數量對地表沉降的影響

根據不同施工條件，3跨PBA法車站存在4導洞、6導洞、8導洞等結構形式，同等條件下4導洞方法施工引起的變形一般相對較小。為了明確4導洞PBA法施工相對8導洞PBA法施工地表沉降減小的程度，對4導洞PBA法車站進行了數值模擬計算。

4導洞PBA法車站數值模擬計算模型如圖6所示。4導洞PBA法與8導洞PBA法車站施工引起的地表沉降曲線對比如圖7所示。

圖6 4導洞PBA法車站數值模擬計算模型

圖7 4導洞PBA法與8導洞PBA法車站施工引起的地表沉降曲線對比

根據模擬計算結果分析可知： 1)4導洞PBA法施工引起的地表沉降最大值為58 mm，相比8導洞PBA法減小了13.5%； 2)4導洞PBA法施工引起的地表沉降斜率為2.0%。說明減少導洞數量對整體地表沉降控制有較大幫助，但對沉降斜率控制影響較小。

2.1.3 頂板形式及超前措施對地表沉降的影響

考慮到既有建筑樁基礎的深度，采用拱頂結構對建筑空間影響較大，故考慮采用平頂施工方案。平頂暗挖施工超前措施一般選擇頂板超前棚護及小導管、頂板深孔注漿加固或者兩者結合的方式。為了合理地選擇超前措施，對以上3種措施進行數值模擬分析。

平頂車站計算模型如圖8所示。3種措施下車站施工引起的地表沉降曲線對比如圖9所示。

根據分析可知，在傳統措施下采用平頂方案施工最大地表沉降為63 mm，比采用拱頂方案施工最大地表沉降增大約8.6%。隨著超前措施的加強，最大地表沉降由63 mm減小為49 mm，斜率由1.9%降低為1.6%。但目前措施下整體沉降特別是差異沉降依然不滿足要求，需采用更強的措施或對既有建筑進行加固方可滿足結構安全及運營安全。

圖8 平頂車站計算模型

圖9 3種措施下車站施工引起的地表沉降曲線對比

2.2 方案確定

經過以上分析可知，同等措施條件下3層車站相比2層車站施工引起的地表沉降略大，但沉降斜率相差不大，在施工影響中差異沉降起控制作用時，兩者具有大致相同的適用性。

對于不同導洞數量的3層車站施工，4導洞PBA法施工引起的地表整體沉降相對較小，且與雙層車站8導洞PBA法施工相比也具有一定的優勢。

因土拱效應的減弱，平頂4導洞方案相比拱頂4導洞方案會產生相對較大的地表沉降，可以通過增加措施減小沉降。

可見，重點考慮變形控制并結合建筑功能、拆遷等因素，在目前常規措施條件下，整體方案采用平頂4導洞PBA法是最優的，但超前措施需進一步加強。

目前地下結構施工中采取的措施，除了上面提到的措施，對變形控制、防止坍塌更有效的措施還有管幕法及凍結法。但如此大規模的凍結法施工，目前在地鐵工程中的應用幾乎沒有，且工期及造價都會大幅度增加。因此，最終考慮借鑒超淺埋管棚施工[12]、蓋挖施工、NTR[13-14]等工藝工法的理念，最終采用管幕+深孔注漿+平頂4導洞PBA法施工的方案。

2.3 方案實施

車站東側暗挖段整體采用平頂4導洞PBA法施工，覆土約10.2 m，埋深約31.2 m，上部4導洞，邊樁采用φ1 000 mm@1 200 mm鉆孔灌注樁，中樁采用φ2 000 mm鉆孔灌注樁并采用后注漿工藝。車站頂板與既有樁基底部之間僅間隔0.8 m，結合管幕施工條件、受力及抗變形能力，選擇采用402 mm×16 mm橫向咬合管幕，管幕自帶注漿系統，對管幕四周特別是管幕與樁底之間土體進行注漿加固。管幕下方導洞輪廓外2 m范圍內全斷面注漿加固。平頂4導洞PBA法施工車站剖面示意如圖10所示。

