地鐵車站附屬工程仰挖施工風險及控制措施研究

徐　凌， 羅富榮

(北京市軌道交通建設管理有限公司， 北京　100068)

?

地鐵車站附屬工程仰挖施工風險及控制措施研究

徐凌， 羅富榮

(北京市軌道交通建設管理有限公司， 北京100068)

摘要：地鐵車站附屬工程爬坡段仰挖施工大多是在工期、進度等壓力下被動采用的一種施工方法，施工風險比較大。為降低施工風險，確保安全，須從設計、施工及管理等方面嚴格管控。以北京地鐵7號線暗挖車站10處仰挖附屬工程為依托，在對比分析地鐵車站附屬工程各類施工方法優缺點的基礎上，系統研究了仰挖施工的技術及管理措施，分析了仰挖施工的工程進度與地表沉降規律。監測結果表明，在綜合采取設計、施工及現場管控措施后，仰挖施工在安全風險及對周邊環境影響方面得到了有效控制，地表沉降控制效果較好。

關鍵詞：地鐵車站； 爬坡段； 仰挖施工； 風險管控

0引言

城市地鐵車站因為要考慮乘客集散及客流問題，大都設在繁華地段，周邊環境比較復雜，施工受市政管線和周邊建(構)筑物的影響比較大，故其附屬工程(出入口及換乘通道)大多采用暗挖法施工。傳統施工順序是利用明挖段或既有結構提供的作業面，由上而下向車站端方向進行俯挖施工，該施工順序風險相對較小，但工期受到明挖段制約，施工對既有結構干擾大。若利用車站端提供的作業面，由下而上向靠近地面端的明挖段或既有結構進行仰挖施工，此時暗挖段施工可以和明挖段建筑物拆遷或管線改移平行作業，能縮短工期，且施工對既有結構干擾小，但這種方法施工風險比較大。

文獻[1-5]分析了淺埋暗挖施工工序及沉降規律，文獻[6-11]分析和總結了城市淺埋隧道施工及地鐵車站施工對周邊環境的影響及沉降規律，陳林杰等[12]總結了淺埋暗挖車站的開挖方法，羅富榮等[13]分析了北京地鐵6號線一期工程建設中的仰挖施工情況，鄭毅等[14]研究了淺埋暗挖法施工對地層的擾動。伴隨著國內城市地鐵建設的迅速發展，城市繁華區域內暗挖地鐵車站越來越多，為盡可能在較短的時間內實現地鐵線路通車，緩解交通擁堵，地鐵車站斜通道的仰挖施工將不可避免。

本文結合北京地鐵7號線10處仰挖工程，通過對地鐵車站附屬工程施工方案的對比分析，系統研究了仰挖工程設計、施工與安全管理要點，并對仰挖施工的工程進度與地表沉降規律進行了分析，以期為今后類似工程的設計、施工與管理提供借鑒。

1附屬工程施工方法對比分析

表1為地鐵車站附屬工程分別采用明挖、俯挖和仰挖方式開挖的對比分析。總體而言，明挖法雖然施工風險小，但會涉及到占地及管線改移等問題，對工期影響較大； 俯挖施工不受占地、交通導改影響，但是工期受明挖段制約，風險相對較小； 仰挖施工受明挖段影響小，可與出入口的地面設施等同步施工，平行作業，從而大大減少工期，但仰挖施工風險大，需從設計、施工及管理方面進行嚴格管控。因此，施工工法的選擇應從周邊環境、施工工期及施工風險等方面進行綜合考慮，如有可能，應盡可能創造條件采用明挖或者俯挖施工。

表1　3種施工工法對比分析

與明挖及俯挖施工相比，仰挖施工存在的主要安全風險有： 1)施工段所處地層(雜填土類)穩定性差，土體容易因失穩而塌方，尤其是拱頂上方及兩側邊墻易失穩坍塌； 2)施工段仰角一般為26～30°，人員上下及拱架格柵等初期支護材料運輸比較困難，若防護和安全措施不到位，易引起人員和材料的滑落，造成不必要的傷害； 3)由于存在仰角，施工通風不暢，且掌子面聚集熱空氣，作業環境易造成施工人員不適，引發安全事故，如長期處于該環境下，則容易引發職業病。

