棚盖暗作法PBA地铁车站沉降规律探讨

许亚斋，余 鹏

(1.北京市轨道交通建设管理有限公司,北京 100068； 2.城市轨道交通全自动运行系统与安全监控北京市重点实验室,北京 100068； 3.中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

引言

PBA工法是以浅埋暗挖法作为基础，同时综合盖挖法的思想，逐步形成和发展起来的一种暗挖地铁车站工法，在北京地区暗挖地铁车站施工中应用普遍。该工法先开挖主体小导洞，依靠其中的空间以及配套的侧壁支撑与拱部支护，共同形成完整的支护架构，以此来取代以往所使用的预支护与初期支护的架构，确保在车站主体结构开挖修建过程中满足更高的安全度需求，同时可以高效地处理地下施工所引起的沉降问题。这一方案有着较为灵活的特征，对于周边环境有良好的适应性，罗富荣，汪玉华等针对北京地区PBA工法引起的地表沉降做了一系列研究，其研究成果对于指导PBA车站施工起到了指导性的作用[1-7]。

新管幕工法是一种地下工程暗挖支护技术，该工法以单管顶进为基础，在各单管间依靠锁扣进行侧面相接或在单管之间注浆形成管排，管排夯进后形成管幕系统，而后在管幕的保护下进行土方开挖[8]。该工法具有噪声小、振动小、不必降低地下水位和大范围开挖、不影响城市道路正常运行、可以有效控制地面沉降以及对周围环境的影响小等优点，近年来被国内工程界广泛采用。董雪娇[9]以上海外滩源33号公共用地及地下空间利用项目为依托，研究了管幕结合内支撑的支护方法，对施工过程关键技术进行理论分析，同时针对开挖引起的地表变形进行了数值模拟；杨慧林[10]以沈阳地铁新乐遗址站的设计和施工为依托进行了系统的研究，以上研究对浅埋暗挖技术均进行了有效的丰富和补充。

在北京地铁19号线一期平安里车站的建设过程中，站址范围内存在无法改移的D1000污水管等地下管线，并且受既有地铁6号线区间埋深限制，不具备下穿6号线的条件，其地下空间资源异常紧张，车站上部、下部空间均被牢牢限制。因此，站位只能位于地面以下6～23 m的范围内，且该站处还有1条已回填的古河道，工程地质条件复杂。针对该站特点，技术人员提出了结合PBA工法与新管幕法优点的棚盖暗作法，该工法利用棚盖大管幕的支护作用降低施工对地表及其他设施与管道的影响，对掌子面自立性较差的地层提供临时挡土及止水条件，对于控制地表沉降和施工风险获得了较好的效果。

1 工程概况

1.1 车站概况

地铁19号线平安里站位于赵登禹路与平安里西大街交叉路口北侧，沿赵登禹路南北向布置，与既有地铁6号线平安里站呈“L”形换乘。本站位于市中心繁华区域，站位道路两侧建筑密集。赵登禹路规划道路宽35 m，现状道路宽27 m，双向4车道，两侧建(构)筑物退让现状道路较少，建筑物净距平均仅33 m。平安里站平面位置示意见图1。

图1 地铁平安里站平面位置示意

平安里站上方管线众多，主要管线有：①主体结构纵向侧穿2.9 m×2.3 m热力方沟，沟底埋深10.75～11.46 m，与暗挖初支水平净距为2.13～4.05 m；②主体结构纵向侧穿2.0 m×2.3 m电力方沟，沟底埋深8.94～11.55 m，与暗挖初支水平净距为7.31 m；③主体结构纵向下穿D1000污水管，管底埋深5.74～5.98 m，管底与暗挖初支竖向净距为0.65～1.24 m，此污水管为本站高程的控制性管线。

从管线现状和车站及区间隧道的相对关系来看，施工过程需严格进行定位，控制与现状管线的距离，避免对现况管线造成影响。对于横通道净距较小的现况管线，在施工前需对其高程、位置进行详细调查，避开现况管线并保证一定安全距离，避免对现状管线造成影响。

1.2 地质条件

车站主体结构站位处由上至下依次为：素填土①、粉质黏土③、卵石⑤、粉质黏土⑥、卵石⑦、卵石⑨、砾岩⑿。车站附近基岩埋深较浅，为39.30～41.00 m；坑底位于粉细砂⑦2层。车站主体结构未进入地下水位。车站主体结构与地下管线剖面关系及车站地质条件见图2。