圖10 平頂4導洞PBA法施工車站剖面示意圖(單位： m)

車站整體施工順序為： 首先，施工遠離既有建筑側邊導洞(Ⅰ)；接著，自導洞內施工橫向咬合管幕(Ⅱ)；然后，在管幕棚護下按順序施工剩余3個導洞(Ⅲ)；再在自導洞內施工樁基礎，在管幕+樁基礎的棚蓋體系下開挖頂板土體并實現頂板封閉(Ⅳ)；最后，逆作施工剩余結構(Ⅴ)。施工步序示意如圖11所示。

Ⅰ—加固先行導洞，并施工先行導洞； Ⅱ—自先行導洞施工管幕； Ⅲ—施工剩余導洞及對應導洞內樁基、降水井、結構，先施工中間導洞后施工兩側導洞； Ⅳ—分別施工頂板初期支護及頂板二次襯砌、導洞初期支護及二次襯砌，先施工中跨后同步施工邊跨。

圖11施工步序示意圖

Fig. 11 Construction procedures

3 關鍵控制技術研究

根據上述分析得到的變形規律及變位分配法原理確定了整體方案后，還需對關鍵環節從設計方面入手選擇合適的設計參數，并將施工控制措施細化至每個施工階段，方可合理控制變形。同時，現場施工條件復雜，往往與計算存在差異，更需對每一個施工步及關鍵點重點考慮。對于本站最終選用的方案，關鍵環節主要包含管幕施工、導洞施工、樁基施工及頂板施工等，需對關鍵環節及措施重點考慮。

3.1 管幕變形控制

管幕是導洞開挖及頂板施工階段變形控制的主要措施之一。除了承載階段管幕自身的受力變形外，管幕施工引起的變形也是控制重點內容。

3.1.1 管幕施工變形控制

管幕施工選擇安全性高、可操作性好、控制變形能力強的水平螺旋定向鉆進施工工藝，出土與頂進基本同步進行，管幕頂進同步擠壓土體并封閉鉆孔，降低鉆進施工引起的擾動。

管幕采用咬合形式以保證管幕起到整體棚護作用，使變形小而均勻。為確保管幕之間順利咬合，采用安裝有激光發射器的導向鉆桿確保管幕施工精度，使精度控制為0.1%。

管幕施工完成后采用管幕自帶的注漿孔對管幕四周土體進行注漿，以補償管幕施工引起的變形。管幕鉆機及注漿如圖12所示。

(a) 管幕鉆機

(b) 注漿

3.1.2 管幕自身變形控制

在導洞開挖階段，管幕可看作是支撐在導洞兩側土體上的地基梁，隨著不同導洞的開挖，地基土的支撐狀態不斷變化，導洞開挖完成后管幕受力計算簡圖如圖13所示。在頂板施工階段，管幕可看作是支撐在樁基礎上的連續梁，頂板開挖完成后管幕受力計算簡圖如圖14所示。管幕上覆土體及既有建筑樁基礎為施加到梁上的荷載，在荷載作用下，梁會產生豎向變形，進而引起上覆土體及既有建筑的變形。

圖13 導洞開挖完成后管幕受力計算簡圖

圖14 頂板開挖完成后管幕受力計算簡圖

管幕既需要滿足受力需求，也需要滿足剛度要求，以控制自身變形。本工程選用φ402 mm×16 mm@451.5 mm咬合管幕，內部填充水泥砂漿并設置工字鋼，以提高承載力。管幕大樣圖如圖15所示。根據地基梁模型計算，管幕受荷情況下自身變形最大約為5.8 mm，具有較好的變形控制能力。

圖15 管幕大樣圖(單位： mm)

