超浅埋棚盖法在地铁车站施工中的支护效果

2020-07-13陶连金于兆源董立朋

黑龙江科技大学学报 2020年3期

陶连金，于兆源，董立朋

(1.北京工业大学城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室，北京 100124；2.中铁隧道局集团有限公司，广州 511458)

0 引言

受城市施工环境及断面形式等条件的限制，浅埋暗挖法是目前我国城市隧道的主要开挖方法之一。管幕超前支护是目前浅埋暗挖隧道施工过程中的一种重要支护形式。由于暗挖施工区域一般都处于城市繁华地区，对地表沉降变形的控制要求很高。因此，很多研究者都对浅埋暗挖隧道开挖对周围环境的影响进行了研究[1-6]。曾宇晖等[7]结合下穿鹰厦铁路右线隧道工程，对施工采用大管幕的支护效果进行了研究,现场监测结果表明，管幕支护作用明显,能使沉降和内力达到施工要求。黎永索[8]结合沈阳地铁 2 号线隧道工程,对其施工采用的管幕支护进行地表沉降监测,Peck 模型沉降预测值和实测值为同一数量级,可采用理论值指导施工。潘伟强[9]结合上海14号线桂桥路站管幕段实例工程，对管幕群顶管顶进施工过程地面沉降情况进行监测，分析群顶管施工对地面沉降的影响。目前，针对北京地区超浅埋棚盖法在地铁车站施工中支护效果的研究较少，笔者通过管幕施工以及车站导洞开挖施工过程的实时数据监测，分析了管幕支护结构作用下地铁车站开挖引起的地表沉降以及拱顶沉降的规律变化曲线，为在管幕保护下平顶直墙暗挖地铁车站的施工提供参考依据。

1 工程背景

1.1 工程概况

地铁19号线平安里站位于平安里西大街与赵登禹路交叉口北侧，赵登禹路路中南北，该工程西北侧为平安医院、多栋小平房等建筑，东北侧为1～2层小楼，西南侧是航天金融大厦，东南侧邻近地铁6号线平安里站，与既有地铁6号线平安里站水平换乘, 工程位置如图1所示。

平安里站车站主体结构总长225.45 m，采用14 m岛式站台，标准段宽25.10 m，车站南端局部宽26.29 m。结构顶板覆土6.78～7.23 m，底板埋深20.92～21.37 m。设计为双柱三跨两层结构，主体结构施工先施工先行导洞，然后打设管幕形成棚盖。施工管幕结构钢管的先行小导洞的拱顶最小覆土约 4.32 m，车站共设4个出入口，现场施工概况如图2所示。

图2 现场施工概况Fig. 2 Site construction overview

1.2 地质水文条件

平安里地铁车站主体结构的顶板距离地表大约6 m，纵向深度至地铁车站的底板的垂直埋深大约21 m。地铁车站的顶板主要处于粉质黏土层，底板大致处于卵石层中，地铁车站的中间部位有一层0.8 m厚的粉细砂层。平安里地铁车站土体的场地里主要有两层地下水，其中一层为上层滞水，水位标高为43.3 m，距离上层地表的垂直埋深约5.8 m，主要处于粉土填土层中及黏质粉土砂质粉土层中；另一层为层间水，水位标高约20.8 m，处于地铁车站结构底板下约6.5 m的位置，垂直埋深约28.6 m，主要赋存的地层有卵石层、粉细砂层。该工程的管幕钢管顶进主要是穿越粉质黏土及粉细砂地层，其中没有地下水。

1.3 周边环境

平安里站位于城市主干道路下方，地面交通拥挤，附近拥有雨水管线、污水管线、热力方沟、电力方沟等众多管线。其中，离管幕较近的管线有：2 900 mm×2 300 mm的热力方沟，其埋深约11 m，与管幕净距约1.5 m；2 000 mm×2 300 mm的电力方沟，其埋深约10 m，与管幕净距约1.6 m；管幕下穿直径为1 000 mm的污水管及管井，污水管埋深约5.8 m，污水管与管幕最小净距仅0.198 m(20号污水井井底侵入管幕结构约0.1 m，19号污水井井底与管幕顶仅3 mm)；管幕下穿直径为1 600 mm的雨水管，其埋深约3.5 m，管底与管幕净距约2.4 m；管幕下穿直径为300 mm 的中压燃气管，其埋深约2.0 m，管底与管幕净距约4.3 m；管幕下穿直径为600 mm 的上水管，上水管埋深2.3 m，管底与管幕净距约4 m。周边管线分布如图3所示。

图3 周边管线分布Fig. 3 Peripheral pipeline distribution

1.4 管幕施工技术

平安里站位于西城区，地上、地下环境复杂。上跨六号线车站埋深仅7 m，上方地下管线众多，无起拱条件，无明挖条件，在覆土极薄的情况下，最终选择应用管幕构筑棚盖，在棚盖防护下暗挖地铁车站。

管幕工法是非开挖工艺的一种,是利用较大直径的钢管在地下预先密排形成一帷幕从而建造大断面地下空间的施工方法。平安里站管幕施工由先行导洞向两侧施工，最终在先行导洞内连通，形成整体棚护结构，标准段管幕共489根，单根管幕总长35 m，往西打设19 m，往东打设13 m，在先行导洞内连通3 m。