图2 平安里站地质柱状及风险源剖面示意

车站主体先行导洞及部分横通道结构处于古河道内，古河道埋深2.3 m，上口宽22.5 m，下口宽14.5 m，高6.9 m，古河道部分地层含水率高，呈软塑状态，对施工沉降控制极为不利；古河道内局部填土松散，注浆不易控制，串浆距离较远，极易串入临近地下管线内部，因此施工过程需加强监控量测工作，及时准确提供沉降变形等信息反馈施工以保证施工安全。

1.3 工法简介

设计团队在结合常规PBA工法与新管幕法优点的基础上，针对平安里车站埋深较浅的情况，提出“棚盖暗作法”的思路，其核心在于棚盖体系的形成。同普通管幕法的区别在于钢管非独立棚护结构，而是采用钢管+竖向支撑共同构成棚盖体系。棚盖结构形成后，地下空间在棚盖结构保护下开挖，为二衬形成前的主要受力结构。

1.4 车站结构

如图1所示，因上跨地铁M6号线区间，受空间限制，车站采用双层三跨超浅埋平顶直墙结构，主体结构采用超浅埋棚盖暗作法施工。主体标准段宽25.1 m，南端扩大段宽26.3 m，边桩采用φ1 000@1 600 mm人工挖孔桩，顶部设管幕棚盖体系(Q235φ402@450 mm，t=16 mm钢管，管内填充M30水泥砂浆)。先行导洞埋深约4.3 m、净高4.5 m、净宽4.3 m，下层边导洞拱顶埋深约17.5 m、净宽3 m、净高3.5 m，下层中导洞拱顶埋深约16 m、净宽4 m、净高4.5 m，下层导洞之间最小净距为2.6 m，先行导洞与下层导洞均为拱顶直墙结构，采用钢格栅+喷射混凝土支护形式。上层东侧1号导洞绕避污水跌落井段采用拱顶直墙结构，其余采用U形初支结构，其中边洞净高5.2 m、净宽3.5 m，中洞净高5.2 m、净宽4 m，车站主体结构如图3所示。

图3 平安里站主体结构横剖面

1.5 主要施工步骤

(1)竖井及横通道开挖：竖井平面形状为矩形，倒挂井壁法施工，喷射混凝土、钢筋网及钢格栅组成支护体系，井内采用临时型钢支撑，井底采用钢格栅+喷射混凝土封底，井口设现浇混凝土圈梁结构；竖井开挖至每层横通道底板以下2 m处临时封底，分段破除横通道范围马头门处井壁格栅，然后台阶法开挖横通道。

(2)先行导洞开挖：自横通道进洞前，对开挖范围拱顶及掌子面深孔注浆。采用台阶法(台阶长度3～5 m)开挖先行导洞，并施工初期支护。

(3)管幕施作：待先行导洞贯通后，采用顶进法垂直于导洞方向顶进棚盖暗作钢管，顶进顺序为先东侧，后西侧。

(4)下层导洞开挖：棚盖管幕顶进形成棚盖体系后，开挖下层导洞，下导洞应滞后棚盖顶进工作面15 m以上，下层导洞平行开挖时，先开挖两侧导洞，后开挖中间导洞。

(5)上层导洞开挖：待东侧棚盖暗作钢管顶进完成后，开挖上导洞1，待西侧棚盖暗作钢管顶进完成后，开挖上导洞2及导洞3。

(6)梁柱体系施工：上层导洞贯通后，导洞内施工挖孔桩，并施工上下导洞间钢管混凝土柱挖孔护筒。在下导洞4、5内施工底板梁防水层及底板梁后，施工钢管混凝土柱，然后在导洞2及先行导洞内施工顶梁防水层及顶纵梁，并在先行到洞内联通棚盖暗作钢管。

(7)台阶法开挖Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ部分土体，施作初期支护，初支扣拱封闭后应及时进行初支背后注浆。导洞Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ贯通后，由车站端头或横通道中间位置沿车站纵向分段凿除上层小导洞部分初支结构，施工顶板防水层及结构二衬。