3.2 深孔注漿

深孔注漿是目前加固地層進而控制暗挖施工變形的有利措施，其已在眾多的穿越風險工程中得到應用并取得了良好的效果。在本工程先行導洞施工時，注漿主要是通過加固地層形成穩定拱圈來控制變形；在管幕形成后導洞開挖階段，注漿在提高地層穩定性的同時還起到管幕地基加固的作用，可降低管幕下地層的壓縮變形。

本工程注漿施工控制要點如下：

1)注漿采用無收縮后退式注漿方式，應用多循環注漿的方式，先小壓力注漿然后逐步增加注漿壓力，確保注漿實現地層滲透、地層擠密及劈裂加固并直至土體出現一定被動土壓力， 進而保證加固范圍及加固效果。

2)注漿漿液采用水泥-水玻璃雙液漿，水泥漿及水玻璃按體積1∶1配比，保證注漿達到較高的強度；水灰比采用1.1∶1，確保漿液良好的滲透性。最終既保證砂層的可注性又防止漿液多余擴散，保證加固均勻及強度。

3)對注漿體進行取芯檢測，確保加固體無側限抗壓強度不低于1 MPa后方可進行開挖施工。

3.3 樁基沉降控制

PBA法車站的基本原理即為在拱蓋及樁基保護下開挖。除了將管幕作為拱蓋以及導洞開挖時的變形控制措施外，控制樁基沉降也至關重要。

樁基沉降控制分為2部分: 1)控制地基變形量; 2)控制樁基壓縮變形量。在樁基設計時考慮采用φ2 000 mm大直徑灌注樁，選擇壓縮模量大的卵石層作為持力層，并考慮采用樁基后注漿工藝控制沉降。根據《建筑樁基技術規范》計算，樁基沉降為9.3 mm。

3.4 后期沉降控制

根據暗挖施工沉降規律可知，在暗挖隧道初期支護形成后的一段時間內，地層仍會產生一定的變形。在變形控制標準較高的情況下，此部分變形也不容忽視。

為了控制此部分變形，本工程考慮利用管幕自帶的注漿系統不斷地對地層進行補償注漿。同時，利用先行邊導洞設置長導管對地層注漿，并在此基礎上對樁基底部進行定向注漿，從而控制后期沉降并抑制群洞施工引起的樁基沉降發展。樁底補償及定向注漿示意如圖16所示。

圖16 樁底補償及定向注漿示意圖

注漿主要起止沉作用，盡量避免產生抬升作用。參考韓冠楠[15]關于主動復式注漿抬升變形的研究，本工程樁基礎底部豎向荷載設為1 580 kPa，樁底設6處注漿孔，限定注漿孔處擴散壓力為0.25 MPa，并在施工過程中與監測聯動，避免產生不利影響。

4 變形分析及對比

為了驗證整體方案及關鍵措施、參數的可行性，對選取的方案進行數值模擬分析，并將模擬結果與實測結果進行對比。

4.1 計算模型

采用Midas/GTS有限元軟件建立三維數值模型，對暗挖下穿施工進行變形分析。計算模型中，除地表采用自由面外，其余5個面均設置法向約束。同時，綜合考慮邊界效應、計算能力等因素，模型寬度及深度均按不小于3倍結構跨度及高度考慮，最終模型尺寸取為200 m×180 m×90 m，共62 422個節點、365 886個單元。土體本構模型采用修正的Mohr-Coulomb模型，結構、管幕及樁等結構采用彈性本構模型，土體、結構與樁體采用實體單元，管幕鋼管采用植入式桁架單元。暗挖車站計算模型如圖17所示。模型中地層及結構參數取值見表1。

