浅埋暗挖地铁车站柱洞法施工方案优化分析

2020-12-16刘旭全杜宪武宋领弟

铁道建筑技术 2020年9期

刘旭全杜宪武宋领弟

(1.中铁北京工程局集团有限公司北京 102308；2.中铁北京工程局集团天津工程有限公司天津 300356)

1 引言

随着我国经济的飞速发展，城市建设速度也在不断加快，从而掀起了城市轨道交通项目的建设高潮。但是地铁往往处于闹市区，周边建筑林立，地下管网复杂，在车站施工过程中如何控制既有建筑和管网的变形沉降，确保周边建筑和车站基坑的安全稳定是关键所在[1-2]。本论文结合石家庄地铁一号线平安大街站这一工程项目的施工实践，通过工程类比法等选择了柱洞法施工方案，根据工程实际并在施工过程中不断优化原来常规柱洞法施工方案，得到了适用于复杂环境条件下的浅埋暗挖地铁车站及隧道工程的中跨先行扣拱优化施工顺序后的柱洞法施工方案，总结出了采用优化后的柱洞法施工时细粉砂地层变形规律以及控制沉降措施，对类似工程具有较强的借鉴意义。

2 工程概况

石家庄地铁一号线线路全长34.33 km，宽度22.6 m。沿石家庄市区主轴布置，是东西向骨干线路，连接主城区、高新区与正定新区。作为石家庄地铁路网中最重要组成部分的一号线，不但能够缓解地面交通压力，而且还可以有效地扩展市区的发展空间，极大地带动了市区及郊区人流、物流、交通的发展[3]。于2012年9月28日开工建设，2019年6月26日开通运营。其中平安大街车站设计为三跨两层箱形结构，车站总长248.95 m，位于中山东路和平安大街十字路口处，顺着中山东路布置。因为平安大街下方分布着大量的管线，考虑管线影响该车站中部中山东路采用单层暗挖，两个端头处两层采用明挖。明挖段设计为地下两层岛式站台车站，暗挖段长度为48 m，施工里程段落为K10＋761.7～K10＋809.7，结构设计采用单层三跨拱顶曲墙复合衬砌形式，高度为9.87 m，宽度是22.6 m，其覆土厚度约为9.1 m。

3 车站施工条件情况

3.1 周边建筑物分布情况

车站暗挖段东北侧为铁道大厦，11层的混凝土结构，距暗挖段约30 m；东南侧是原市第一招待所空地；西南侧是已完成拆迁的华北油田宾馆；西北侧为5层混凝土结构的博雅轩已拆迁；暗挖段的施工对周边建筑基本无影响。详见平安大街站平面布置示意图1。

图1 平安大街站平面示意

3.2 地下管线分布情况

车站上方分布管线主要有:1 800×2 200砖砌人防方沟，沟内底标高约7 m，与暗挖车站顶板净距约1.4 m；DN1200混凝土污水管，沟内底埋深约2.9 m，与暗挖车站顶板净距约6.0 m；DN1200铸铁上水管，管顶覆土约2.7 m，沟底与暗挖车站顶板净距约6.3 m；DN2000混凝土污水管，管内底埋深约4.4 m，与暗挖车站顶板净距约4.5 m；距车站顶板约7.45 m净距的400×300电信管，其管内底埋深约1.55 m；2 100×1 650砖砌雨污合流方沟，沟内底埋深约4.51 m，与暗挖车站顶板净距约4.3 m；DN300燃气管，管内底埋深约2.15 m，与暗挖车站顶板净距约6.9 m；DN300上水管，管内底埋深约1.73 m，与暗挖车站顶板净距约7.3 m。

3.3 工程水文地质条件

车站暗挖段地质为粉细砂层④1层、粉土⑤2层、粉质黏土⑤1层。暗挖段拱顶上下均为粉细砂层。根据地质勘察资料，地下水位埋深约45 m，车站施工未见上层滞水，未进入潜水层，但由于大气降水、管线渗漏等原因，车站场地内不排除局部存在上层滞水的可能性，因此施工时须考虑上层滞水对本工程的影响。

3.4 车站结构设计形式

车站结构形式采用单层三跨拱顶曲墙复合衬砌结构，包括扣拱、边墙、顶板主梁、钢管柱、底板主梁、底板等部分。初期支护分为喷射混凝土C25厚350 mm、双层钢筋网φ6.5＠150×150 mm、格栅钢架间距500 mm；二次衬砌为防水钢筋混凝土C40 P8，扣拱二次衬砌混凝土厚度为700 mm、拱顶厚度为600 mm、边墙混凝土厚度为600 mm、底板厚度为1 240 mm。沿车站纵向由底梁1 400 mm×2 000 mm、顶梁1 400 mm×1 800 mm组成的纵横梁体系，设有两排钢管柱，柱间间距为6.4 m，柱直径为800 mm。具体详见图2。

图2 车站结构断面图

4 地铁车站暗挖段施工方法

4.1 总体施工顺序安排

严格按照“管超前，严注浆，短开挖，强支护，勤测量，早封闭，控沉降”的施工原则，采用柱洞法施工，分步实施安全推进。为了保证暗挖施工时整体结构的安全，车站暗挖施工应在主体明挖结构施工完成后进行。对于粉细砂地层采用双重管无收缩双液注浆超前加固和管棚洞口段预支护，并分别紧邻明挖结构中板施工前后进行。明挖结构封顶后，暗挖段进洞施工。明挖段结构预留暗挖出土孔，每个出土孔安装10 t提升架的垂直提升系统。采用柱洞法进行暗挖施工时考虑设计对开挖工艺的要求，前期采用单方向进洞开挖，首先由东向西进行左右柱洞导洞掘进，待导洞初支结构施工完毕，左右柱洞导洞同时进行结构施工(底板梁、钢管柱、顶板梁)；柱洞导洞结构施工完毕，对向进行中跨开挖及二衬结构施工。中跨结构完成后，对称开挖边跨导洞和初期支护二衬结构施工。

