復雜環境下富水超淺埋高靈敏地層暗挖地鐵車站施工沉降控制

樊榮 FAN Rong

（中鐵一局集團第四工程有限公司，咸陽 712000）

0 引言

隨著社會的不斷發展，伴隨產生了更多臨近既有結構施工的地鐵車站，城市人口密集地區暗挖地鐵施工更為敏感，采用一系列必要的加強措施和有效的監測反饋更有利于在有限的作業時間保障施工的安全可靠，總結出PBA暗挖法初支強支護條件下施工過程的變形規律和對應的補強措施，并通過有限元理論計算與現場實測數據的交互驗證，具有較強的適用性和可推廣性。本文以鄭州地鐵10號線醫學院站暗挖工程為例，詳細介紹了如何通過建模分析、預埋變形監測點，增設臨時型鋼桁架等措施，以理論指導實際，驗證理論值，以確保在復雜環境下施工的安全性和避免在建中樁鋼管柱發生較大沉降。

1 工程概況

鄭州地鐵10號線醫學院站為7號線和10號線換乘車站。10號線為地下兩層雙柱三跨島式車站，主體結構跨大學路為暗挖段。暗挖段長48.26m，寬25.1m，頂部覆土約5~5.3m，底板埋深約19.5m；平頂PBA法施工+管幕超前支護，上部設置4個小導洞，中柱采用鋼管混凝土柱，逆筑法施工。主要施工順序為：首先施工暗挖段的主要支撐體系——鋼管管幕，待管幕施工完畢且達到設計強度后，施工上層4個暗挖導洞，并在暗挖導洞內施工兩側圍護樁和中樁鋼管柱，施做頂縱梁防水層及頂縱梁，至此，形成四個樁基支撐體系。開挖導洞之間土體，并按車站縱向分段（每段不大于6m）施工頂板防水層及結構二襯，實現頂板封閉。

2 沉降控制難點分析及解決措施

2.1 施工過程變形情況

2.1.1 監測數據統計分析

暗挖施工沉降監測點布設沿東向西橫向按照5m、5m、25m、10m布設監測斷面，縱向每個斷面布設15個監測點，測點布設如圖1所示。通過在所有中樁鋼管柱頂部便于監測的位置埋設應變片，實測鋼管柱的壓縮變形量，以分析對管線及地面沉降的影響。

圖1 地表監測沉降點布置平面圖

本文選取DBC4-7~11共5個測點進行研究。測點數據包含管幕打設（施工階段I）、導洞開挖（施工階段II）、中樁柱及邊樁打設，中縱梁施工及邊跨施工（施工階段III）、頂板扣拱（施工階段IV）4個階段，獲取測點變形數據共2655個，時間跨度531天。測點擬合曲線如圖2所示。

圖2 鄭州地鐵10號線醫學院站暗挖測點擬合曲線圖

從本項目的地表變形擬合曲線發現：①影響暗挖地層變形的要素為導洞暗挖與頂板扣拱施工工序兩個階段；②其導洞暗挖施工工序階段變形量約10mm，占總變形量的20%，頂板扣拱施工工序階段變形量約20mm，占總變形量的50%；③從總體變形曲線來看，階段變形曲率增大，但相對常規支護，變形曲線曲率大為緩和，已基本消除變形急劇增大區；④截至本論文研究時，項目施工工序為完成頂板扣拱，依據之前的研究成果，后續施工引起變形量約為總沉降量的10%，即本項目二襯施工完成后總沉降量控制在40.8mm~45mm，總變形量與常規支護的PBA暗挖工法變形量比，減小約25%~30%的變形。

