長春地鐵1號線解放大路站一次扣拱暗挖逆作法施工地表沉降分析與控制

李春奎

(中鐵十八局集團有限公司，天津 300202)

0 引言

現有地鐵暗挖施工工藝中，傳統的CRD法存在著施工步序較多、易造成地表沉降大，且后期破除量大等不足［1］，20世紀90年代形成的PBA法又面臨導洞斷面小、工序多、不利于施工操作和組織、工期相對較長等問題［2］。2005年，由北京城建設計研究總院黃美群等針對PBA法和CRD法的不足改革創新，結合工程實踐，提出一種新的用于修建大型地下建筑工程的暗挖工法——一次扣拱暗挖逆作法，并于2008年在北京地鐵10號線黃莊站成功應用，該工法具有地面沉降及群洞效應控制顯著、結構受力轉換次數少、作業空間大和施工速度快等特點［3］。在東北地區，采用同樣技術建造的沈陽地鐵1號線青年大街站也于2010年9月底正式通車運營。2011年，該技術再次應用于長春市地鐵1號線解放大路站。文獻［4］介紹了已成功修建的沈陽地鐵一期工程青年大街站施工技術，結合施工前的數值模擬及施工中的監控量測實測數據，對多跨地鐵車站扣拱施工過程地表沉降特征進行分析，得出扣拱施工是PBA工法中的關鍵性工序。文獻［5］分析了北京黃莊站存在的主要風險是地表沉降引起的地下管線破壞，采用FLAC3D軟件模擬分析了一次扣拱暗挖逆作法施工車站主體結構引起的地表沉降及規律，采取工程措施后，將工程實際監控量測結果與計算分析結果進行了對比分析，并得出結論。本文通過總結和分析解放大路站施工中的地表沉降，找出一次扣拱暗挖逆作工法在我國東北地層條件下的沉降規律，總結分析工法實施過程中的地表沉降原因，改進思路，提出有效控制措施，為進一步完善和發展城市軌道交通工程暗挖工法提供借鑒和幫助。

1 工程概況

1.1 結構概況

長春市解放大路站位于人民大街與解放大路十字路口交匯處，為地鐵1號線和2號線的換乘車站。1號線主體為雙層三跨拱頂直墻結構，結構凈空尺寸為21.8 m(寬)×14.9 m(高)，拱部覆土厚度 8.5～9.5 m，采用一次扣拱暗挖逆作法施工。

1.2 地質及水文情況

場區地層由第四系全新統人工填土層、第四系中更新統沖洪積黏性土、砂土和白堊紀泥巖組成。

現場勘查過程中，發現3層地下水:第1層為表層孔隙潛水;第2層為淺層承壓水，均屬于第四系松散巖類孔隙水;第3層為巖石裂縫水，屬碎屑巖類裂隙水。施工前，通過在開挖輪廓線外3 m設置間距為6 m的降水井進行施工降水，達到無水作業的暗挖環境。

1.3 施工總體情況

根據總體工程部署，1號線車站劃分為北段和南段2個段落分別單獨施工，其中北段60 m任務自2012年9月10日開始導洞開挖，至2013年10月20日結束，共用時405 d(含1個冬休期61 d)。各階段施工時間見圖1。

圖1 各階段施工時間Table 1 Construction schedule

1.4 導洞施工順序現場調整

按照一次扣拱暗挖逆作法原設計圖紙要求，車站導洞施工順序原為先下后上，先邊后中，具體施工步序見圖2。由于前期征遷滯后，為合理縮短工期，方便施工快速組織，同時根據實際地層條件結合理論數值模擬結果，現場決定改變原方案，將導洞開挖順序調整為先上后下，先邊后中。調整后的導洞施工順序見圖3。

2 一次扣拱暗挖逆作法地表沉降規律分析

2.1 沉降點布設情況及特征點沉降規律分析

解放大路站1號線車站主體北段60 m任務段落(圖4黑色粗體方框內區域)地表共布設52個沉降監測點(點位布設見圖4)，從導洞破除馬頭門開始進行監測，截至中跨拱部結構混凝土施工完畢(圖2中第④步施工完畢)時，沉降最大值為85.46 mm(78a號監測點，剖面位置見圖3)，其縱向位置在中跨拱頂地表距風道口40 m處，同樣含有該點的5號橫斷面也沉降最大。78a號監測點沉降曲線及沉降分配餅圖見圖5。