管幕采用φ402 mm×16 mm无缝钢管，间距450 mm，管幕之间通过角钢制作的公母扣扣紧，钢管管节之间采用等强焊接连接。钢管内填充M30水泥砂浆，为控制管幕施工引起的沉降，管幕外设1根φ42 mm注浆管补偿注浆。管幕横断面如图4所示。

图4 管幕横断面Fig. 4 Tube curtain cross section

管幕以其安全性高、精度高、施工距离长等技术特点，作为超前支护或隔离，广泛应用于上跨或下穿重要的建(构)筑物。平安里站管幕同一般管幕法的区别在于此处管幕不仅为超前支护，更是车站土方开挖时的承载结构，需承担车站上方7 m土体及赵登禹路上车辆荷载，是结构形成前的主要受力结构。

2 现场监测

为监测管幕施作前后上部导洞地表和拱顶的沉降量，根据现场监测条件，在1号和2号施工横通道之间，以开挖断面中轴线对应的地表为中心线，在两侧 15 m范围内从中心线向两侧布置15个测点(因现场监测条件限制，无法对先行导洞和导洞3正上方进行地表沉降监测)；上部导洞拱顶沉降由1号施工横通道向南沿导洞开挖方向每5 m布设一个测点，具体监测布置见图5。

图5 现场监测布置Fig. 5 Site monitoring arrangement

3 结果分析

3.1 地表沉降分析

(1)选取距离1号施工横通道南侧10 m 处断面(A-3、B-3、C-3三点)为代表进行上部导洞地表沉降分析。

记地表沉降为sz，施工时间为t,地表沉降历程曲线如图6所示。由图6可以看出,地表在先行导洞开挖阶段迅速下降，此时无任何支护体系，故地表沉降较快且沉降量较大；管幕施工属于非开挖技术，在打设管幕阶段地表稍有沉降趋势，但沉降量较小，仅为15 mm；待管幕打设完毕，在管幕构筑的超浅埋棚盖防护体系下进入主体导洞开挖，与先行导洞开挖时地表沉降相比，地表沉降速率明显降低，且沉降量明显减小；在施作顶板阶段，地表沉降产生较快的突变，这是由于在进行车站顶板施工时，需拆除初期支护与管幕之间的连接，此时增加了管幕的受荷跨度，故产生地表沉降突变的现象，此后地表沉降趋于稳定。

图6 地表沉降历程曲线Fig. 6 Surface subsidence curve

从图6可以看出,B-3测点沉降量最大，A-3测点次之，C-3测点沉降量最小。这是因为B-3测点位置在先行导洞正上方东侧5 m处，A-3测点位置(导洞2正上方)在先行导洞正上方西侧7.2 m处，C-3测点位置(导洞1正上方)在先行导洞正上方东侧9.5 m处。先行导洞开挖过程对横断面两侧10 m范围内的土体产生了较大的影响，在开挖过程中要提高对该区域的监测频率。

(2)为了验证管幕构筑的超浅埋棚盖防护体系的支护效果，对比分析先行导洞开挖阶段、打设管幕阶段、主体导洞开挖阶段、施作顶板阶段4个施工阶段地表沉降规律。记距开挖断面中心线距离为d,4个施工阶段下地表沉降曲线如图7所示(导洞3的位置在先行导洞西侧15 m范围之外，故图7中没有标注)，在先行导洞开挖阶段，地表最大沉降量达到40 mm，并且位于先行导洞的正上方，待管幕施作完毕后，在主体导洞开挖阶段，地表最大沉降量仅为10 mm，相比先行导洞开挖阶段地表最大沉降量减少了75%，且上部主体导洞的开挖所引起横向地表的沉降值大致符合Peck沉降曲线。由此可知，大直径管幕构筑的超浅埋棚盖防护体系对控制地表变形起到了显著的作用。

图7 4个施工阶段下地表沉降变形Fig. 7 Ground settlement and deformation under four construction stages

3.2 拱顶沉降分析

上部主体导洞拱顶沉降选取距离先行导洞较近的导洞2进行分析，由1号施工横通道向南沿导洞2开挖方向取5个测点(A-1、A-3、A-5、A-7、A-9)进行规律分析。记拱顶沉降为sy,上部主体导洞拱顶沉降历程曲线如图8所示。

图8 上部主体导洞拱顶沉降历程曲线Fig. 8 Curve of settlement history of arch of upper main guide tunnel

从图8可以看出，上部主体导洞施工阶段拱顶沉降变化趋势大致可以分为3个阶段：快速下降阶段、缓慢下降阶段和后期稳定阶段。在0～30 d拱顶出现了明显的沉降，原因是导洞开挖对地层扰动较大，但在管幕构筑的超浅埋棚盖防护体系支护下，沉降量仅为4 mm，沉降速率最大达到0.13 mm/d，经过缓慢下降阶段，至上部导洞开挖完毕，拱顶最大沉降量仅为4.5 mm，沉降速率及沉降量均符合设计要求。