2.1.2 設計有限元模擬計算結果對比

將現場實際施工過程實測數據與設計有限元建議控制值對比，得出如表1所示結果。

表1 實測數據與設計預測值比對表

根據表1比對結果可知：①現場實測數據與設計有限元計算預測數據基本符合，各施工階段變形絕對值及變形相對值相差不大，有限元計算相關參數選取合理，其預測變形情況可以作為施工變形控制的重要依據；②最終變形量為預估變形量，需二襯完全施工完成后進行進一步驗證；③通過比對，有限元理論計算與現場實測數據相互驗證，本次研究對地下工程（地鐵車站）PBA暗挖工法初支強支護條件下的變形規律真實可信，可作為未來同類項目設計、施工重要依據。

2.2 臨時支撐體系轉變

2.2.1 支撐體系轉換施工時，存在以下難點問題

①隨著洞門開挖時土體由穩定狀態逐漸轉變為應力重分布狀態，馬頭門易受力而產生非彈性形變；②馬頭門施工完成后，重量大，若無有效支撐，有塌落風險；③導洞初支側壁拆除由原臨時初支拱架結構受力，跳躍式轉變為拱頂、兩個中導洞內柱頂縱梁及兩個邊導洞內圍護樁冠梁四個縱向支點支撐體系受力，對頂部擾動大，施工風險大；④管幕接頭焊接處在長期滲透作用下無法驗證是否滿足設計強度，存在脫落風險。

2.2.2 導洞洞門開挖

通過有限元軟件創建力學模型進行理論分析，依據力學結構計算模型（重點是體系轉換時及理論最大變形量位置），預埋應變片、變形監測點，采集實際數據驗證理論計算的準確性，為導洞洞門開挖施工提供數據支撐。

使用有限元軟件建立模型，門式支架尺寸按1∶1同尺寸建模，各構件材料特性按實際賦值，約束條件按實際施工情況約束水平及豎向位移。依據設計，將洞門開挖荷載折算為單元荷載，加載到模型之上。洞門一次開完成三榀拱架，間距300mm，開挖長度約為1m，故縱向取1m長土體荷載加載至門式支架上部。門式支架立柱設計為∟160*16等肢角鋼加工而成的格構柱，實際使用截面特性相似的I45b雙拼工字鋼代替。

根據計算結果，變形最大發生于第二跨橫梁段跨中位置，最大變形量為6.02mm，小于施工控制允許變形值L/1000即8mm，處于安全范圍。

分析對門式支架立柱及橫梁進行監測點位布置，應力最大位置為立柱上部兩根I22a斜撐，橫梁位移最大位置為每跨跨中位置，在每根立柱及上部斜撐位置焊接固定應力計，立柱應力監測點位布置共計5個，立柱上部斜撐應力監測點位布置共計6個。上部橫梁每跨中布置一個撓度監測反光測點，共計4撓度測點。

導洞洞門從開挖到施工完成共計8天的門式支架立柱應力監測情況，應力大小基本與有限元模型分析結果相似，且施工過程中無應力突變及結構變形情況，整個體系轉換過程中總體安全可控，保障了施工進度及安全。

2.2.3 導洞初支側壁拆除

依據力學結構計算模型（重點是體系轉換時及理論最大變形量位置），預埋應變片、變形監測點，采集實際數據驗證理論計算的準確性，為導洞洞門開挖施工提供數據支撐。根據計算結果，變形最大發生于每跨支架跨中位置，最大變形量為8.03mm，小于施工控制允許變形值L/400即12.5mm，變形處于安全范圍。

導洞側壁拆除時，對待拆除側壁立柱安裝應力計，在相鄰側壁立柱拆除前后的應力變化進行監測，若應力出現突變現象，應及時對拱頂進行支架回頂施工，避免因側壁拆除無有效受力點而造成導洞拱頂出現沉降，造成嚴重安全隱患，導洞拱頂每隔2m布置一個拱頂沉降監測點位，在導洞側壁拆除前、拆除過程中及拆除完成后分部連續進行監測并及時對數據進行整理分析，以指導施工。施工扣接頂板時采用分段跳倉施工，避免集中拆除側壁立柱過多且扣接頂板未及時施工造成導洞拱頂沉降出現安全隱患。通過13天的導洞側壁立柱拆除應力監測情況發現，應力大小基本與有限元模型分析結果相似，施工過程中無應力突變及結構變形情況，體系轉換過程安全可控。