從圖5可以看出，地表在邊跨導洞開挖(見圖3)及中跨導洞開挖(圖2第④步)施工期間，發生的沉降較大，分別占到總沉降量的59.14%和16.67%，合計達到75.81%。同時，由于黏土的變形滯后效應，在未施工的冬休期間，地表仍然發生了一部分沉降，這部分沉降排在第3位，占到總沉降量的8%。而最初在計算機模擬過程中，由于邊跨結構二次襯砌施工(圖2第②、③步)需要對導洞中隔壁支護進行拆換，此時造成的較大地表沉降在實際施工中并未明顯發生。

圖2 一次扣拱暗挖逆作法施工步序圖Fig.2 Sequence of top-down construction method under protection of cast-in-situ arch specified in original design

同時也可看出，一次扣拱暗挖逆作法的優勢在于結構混凝土施工全過程對地表沉降控制較好，優于傳統CRD法和PBA法。

圖3 調整后的導洞施工順序圖Fig.3 Optimized pilot tunnel construction sequence

圖4 1號線車站主體北段60 m段落地表沉降監測點布設圖(單位:m)Fig.4 Layout of ground surface settlement monitoring points(m)

圖5 78a監測點累計地表沉降曲線及分配餅圖Fig.5 Ground surface settlement measured at No.78 monitoring point

2.2 沉降規律分析

經統計，全部52個地表監測點中，累計沉降小于30 mm(目前北京市標準斷面暗挖區間隧道驗標規定值)的點數為5個，占總點數的9.6%，小于60 mm(設計圖紙規定值，含累計沉降小于30 mm的點數)的點數為26個，占總點數的50%，大于等于60 mm的點數為26個，為50%。

通過對所有地表點進行分析，得到沉降擬合云圖，見圖6。

圖6 地表沉降擬合云圖Fig.6 Contour of fitting of ground surface settlement

從圖6中可以看出:

1)車站結構正上方的區域(車站中心線左右各12 m范圍內)沉降最大，均達到60 mm以上，大于車站拱部覆土厚度2倍(左右各20 m)以外的地面沉降，基本在30 mm以內;

2)車站縱向(施工方向)地表沉降差異相對較小(＜20 mm)，橫向基本對稱;

3)邊跨拱部二次襯砌結構形成后，不但能夠抑制車站邊跨上方地表沉降，亦能在中跨土體開挖過程中，有效控制中跨上方的土體沉降，即最終形成的沉降槽底部為平底，而不是鍋底(見圖6及圖7)。

圖7 5號橫斷面沉降曲線圖Fig.7 Curve of ground surface settlement of No.5 cross-section

2.3 沉降原因分析

除降水導致土體變形外，一次扣拱暗挖逆作法施工地表沉降主要有以下原因:

1)土方開挖造成土層凌空，產生土體沉降，繼而傳遞至地表，引起地表沉降。

2)導洞初期支護未密貼土體，造成間隙，引起土層沉降。

3)導洞開挖中的群洞效應。由于本工法共采用4個大導洞，導洞間距小于1倍洞徑，致使上下層導洞及左右近鄰導洞施工時沉降疊加效應明顯。但同時由于導洞間存在一部分土體，相對CRD工法來講，沉降傳遞受到部分阻隔，所以導洞開挖期間的沉降能夠得到較好控制。

4)由于導洞斷面較大，采用雙側壁或中隔壁法進行施工，在進行結構混凝土施工時需對臨時的中隔壁支撐進行拆除，此時，拆撐的段落劃分及時機就極為重要。解放大路站根據監測情況，將拆撐的長度定為10 m/循環，由內向外逐段拆除，沉降控制較為理想。