(a) 整體模型(單位： m) (b) 車站與既有建筑的關系模型

4.2 計算結果對比

車站暗挖下穿施工后既有建筑沉降云圖如圖18所示。由圖可知： 1)位于車站正上方偏車站端部及先行導洞一側位置的既有建筑框架柱沉降最大，為22.3 mm； 2)橫向最大差異沉降發生在中柱與南側邊柱之間，最大為5.8 mm； 3)縱向最大差異沉降發生在南側邊柱中間2個柱之間，最大為3.2 mm。根據模擬結果可知，整體沉降變形及差異沉降基本滿足沉降控制要求，采取的方案及措施可以達到預期效果。

圖18 車站暗挖下穿施工后既有建筑沉降云圖(單位： mm)

沉降最大的柱沉降時程曲線如圖19所示。中柱與邊樁差異沉降時程曲線如圖20所示。

圖19 沉降最大的柱沉降時程曲線

圖20 中柱與邊樁差異沉降時程曲線

根據沉降及差異沉降數值計算結果與實測結果的對比分析可知： 實測整體沉降最大值為23.8 mm、差異沉降最大值為6.72 mm，均略大于數值計算沉降值；數值計算沉降與實測整體沉降變化趨勢一致，雖局部出現了一定數值差異及規律差異，但主要是施工過程中根據分步控制要求在沉降出現超限趨勢時進行主動控制導致的結果。

4.3 沉降控制效果

從整體來看，根據以上實測數據與數值模擬計算情況可知，實測結構整體最大沉降(23.8 mm)略大于數值模擬計算最大沉降(22.3 mm)，實測差異沉降最大值(6.72 mm)略大于數值模擬計算差異沉降最大值(5.8 mm)，說明采取的方案實現了變形控制目標。

從關鍵環節來看，管幕施工最大沉降實測值7.2 mm>數值模擬值6.5 mm>地基梁模式計算沉降5.8 mm，但三者整體基本一致，實測值略大主要是管幕鉆進施工及精度控制方面的原因。樁基沉降實測值7.6 mm<規范計算值9.3 mm，說明整體沉降控制效果良好。導洞及扣拱施工階段實測沉降值與數值計算沉降值也有良好的一致性。階段控制也實現了控制目標。

5 結論與建議

1)對于大斷面暗挖下穿建筑施工，整體方案的選擇尤其重要，設計之初需根據變形控制要求充分分析不同方案的變形控制能力。PBA法具有良好的整體和差異變形控制能力。其中，PBA法施工3層車站與2層車站的變形差異主要受拱頂覆土厚度決定，覆土厚度越小變形相對越大；平頂4導洞方案施工變形>拱頂4導洞方案施工變形>8導洞方案施工變形。在方案選擇上，控制變形有利的方案為4導洞平頂方案,如選擇其他方案則需采取更可靠的措施。

2)管幕+深孔注漿+平頂4導洞PBA法施工方案可以較好地控制整體變形，產生的沉降也相對均勻，而且能避免發生塌方等不良災害。通過變形預測與實測數據對比，實測整體沉降最大值為23.8 mm、差異沉降最大值為6.72 mm；數值計算整體沉降最大值為22.3 mm，差異沉降最大值為5.8 mm。兩者具有較好的一致性，且均滿足整體沉降小于25 mm、差異沉降小于7 mm的控制要求。可見，此方案應用于大斷面暗挖非密貼下穿既有建筑是合理可行的。

3)地下結構的施工是復雜的，理論分析的預期效果還需通過施工來實現。在理論變形規律的基礎上，采用合理剛度的管幕、管幕施工中采用控制變形有利的定向鉆進法、選擇壓力漸進式循環注漿方案和效果檢測手段、應用樁基后注漿工藝以及后期補償和定向注漿等是控制變形的關鍵及合理手段。

4)此方案實施過程中，部分管幕頂進精度出現了較大偏差，管幕施工變形也超出了預期，這些管幕施工的關鍵點有待進一步深入研究，不斷改進施工方案。建筑樁基底部注漿技術在注漿壓力控制方面非常復雜，如何在保證既有建筑安全的情況下實現建筑止沉甚至微頂升也是后續值得研究的內容。