采取仰挖施工的主要原因有： 1)換乘車站施工時，新建車站與既有車站間修建換乘通道，新建車站標高比既有車站低，既有車站在運營中無法提供開口施工的條件，且地面無新增豎井的條件； 因此，只能從新建車站向既有車站仰挖施工換乘通道。2)新建出入口地面征地困難，無法及時提供作業面進行暗挖通道施工，從車站提供作業面向外施工時，即面臨仰挖施工。

2仰挖施工安全控制技術

2.1工程概況

北京地鐵7號線穿過繁華中心城區，周邊環境復雜，在眾多車站附屬結構(出入口及換乘通道)施工過程中，存在建筑物拆遷、管線改移或場地協調困難等問題，嚴重制約了工期。為此，在總計77處附屬工程中有10處改為從車站內部向外進行仰挖施工，為地面建筑物拆遷、管線改移贏取時間。仰挖段所穿越的地層以粉質黏土、粉細砂、中粗砂層及圓礫卵石層為主，地層穩定性差，見表2。仰挖角度基本都在26～30°，挑高高度基本都在4～11 m。仰挖施工示意圖見圖1。

仰挖施工過程中由于從下向上施工，坡度較大，造成初期支護格柵鋼架運輸及架設時操作困難，人員上下及掌子面就位困難，掌子面核心土不易留設，且熱空氣向上方匯集后不易排出，掌子面溫度較高等，這些問題如不解決，則無法安全地進行仰挖施工。為解決坡度較大而造成的人員上下及運輸困難問題，在已經施工完畢的地段設置人行臺階，以利于人員上下及物資運輸。在掌子面附近安裝小型作業平臺，解決人員就位問題。采取全斷面注漿加固地層，可適當縮小掌子面核心土，洞內增設風機，加大通風力度，降低掌子面溫度。

2.2擴大超前注漿范圍

車站附屬工程所穿越的地層以粉質黏土、粉細砂、中粗砂層及圓礫卵石層為主，地層穩定性差，土體容易因失穩而造成塌方，為此必須實施超前注漿加固。在俯挖段，一般要求采用深孔注漿，注漿范圍為拱部與側墻開挖輪廓線外1.5 m、拱部開挖輪廓線內0.5 m。針對仰挖工程，考慮到拱頂上方土體更易失穩坍塌，為此將深孔注漿范圍在俯挖段的基礎上增加了①、②部洞室的全斷面注漿，如圖2所示。

北京地鐵7號線車站附屬仰挖段超前深孔預注漿方式為WSS后退式分段注漿，采用的設備為ZLJ-150二重管鉆機和SYB-60/60型雙液注漿泵，注漿材料為水泥-水玻璃雙液漿，注漿加固每循環長度為8～10 m，每循環之間預留2 m作為止漿墻，注漿壓力一般為0.8～1 MPa。從開挖后揭示的掌子面情況來看，深孔注漿達到了預期效果，見圖3。

表2　北京地鐵7號線車站附屬工程仰挖段匯總表

圖1　仰挖施工示意圖

圖2　仰挖段超前深孔注漿范圍及開挖步序(單位： mm)

Fig. 2Advance deep-hole grouting scope and excavation steps of down-top excavated section (mm)

2.3調整導洞開挖順序

出入口和換乘通道仰挖段斷面型式一般為直墻拱頂結構，采用CRD法進行施工，因仰挖施工風險最大的階段是最上層2個洞室的開挖，根據CRD工法的特點，上部2個洞室拱部為土層，下層洞室的拱部為上層洞室的結構底板； 因此，從開挖風險上分析，在開挖過程中容易引起坍塌的風險主要集中在上部2個洞室。對上部2個洞室采取深孔注漿措施進行加固，為了施工的連續性，減少后續施工風險，并盡可能縮短開挖時間，對各洞室開挖順序做出調整，如圖2所示。仰挖施工順序為： 先對①、②部及開挖輪廓線外的范圍按設計要求進行深孔注漿加固，而后開挖上層的①部，待①部開挖完成后再開挖②部，待②部開挖完成后再依次開挖③、④、⑤、⑥部。

圖3　仰挖段開挖7 m后的掌子面

2.4改進格柵縱向連接

仰挖段施工時，由于相鄰的2榀初期支護拱架所處的斷面不在同一高度，如采用傳統的縱向連接方式進行連接，將無法滿足內外雙排布置，且連接筋與初期支護拱架間無法形成可靠連接，將導致初期支護結構整體支護能力減弱。針對仰挖這種特殊情況，為達到內外連接筋雙排布設，并與格柵形成可靠連接，施工時將傳統形式的縱向連接筋改為“之”字形縱向連接筋，如圖4所示。