(8)顶板二衬施工完成后，待顶板结构达设计强度，沿车站纵向分段分层开挖土体至中楼板下0.2 m处，分段施工中楼板梁及中楼板，并施工侧墙防水层、保护层及侧墙。待中楼板及部分边墙达设计强度后，分层开挖土体至底部，并及时施工底板封底。施工底板防水层及底板，然后施工侧墙防水层及侧墙，完成车站主体结构施工。

2 沉降规律分析

车站埋深较浅，且受古河道不良地质条件影响，地层对地下施工的扰动反映较为敏感。由于地下管线风险等级较高，路面交通繁忙，为防止坍塌等事故的发生，保证市政设施的安全，以监控量测数据反馈施工，加强沉降监测及分析工作，优化施工工艺以控制地表沉降成为施工阶段的关键任务之一。

2.1 总体沉降分析

在车站主体小导洞施工完成后进行梁柱体系施工、扣拱及后续结构施作期间车站上方监测点的沉降变形速率基本稳定后进行沉降变形分析，监测点布置见图4。

图4 沉降监测点布置

道路以及管线沉降值在20～60 mm，变形平均值为-32.01 mm，实际监测累计沉降值超出设计控制值(30 mm)的监测点占比为54.5%。监测点沉降值分布情况见图5。

图5 监测点累计沉降值分布

各监测项目平均值统计见表1。

表1 各监测项目平均值统计 mm

主体横、纵断面沉降曲线及累计沉降云图分别如图6～图8所示。

图6 车站主体横断面沉降曲线

图7 车站主体纵断面沉降曲线

图8 平安里站累计沉降云图

由图5～图7可看出：

(1)车站下穿赵登禹路东侧地表及道路沉降明显大于西侧，计算车站东、西侧差异沉降最大为3.4‰(DB-13-01、YSG-01-11)；

(2)1、2号横通道之间地表沉降明显大于1号横通道北侧，计算其平均沉降比例约为1.35∶1；横通道两侧沉降略大于横通道拱顶部位；

(3)监测数据显示车站东侧建筑物沉降明显大于西侧建筑物，东、西侧建筑物沉降最大量分别为81.51 mm和12.1 mm，且东侧建筑物差异沉降明显，差异沉降最大为-4.4‰(QTC01-01、QTC01-03)。

2.2 沉降规律分析

为了进一步分析平安里站实施过程中的沉降变形情况，对重要的施工工序进行阶段性沉降统计。由于横通道处测点受横通道及车站主体施工多重影响，将测点分为“施工横通道上方监测点”及“主体导洞上方监测点”两类进行分析。

(1)横通道上方沉降分析

选取横通道上方典型测点DB-07-04绘制沉降历时曲线图，根据不同的施工阶段统计其沉降值及所占比例。

在不同施工阶段沉降变形趋势性明显，但由于在卵石地层中施作管幕，其顶进精度不易控制，施工进度难以保证，故实际施工步序做了一定调整，在难以保证管幕进度时先开挖下层导洞，故先行导洞、管幕施作及下层导洞存在一定程度的交叉作业。待管幕完成施作上层导洞、梁柱体系及后续主体施工时，由于存在大管棚，其棚护作用明显，后期沉降较小，故视为一个施工阶段。沉降历时曲线如图9所示。

图9 横通道上方典型监测点DB-07-04历时曲线

横通道上方监测点各施工阶段沉降值及占比情况见表2。

表2 施工横通道上方典型监测点各工序沉降统计

由表2可知，横通道上方监测点沉降主要发生在施工横通道、先行导洞及管幕施作3个阶段，约占总沉降的84%，上层导洞开挖、梁柱体系及后续施工产生的沉降较小。

(2)主体导洞上方沉降分析

与横通道上方监测点不同，车站主体导洞上方监测点不受横通道开挖及导洞多次开马头门的影响，选取车站主体导洞上方典型测点绘制沉降历时曲线如图10所示。

图10 主体导洞上方典型测点SSG-01-05沉降曲线

从图9、图10累计沉降值看，车站主体导洞上方沉降略大于横通道上方，主要原因是横通道开马头门部位采取了注浆及加固措施，而横通道两侧由于多次开马头门对地层造成多次扰动，导致其沉降值大于横通道上方，对主体导洞上方典型测点各阶段沉降值进行统计如表3所示。