5)除施工工藝外，施工速度對于地表沉降的影響亦不可忽視。

3 控制地表沉降采取的相應措施

1)加快初期支護施工速度，減少開挖面凌空面積和時間，盡早進行支護背后回填注漿(宜控制在3 m之內)，并根據沉降監測，進行反復回填注漿，減小支護背后間隙。

2)根據地層合理安排導洞施工順序，并確定各小導洞施工步距。在上下層導洞施工順序上，究竟是先上后下，或是先下后上，通過計算機模擬以及在北京和長春的實踐證明，兩者造成的最終地表沉降差異不大，可以根據地質條件及現場施工環境要求進行選擇。

3)為減小上下層導洞施工造成的沉降疊加效應，應針對層間土體采用超前深孔注漿進行有效注漿加固，減小沉降傳遞。

4)結構混凝土施工中，合理確定中隔壁拆撐段落長度和時機，不宜過長和過早拆撐。在類似本車站所在底層的條件下，拆撐長度宜控制在9～11 m，待前一模結構混凝土澆筑完畢后，進行下一循環拆撐工序。

5)不論是導洞施工階段還是二次襯砌結構施工階段，都應合理加快施工進度，盡早形成拱部襯砌結構，有效抑制地表沉降風險。

4 結論與體會

綜合以上分析，一次扣拱暗挖逆作工法由于導洞斷面較大，同時簡化了拆撐工序，使得拱部襯砌結構一次形成，因而有效地減小了結構混凝土施工過程中的地表沉降。從本工法在長春地鐵1號線解放大路站施工過程中造成的地表沉降規律特點來看，地表沉降控制的重點仍是導洞土方開挖環節，這與本工法在北京黃莊和沈陽青年大街站應用中的規律基本相似，稍有區別的是以下2點:1)解放大路站底層導洞位于第四系白堊紀強風化泥巖層，相對北京和沈陽來說，工程地質較好，能有效地減少沉降對地表的影響;2)由于長春地區地處嚴寒地區，存在冬休期(建設單位提出)，雖然處在停工期，但由于黏土層變形的滯后效應，致使地表仍在沉降。因此，加強在導洞施工時段內的地表沉降控制是本工法應用成敗的關鍵，施工中必須嚴格遵循“十八字”方針，加強初期支護系統的工藝質量控制。

建議在高緯度嚴寒氣溫條件下，盡量合理安排工序時間，將導洞開挖直至中跨拱部二次襯砌結構結束的這段時間，安排在一年的有效施工期內，避開冬休期，連續作業，同時，施工中應合理加快施工進度，有效控制地表沉降，確保地表管線及地面行人及行車安全。

［1］ 傅春青.城市暗挖大跨地鐵車站“洞柱法”施工沉降控制措施［J］.隧道建設，2007，27(S2):465 －470.(FU Chunqing.Control measures for ground settlement during station construction with tunnel-column method［J］.Tunnel Construction，2007，27(S2):465 －470.(in Chinese))

［2］ 郭永軍.地鐵暗挖車站“PBA”洞樁法施工技術［J］.科技情報開發與經濟，2006，16(2):291 －292.(GUO Yongjun.The“PBA”cave-pile construction technique used in the underground excavation of the subway station［J］.Scitech Information Development ＆ Economy，2006，16(2):291 －292.(in Chinese))

［3］ 黃美群.一次扣拱暗挖逆作法修建地鐵車站新技術［J］.都市快軌交通，2009，22(6):66 －71.(HUANG Meiqun.Technology of top-down bored excavation with cast-in-situ arch for Metro station construction［J］.Urban Rapid Rail Transit，2009，22(6):66 －71.(in Chinese))

［4］ 曾冰海.洞樁法(PBA)暗挖多跨地鐵車站扣拱施工［J］.隧道建設，2010，30(4):456 －460.(ZENG Binghai.Arch lining construction of mined multi-span Metro station construction by PBA method［J］.Tunnel Construction，2010，30(4):456 －460.(in Chinese))

［5］ 李松梅.北京地鐵黃莊換乘站新型暗挖施工地表沉降綜合控制技術［C］//中國土木工程學會第十五屆年會暨隧道及地下工程分會第十七屆年會論文集.昆明:中國土木工程學會、中國土木工程學會隧道及地下工程分會，2012.