軟弱地層中某地鐵車站明蓋挖結合施工沉降研究

□文/高利立 袁 偉

軟弱地層中某地鐵車站明蓋挖結合施工沉降研究

□文/高利立 袁 偉

地鐵車站施工中根據地層、功能要求等選擇合適的施工方法對施工質量和安全有重要作用。而因周邊環境、交通導行等條件限制時，須選擇明蓋挖結合等特殊工法，當前對明蓋挖結合施工的研究大都是在較好地質條件下，而在軟弱地層條件下較少。文章依托天津地鐵某車站實際工程，通過變形計算、施工監測，綜合分析研究得出在軟弱地層條件下明蓋挖結合車站施工中會導致明蓋挖段之間產生較大的不均勻沉降，對不均勻沉降規律進行總結并結合車站施工工藝提出控制建議。

軟弱地層；明蓋挖結合；沉降；地鐵；車站

車站是地鐵系統非常重要的組成部分，車站位置、環境條件、設計合理性、施工質量對地鐵安全運行有關鍵作用。施工時，根據車站特征、地質情況、功能要求選擇合適的施工方法是重中之重。常見的施工方法有明挖法、蓋挖法、新奧法、盾構法等，有時因環境條件、交通導行等因素影響，選擇明蓋挖結合方法。

國內外對上述每種工法都做過非常深入的研究并取得了大量而豐富的科研成果和工程實踐經驗。對明蓋挖結合的施工方案研究也有一定的成果，但大都是在地質條件良好的情況下，而對軟弱地層條件下兩種工法結合施工的研究則少見，也沒有成熟的理論和經驗指導類似工程的設計和施工。

1 工程概況

1.1 基本概況

天津地鐵某車站位于新開路與華昌道交叉路口，在道路交口四角設4個出入口，在東南、西南兩側設兩組風亭，站區范圍地面建筑物較密集。該車站為地下2層島式站臺車站，采用一柱兩跨框架式結構。車站總長度182.2 m，其中西側蓋挖段長124.8 m，東側明挖段長57.4 m，標準段寬度為20.5 m，兩端盾構井寬度為25.3 m，基坑開挖深度17.5 m。車站在西側新開路道路紅線內的結構采用蓋挖逆作法施工，其余采用明挖順作法施工。先期施工的西側蓋挖段結構頂板中柱采用鋼管柱，盾構井段為φ800 mm，標準段為φ1000 mm；鋼管柱兩側各設有一排φ1000 mm臨時立柱，支撐蓋挖段結構頂板，蓋挖段結構完成后拆除。車站主體側墻采用結合墻形式，設計為800 mm厚地下連續墻和600 mm厚鋼筋混凝土內襯。

1.2 地質概況

車站擬建場區地層為第四系全新統人工填土層、第Ⅰ陸相層、第Ⅰ海相層、第Ⅱ陸相層、第Ⅲ陸相層、第Ⅱ海相層、第Ⅳ陸相層、第Ⅲ海相層、第Ⅴ陸相層、第Ⅳ海相層。以粉土和粉質粘土為主，地基承載能力較差。

表層地下水類型主要為第四系孔隙潛水，表層地下水類型為第四系孔隙潛水，埋藏較淺，勘測地下水埋深0.9～2.6 m，主要賦存于第Ⅰ海相層的粉土、粘性土與粉土互層的地層中，含水層水平、垂向滲透性差異性較大，局部夾有粉砂薄層地帶。主要含水層顆粒較細，水力坡度較小，徑流緩慢；第Ⅱ、Ⅲ陸相層及以下的粉土、粉細砂層地下水具微承壓性。微承壓水以第Ⅱ陸相層的湖沼相沉積⑤1、⑥1層粉質粘土為相對隔水頂板，地鐵工程影響范圍內微承壓水主要賦存于⑥2層粉土、⑥3層粉砂、⑦2層粉土、⑦3層粉砂、⑦4層細砂中，以⑥1、⑦1層為相對隔水層。主要接受上層潛水的滲透補給，與上層潛水水力聯系相對緊密，排泄以相對含水層中的徑流形式為主，同時以滲透的方式補給深層地下水。