圖3 暗挖門式支架Midas變形分析圖

2.2.4 新增臨時型鋼支撐

在整個體系轉換過程中，管幕接頭焊接質量是導洞拆除方案成敗的關鍵，根據現場施工的實際情況，在拆除拱架階段增設了I45b門型支架體系對結構進行補強，并通過跳槽破除導洞，及時根據監測反饋數據動態調整施工步序的方式，針對體系支撐轉換在管幕接頭處新增了臨時型鋼支撐。使用Midas civil有限元軟件建立模型，門式支架尺寸按1∶1同尺寸建模，各構件材料特性按實際進行賦值，約束條件按實際施工情況約束水平及豎向位移。依據設計，將導洞間土體開挖荷載折算為單元荷載，加載到模型之上。導洞間土體一次開完成三榀拱架，間距300mm，開挖長度約為1m，故縱向取1m長土體荷載加載至門式支架上部。根據計算結果，變形最大發生于第七跨橫梁段跨中位置，最大變形量為2.44mm，小于施工控制允許變形值L/1000即8mm，變形處于安全范圍。

3 現場施工過程中應注意的事項

3.1 導洞初支側壁拆除施工

①由測量人員現場放樣出側壁需破除范圍，并做標記，每段拆除長度嚴格控制在6m，并跳段拆除；②施工人員使用風鎬由上而下對側壁混凝土進行破除，破除時注意不要對拱架造成破壞，破除過程中要對拱頂沉降進行全程監控，若沉降值大于8mm時應及時停止破除施工；③拱架間混凝土破除完成后，經現場監測人員對拱頂沉降監測完成并得出結論符合要求時可逐榀進行拱架拆除，連接板位置可將螺栓擰開拆除，若螺栓無法擰動可使用氧氣對拱架進行切割，拱架立柱拆除過程應盡量減少對鄰近拱架立柱的影響，拱架拆除過程嚴禁人員靠近，應全程進行拱頂沉降監測。

3.2 施工過程變形監測

①地表沉降監測點標志采用窖井測點形式，采用人工開挖或鉆具成孔的方式進行埋設，要求穿透路面結構層。測點加保護蓋，孔徑不得小于150mm。道路、地表沉降監測測點應埋設平整，防止由于高低不平影響人員及車輛通行，同時，測點埋設穩固，做好清晰標記，方便保存。②監測點需設置測點連接桿，連接桿一端頭設置測點，另一端頭需牢固定位，焊接在初支骨架上，連接桿長度自定，以不影響施工，且導洞初噴混凝土后要外露為原則，以便后期監測。

4 現場實際效果

10號線醫學院站暗挖段施工具有工期緊張、施工作業空間狹小、軟弱地層高敏感易沉降、周邊環境敏感的特點。通過對高風險施工環節應用Midas civil軟件進行跟蹤輔助計算，提出了加強體系轉換階段監控量測、優化支撐體系加快扣拱封閉施工等措施，解決了暗挖結構臨時支撐體系轉變過程工程風險較大、狹小空間扣拱作業工效較低等實際問題。

5 結論

國內軌道交通土建施工時，PBA工法以其獨特的優勢，在市內繁華區域地鐵車站施工時被越來越多地采用。其施工過程的工序銜接和沉降控制成為工程質量控制及安全控制的關鍵。通過本項目的研究及實踐經驗，可以得出以下結論：①工序轉換可通過引入臨時型鋼桁架作為支撐受力體系，有受力安全、現場操作方便的優點，此方法可應用到其他結構施工中。②保障施工整體過程的安全可靠，可通過應用仿真計算、結構設計與工程實際相結合，有效控制施工過程中地表沉降、管線沉降、導洞沉降收斂等各工序施工技術、質量控制，并借助預埋的測量儀器（應變片、變形監測點）作為監測沉降控制效果的保證措施。