4.2 粉细砂地层超前深孔注浆加固

结合设计支护措施，对超前小导管支护、深孔注浆支护、超前管棚支护、深孔注浆加管棚支护四种方案进行了比选分析，同时考虑到粉细砂层地质以及对既有建筑管线保护要求控制沉降，选择了深孔注浆加管棚支护方案。注浆工艺通过袖阀管注浆和双重管注浆的优缺点对比分析，并结合现场场地实际情况，本工程采用深孔双重管无收缩注浆工艺。对隧道上导坑初支外2.5 m，初支内1 m范围内进行了深孔注浆加固，并在洞口段采用φ108厚8 mm长10 m管棚超前支护，取得了较为理想的效果[4-6]。

4.3 柱洞法施工方案优化

4.3.1 优化对比方案提出

考虑到拱部混凝土施工前需切割柱洞格栅等临时支撑，造成受力体系随即发生转换，对钢管柱受力变形和地层沉降产生一定的影响。为了获得柱洞法施工对地层沉降以及车站结构受力产生哪些影响，建议对柱洞法部分施工工序顺序进行优化，在原来方案柱洞法常规施工顺序的基础上，提出了两种优化工序方案。其中方案一是中跨上导洞开挖完成后，进行中跨扣拱混凝土施工，然后开挖下部土体，最后开挖双侧导洞，即简称为中跨先扣拱方案；方案二是中跨上导洞开挖完成后，对称开挖侧导洞，最后进行中跨部分开挖，即为中跨后扣拱方案[7]。

4.3.2 方案对比分析(见图3)

图3 数值计算步骤及模型

为了减少边界条件的影响在模型中间断面设置地表监测点，地表沉降数据对比分析来看，优化方案一相对于优化方案二而言能够更好地控制地表沉降；方案一和方案二相比经计算开挖结束后车站结构的最大主应力减少了0.26 MPa，最小主应力分别减少了0.02 MPa，从而减少了车站结构破坏。详见地表沉降与开挖步距关系图4。

图4 柱洞法施工变换施工工序前后地表沉降与开挖步距的关系曲线

将设计柱洞法施工的地表沉降与变换施工工序后的方案一和方案二进行比较，地表沉降槽见图5。

4.3.3 优化方案的确定

经过以上模拟计算和对比分析，最终确定采用优化方案一，即是优化施工顺序柱洞法部分工序:先行开挖中跨导洞上断面，等到上断面贯通且沉降监测稳定后，再施工中跨扣拱混凝土。随后在顶板混凝土强度达到设计要求，再适时进行中跨导洞中台阶和下台阶的开挖[8]49。详见图6。

图5 柱洞法施工变换施工工序前后地表沉降槽图

图6 施工顺序优化对比

5 监控量测分析

5.1 测控量测点位布置

结合暗挖段上方管线分布情况，设计了监测点位布置图。其中管线监测点沿横断面方向布置，施工期间共布设管线监测点90个、地表监测点23个。地表沉降监测在左右柱洞中线上方各布置1排监测点，左柱洞上方监测点编号为 DB3-1、DB4-1、DB7-1、DB8-1，右柱洞上方监测点编号 DB4-2、DB5-2、DB7-2、DB8-2。

5.2 管线沉降数据统计分析

根据现场实际监控量测数据，为了总结优化后柱洞法施工中管线在各施工阶段沉降变化规律，现选取DN2000 mm雨水管为代表进行统计分析，得出沉降变化规律见图7。

从各管线的沉降变化曲线和变化规律可以看出，在各施工阶段因受管线类别、材质、埋深及超前预注浆、施工过程控制程度等影响，各管线的沉降变化值有所不同。但总体上看，在柱洞施工阶段沉降值均较大，介于35% ～55%之间[8]65。

图7 沉降变化曲线(以GX7-5监测点为例)

5.3 地表沉降变化规律

根据监测点布置图，管线监测点沿横断面方向布置，反映了横断面方向上管线的变化情况。为分析暗挖纵断面方向上的变化规律，在暗挖上方布置2排监测点，分别位于左右柱洞的上方，选取左柱洞上方监测点 DB3-1、DB4-1、DB7-1、DB8-1，右侧柱洞上方监测点 DB4-2、DB5-2、DB7-2、DB8-2，共 2 组8 个监测点分析地表监测点在各施工阶段的沉降变化规律。

图8 沉降变化曲线(以DB4-1监测点为例)

由图8分析可以得到，在柱洞施工阶段沉降量约为总沉降量的50%，中跨、边跨施工阶段的沉降变化值较小，所以在施工过程中更应采取措施加强柱洞开挖时沉降量的控制。同时从以上监测点在柱洞开挖阶段的沉降数据统计分析中获得的以下规律:当开挖到距监测点位置长度范围为1.4～1.6倍的洞径时(施工时间间距约为1周)，该阶段地表的沉降速率较大(沉降值在3.5～5.0 mm之间)；当小导洞开挖完成以后地表的沉降速率趋于平缓，沉降值在(1±0.5)mm上下浮动，基本趋于稳定[9-11]。