表3 主体导洞上方典型监测点各工序沉降统计

从工序来看，主体导洞上方沉降主要发生在下导洞开挖及管幕施作阶段，约占总沉降的63%。

2.3 地表沉降槽规律

针对车站典型主监测断面采用Peck[11-15]公式进行拟合分析，计算公式如下

(1)

式中，S为隧道中线处的地表沉降，mm；y为沉降监测点和隧道中心线之间的距离，m；Smax为y=0即隧道轴线处的最大地表沉降值，mm；i为反弯点与轴线的水平距离，i值反映隧道开挖对地表造成的影响范围，m。

地下工程施工需计算地层损失，所谓地层损失是地下工程施工中实际开挖土体体积与竣工隧道体积之差，亦即隧道纵向单位距离的沉降槽体积。对式(1)进行积分计算，得到地层损失率V的计算公式如下

(2)

地层损失率为单位长度内地表沉降槽的体积与开挖隧道体积的比率，它反映了开挖对地层的扰动程度。地层损失率与地质条件、施工工艺和技术水平等因素密切相关，计算公式如下

(3)

对于地表沉降槽宽度系数i/D，计算公式为

(4)

〗式中，D为隧道直径，m；z0为隧道中心至地表的深度，m。

计算得到Smax为-69.91 mm，沉降槽反弯点距离隧道中心距离i为11.72 m，从车站中线起向东西两侧各约12 m范围内的市政管线为重点关注的风险源，施工过程中需严格控制各项施工参数、优化施工工艺以减小沉降，加强监测和巡视，确保风险安全可控。通过Peck公式计算得到地层损失率为0.34%，结合沉降历时曲线分析可知，地层的损失主要发生在管幕施作及主体导洞土方开挖阶段，地层损失率在可控范围。如图11所示。

2.4 沉降原因探讨

结合现场施工工序及安全巡视情况，通过对监控量测数据的统计分析和综合研判，探讨施工过程中引起地表沉降的原因，主要有以下几个方面[16-20]。

(1)隧道开挖及超前支护引起的沉降

①随着横通道、车站导洞等的开挖，地下空间形成后，原本的平衡受力条件被打破，围岩受施工扰动后产生竖向位移，从而引起道路沉降，隧道开挖掌子面暴露时间越长、初期支护封闭时间越长，产生的地表沉降就越大。

②隧道施工时在初支背后形成空洞，若回填注浆不及时或背后注浆效果不佳未将空洞填实，存在空洞的地层也会产生地表沉降。

③超前支护质量欠佳、超前注浆改善土体效果不佳，地层稳定性未得到明显改善，后续进行车站管幕施作时,由于古河道内杂填土松散，容易被扰动，同时超前注浆不易控制，地面注浆加固效果不佳，开挖对地层扰动大引起沉降。

④车站施工横通道、上层导洞、下层导洞均采用上下台阶法开挖，在下台阶开挖时若地层稳定性较差发生小面积垮塌造成上台阶初支钢格栅拱脚悬空，又或者拱脚下方土体松散、密实度差也会引起沉降。

(2)受力体系转换引起的沉降

横通道以及主体小导洞开马头门处施工均存在受力转换过程，横通道初支结构受力体系转换到小导洞或管幕上。破除马头门部位先进行土方开挖，再进行初支施工，初支的滞后导致了沉降的产生。在本工程中，由于采用了管幕支护，上层导洞采用U形支护形式，采用U形支护的边导洞侧墙及底板为常规钢筋格栅，顶部设调解件、垫板及连接件与导洞上方管幕进行连接，管幕与U形初支之间的受力转换引起地表沉降。此外，受力转换完成后，初支节点板的变形也可能引起沉降。

(3)管幕施工

平安里车站管幕采用φ402×16 mm无缝钢管(间距450 mm)，现场采用水平螺旋顶管机，液压千斤顶顶进、管内螺旋出土，管幕顶进施工对土体造成一定扰动，并产生水土流失；此外由于钻孔与管幕之间存在空隙，为填充空隙，在管幕施作完成后需在无缝钢管外部进行补偿注浆，实际施工过程中注浆时间常常晚于管幕成孔时间，或注浆压力及注浆量控制不佳，浆液难以填满土体间的空洞，该部位被上方沉降的土体填满，也会造成车站上方地表沉降。