2 明蓋挖結合施工不均勻沉降研究

2.1 不均勻沉降計算分析

結構、土層發生位移和變形能集中體現施工過程中車站結構及周邊土層變化情況，針對明蓋挖結合車站的特點及施工過程，運用荷載-結構模型對車站明蓋挖結合施工過程進行計算，選取車站中的鋼管柱和地連墻作為差異計算分析對象。通過對明挖段、蓋挖段在施工階段和使用階段的相關點位理論沉降計算值進行綜合分析，初步明確軟弱地層明蓋挖結合施工所引發的主要工程問題。

1）計算模型及條件。主體結構主要尺寸按實際設計確定，柱截面直徑φ1000 mm，頂板、站廳層板、底板厚度分別為 950、450、1000 mm，側墻厚為 600 mm（標準段）和800 mm（盾構井段），頂板縱梁、中縱梁、底板縱梁尺寸分別為 1200 mm×2000 mm、1200 mm×850 mm、1200 mm×1200 mm。

車站結構計算模型為支承在彈性地基上的對稱平面框架結構，底板用土彈簧模擬土體抗力。按實際施工方法考慮基本水平及豎向荷載，模擬開挖、回筑和使用階段受力狀況，按最不利內力進行計算。中柱根據等效EA原則換算成厚為0.09 m的墻。假定圍護結構與主體結構之間只傳遞法向壓力。

計算中，各類荷載及參數取值按照勘察資料及地鐵設計規范取值，土體重度γ取20 kN/m3，設備荷載取8 kN/m2，地面超載取20 kN/m2。側壓力計算中，粘性土水土合算，砂性土水土分算。地下水位取-1.5 m。荷載組合與分項系數根據相關規范規定，按結構在施工階段和使用階段可能出現的最不利情況進行荷載組合。計算基本模型見圖1。

2）計算結果。利用SAP2000軟件進行蓋挖逆作施工模擬，考慮各階段荷載作用的特點，分析施工階段和使用階段的變形特征。施工階段對蓋挖段和明挖段地下連續墻的累積沉降值進行計算分析，使用階段對明挖段和蓋挖段的頂板、底板沉降進行計算分析。

212例胸部CT均為GE HD680上按胸部CT常規平掃，參數選用120KV，100～500mA，螺距1.375：1，球管轉速0.35S/圈，螺旋掃描，視野為large?？v膈窗（窗寬350，窗位40）采用soft重建，5mm層厚，5mm層間距，迭代90%。肺窗（窗寬1500，窗位-700）采用lungs重建，0.625mm層厚，0.625mm層間距，迭代90%。再選擇3名有經驗的醫生根據胸部 CT 平掃左心室區密度與室間隔區密度對比減低來推測患者是否貧血并記錄下來。

（1）施工階段。蓋挖段地連墻最大沉降30.2 mm，明挖段地連墻最大沉降199 mm。說明在軟弱地層采用明蓋挖結合施工所導致的周邊地層差異沉降為168.8 mm。

（2）使用階段。蓋挖段頂板最大沉降5 mm，底板最大沉降2 mm；明挖段不考慮地基加固時，頂板最大沉降7.7 mm，底板最大沉降6.5 mm?？紤]地基加固時，頂板最大沉降4 mm，底板最大沉降3.2 mm。

計算結果說明，在軟弱地層中，同一車站采用明蓋挖結合方法施工時，明挖段與蓋挖段不僅在施工階段存在差異沉降，在后期使用階段仍然存在差異沉降。同時在車站蓋挖段頂板與底板產生的較大差異沉降，導致蓋挖部分車站結構內部產生變形，影響結構安全。而考慮了蓋挖部分車站的變形協調，在坑底進行旋噴加固，計算結果顯示減少了差異沉降，保持了變形協調一致。

2.2 監測數據研究

為更明確分析以上問題，在車站施工時，分別對車站明挖段和蓋挖段布設監測點，進行施工沉降監測。

1）明挖段沉降監測點。根據監測點數據大小的范圍分布，排除奇異數據點，選取N-FC1和S-FC5兩點位的監測數據進行分析，見圖2。

2）蓋挖段沉降監測點。根據各監測點數據大小的范圍分布，排除奇異數據點，選取1-2、1-5和1-6三個點位的監測數據進行分析，見圖3。

3）綜合分析。監測數據顯示，靠近明蓋挖結合處的N-FC1點沉降值較大，而距離結合處較遠的S-FC5沉降則較小，施工過程中最大差異沉降約為160 mm。明挖法施工時周邊土體最大沉降量達到271 mm，蓋挖法最大沉降為33 mm。說明蓋挖法施工產生的周邊土體沉降遠遠小于明挖法產生的沉降且在明蓋挖結合處會產生極大的不均勻沉降。故在明蓋挖施工過程中，應通過各種技術措施控制施工沉降，盡量減小明挖法的施工沉降值，從而降低明蓋挖施工產生的不均勻沉降問題。