(4)群洞开挖

PBA工法车站主体导洞众多、工序安排复杂，为保证施工出土进度，时常有多导洞开挖的情况，群导洞开挖对地层扰动的叠加效应引起的沉降增大。

(5)其他因素

车站主体先行导洞及部分横通道结构处于古河道内，古河道部分地层含水率高且呈软塑状态，局部填土松散，受地铁施工及大型机械设备或来往车辆碾压等因素影响，其沉降变形一般较大，从沉降云图可明显看出本站古河道影响区域沉降大于其他区域；施工场地大门处车辆多次碾压造成的沉降也明显大于车站其他部位。

综合以上分析，棚盖暗作法PBA车站施工引起的地表沉降原因复杂，时空效应体现尤其明显，导致沉降的各种因素间的交叉影响也较为明显，在施工过程各典型阶段应找出引起地表沉降的主要原因，有针对性地调整施工工艺和参数，采取有效措施达到减小沉降的目的。

3 沉降控制措施

(1)及时进行空洞探测，发现空洞及时回填处理，若有大面积疏松区可采取路面注浆加固的措施，减小因空洞和疏松地层产生的道路沉降。

(2)严格执行暗挖工程施工“管超前，严注浆，短开挖，强支护，快封闭，勤量测”十八字方针，缩短开挖面封闭成环的时间，避免因土体长时间暴露产生过大沉降。

(3)加强格栅钢架拱脚部位及拱脚下方土体密实度的处理，及时架立下台阶钢格栅并喷射混凝土，减小钢格栅下沉所引起的地表沉降。

(4)加强初支钢格栅加工质量，确保安装到位，施工过程中尤其注意节点板连接质量。若节点板部位密贴度不佳，可采用帮焊处理并保证帮焊质量，地质条件较差时，应适当增加初支喷混厚度，减少因节点变形引起的沉降。

(5)根据不同地层条件加强锁脚锚管的打设及注浆质量的控制，减小因钢格栅下沉引起的沉降。

(6)在横通道中增设门形框架对横通道初支进行支顶，做好主体导洞施工马头门破除前的受力转换，减小受力体系转换引起的沉降。

(7)在隧道及主体导洞拱部预留注浆孔并做好背后回填注浆，严格控制注浆压力及注浆量，反复多次注浆，及时填充初支与土体间的空洞，减小因空洞产生的沉降。

(8)保证超前支护的棚护效果以及地下水处理效果，确保开挖掌子面地层的稳定，尤其在稳定性欠佳的砂卵石、含水的黏土地层，减小因小面积的垮塌、变形引起的沉降。

(9)保证管幕顶进的精度和合理控制成本的前提下，优化管幕施工工艺，减小管幕施工对地层的扰动，及时进行管外补偿注浆并控制好注浆压力和注浆量，减小管幕产生空隙引起的沉降。

(10)群导洞施工时，严格控制各导洞开挖步距，加强工筹管理和劳动力配置，减小因群洞开挖对地层产生的重复扰动和叠加影响。

4 结语

(1)采用棚盖法施作PBA车站对于控制地表沉降取到一定的作用，虽然车站主体施工引起的地表沉降累计沉降平均为32.01 mm，超过控制值30 mm的测点比例达54.5%。但从环境风险及施工过程的巡视结果来看，施工安全风险始终处于可控状态。在类似车站设计过程中应提出更合理的沉降控制值，并且优化施工工艺，控制地表沉降以减小施工对周边环境的影响。

(2)车站沉降横断面特点显著，呈中部大、两侧小的槽形。从车站纵向沉降曲线来看，横通道部位沉降较其他部位沉降大，棚盖暗作法车站施工中应重点控制施工横通道和车站主体跨中部位沉降，减少差异沉降，以避免道路下方市政管线断裂或破损。

(3)车站主体导洞施工产生的地表沉降槽体现为拐点距车站中心约12 m，车站中心线约20 m以外沉降值迅速减小，发生沉降在车站中线往东西两侧约35 m的范围。

(4)管幕施作和小导洞开挖支护阶段产生的地表沉降变形占比较大，尤其是小导洞开挖支护阶段，对地表沉降的贡献接近总沉降的70%。

本文分析了超浅埋复杂地质条件下棚盖暗作法PBA车站引起的地表沉降规律，探讨施工过程中产生沉降的原因，从加强初期支护、做好受力体系转换、优化开挖步距等方面提出一系列控制措施，可为类似地铁车站施工提供借鉴。