3 明蓋挖結合施工工藝

考慮在軟弱地層中采用明蓋挖相結合施工的不均勻沉降控制，基坑開挖順序可擬定為蓋挖段站廳層土方開挖→明挖段土方開挖→蓋挖段站臺層土方開挖，見圖4。

1）蓋挖段站廳層土方開挖順序。首先開挖明蓋挖分界處明挖段土方，縱向長度21 m，深度7.1 m，明挖側按1∶2坡度放坡，此步開挖主要是為進入蓋挖段站廳層施工提供作業面。蓋挖段站廳層土體分兩層開挖，上層土體高度為3.5 m，由東向西水平開挖。到達車站西端頭后，反方向由西向東水平開挖蓋挖段站廳層下層高度為2.1 m的土體，人工配合清底找平，及時施工地?；炷练忾]基坑，分段施工中板及側墻。

2）明挖段土方開挖順序。明挖段土方開挖采取水平分層的順序，配合鋼支撐的安裝，總體分三步施工。第一步：蓋挖段站廳層土方開挖完成后，破除明挖段路面后安裝第一道鋼支撐，開挖至第二道支撐以下0.5 m，安裝第二道鋼支撐。第二步：繼續開挖至第三道支撐以下0.5 m，安裝第三道鋼支撐。第三步：繼續開挖至基坑底，人工配合清底找平，及時安裝第四道鋼支撐，施工墊層混凝土封閉基坑，分段施工底板和側墻結構。

3）蓋挖段站臺層土方開挖順序。當蓋挖段站廳層結構混凝土強度滿足設計要求后，開挖蓋挖段站臺層土方。蓋挖段站臺層設計有一道水平鋼支撐，土方需分四層開挖。第一層開挖3.0 m，由東向西水平開挖；第二層反方向由西向東開挖1.5 m，隨開挖由西向東及時安裝鋼支撐；第三層開挖3.0 m，由東向西水平開挖；第四層由西向東開挖剩余約1 m土方，人工配合清底找平，及時施工墊層混凝土封閉基坑，分段施工底板及側墻。

4 結論

1）明蓋挖結合施工不均勻沉降計算結果與現場監測數據均顯示，軟弱地層中明蓋挖結合施工中會導致較大不均勻沉降的發生，明挖段施工的沉降均大于蓋挖段施工且在明蓋挖結合處會產生極大的不均勻沉降。

2）對車站蓋挖段施工，車站基坑底板的沉降比頂板沉降大，導致蓋挖部分車站結構內部產生變形，影響結構安全。施工中采取在坑底進行旋噴加固的方法控制基坑底板沉降，有效地控制了蓋挖法施工底板的沉降。

3）在軟弱地層中采用明蓋挖結合施工車站，施工時綜合研究施工方法并應嚴格控制明蓋挖法施工的各項施工工序要采取注漿、旋噴等土體加固手段控制沉降，以協調明、蓋挖段之間的差異沉降以及蓋挖段頂板與底板的差異沉降，同時應在車站結構防水方面需研究采取針對性措施。

［1］徐安軍，周生華，羅發揚.超深基坑施工變形的預測與控制[J].建筑施工，2004，26（3）：200-202.

［2］高 江.城市地鐵車站施工方法選擇研究[J].工程施工技術，2009，（9）：134-137.

［3］宋順龍，章曉鵬，李文波.新型蓋挖法在上海地鐵車站的應用[J].都市快軌交通，2009，（6）：79-83.

［4］臧小龍.蓋挖法在地鐵車站施工中的應用前景分析[J].山西建筑，2008，34（28）：269-270.

［5］JGJ 94—2008，建筑樁基技術規范[S].

□袁 偉/天津市地下鐵道集團有限公司。

U231+.4

C

1008-3197（2012）06-25-03

□課題項目：天津市建交委科學技術計劃項目（2008-26-2）

2012-11-09

高利立/男，1987年出生，助理工程師，碩士，天津市地下鐵道集團有限公司，從事地鐵工程技術管理工作。