(a)連接筋安裝

(b)連接筋加工

2.5嚴格施工條件驗收

仰挖施工風險較大，為此在施工前與施工過程中應始終重視條件驗收工作。仰挖段施工前，由監理單位按照政府部門的文件要求組織參建各方開展施工前的條件驗收，同時，在驗收時將“地層加固土體的穩定性和止水性滿足設計要求”增列為條件驗收的主控項目，注漿效果不滿足要求的堅決不能施工。

仰挖段①、②部開挖時，掌子面每進尺2 m(即4榀)， 即進行一次施工風險評價， 重點分析監測數值有

無異常、地層加固土體的穩定性和止水性是否滿足設計要求(見圖5)以及現場通風和人員防護情況(見圖6)等。

圖5　掌子面深孔注漿效果

圖6　施工現場設置的人行步梯

3施工進度與監測數據分析

3.1仰挖工程施工進度統計分析

表3為各主要的仰挖出入口施工進度統計。由表3可知： ①、②部洞室開挖(含注漿)進度平均為0.47 m/d，即1榀/d，6個洞室開挖(含注漿)進度平均為0.74 m/d，即3榀/2d； ①、②部洞室注漿與開挖所占時間較長，約為6個洞室開挖時間的62%。

表3　各仰挖出入口施工進度統計

3.2地表沉降分析

在仰挖工程開挖時，對上方地表沉降進行了研究。近30個沉降監測點的監測數據顯示，地表沉降范圍為15～45 mm，平均沉降約為28 mm，其中10～20 mm和30～40 mm沉降范圍內的測點分別占總測點數的45%和27%，監測數據與俯挖施工引起的地表沉降結果相近，表明在設計、施工及現場管理等方面的管控下，仰挖施工在安全風險及對周邊環境影響方面得到了有效控制，地表沉降控制效果較好。

仰挖段典型測點地表沉降歷時曲線如圖7所示，各開挖階段的監測數據如表4所示。由圖7和表4可知： 仰挖段開挖前的超前深孔注漿引起地表輕微隆起，而后隨著開挖的進行，地表沉降逐漸增大，且開挖施工引起的地表沉降主要集中在最上層的①、②洞室開挖階段，該階段所產生的沉降約占6個洞室全部開挖完成后沉降的60%～70%； 第2層的③、④洞室與第3層的⑤、⑥洞室開挖產生的沉降比較接近。

圖7　仰挖段典型測點地表沉降歷時曲線

mm

4結論與討論

1)暗挖隧道工程施工一般應遵循斜通道俯挖原則，若工程受工期因素影響較大，為加快工期，在條件允許的情況下可慎重考慮仰挖方案，并綜合采取各類安全保障措施。

2)地鐵車站附屬結構仰挖施工存在較大的安全風險，應加強超前深孔注漿加固措施，確保地層注漿加固效果，合理調整各導洞開挖步序，嚴格管控現場施工作業。

3)仰挖施工時由于坡度較陡，已開挖完畢段需增加臺階方便人員上下，掌子面附近可采取小型可移動平臺供作業人員使用，并加強通風管理，加大通風量，保證作業面位置有新鮮風供應。

4)仰挖施工由于風險較大，需加強現場風險管理，定期對現場地層穩定情況、施工作業條件、監測數據等相關信息進行風險評估，確保在風險可控的狀況下施工。

5)監測數據表明，在綜合采取設計、施工及現場管控措施后，仰挖工程上方地表平均沉降約為28 mm，最上層2個導洞開挖進度為0.47 m/d，即1榀/d，所產生的沉降約占6個洞室全部開挖完成后沉降的60%～70%。

需要說明的是，本次研究未采用數值模擬方法計算分析仰挖施工對地層變形的影響，這有待在今后的研究中得到改進。

參考文獻(References):

[1]王坤, 楊會軍, 孔恒. 淺埋暗挖隧道扣拱施工影響效應分析[J]. 隧道建設, 2015，35(4)： 311-315.(WANG Kun, YANG Huijun, KONG Heng. Analysis of influence of arch construction of shallow-covered mined tunnel[J]. Tunnel Construction, 2015，35(4)： 311-315.(in Chinese))

[2]王丹, 張海波, 王渭明, 等. 拱蓋法地鐵車站施工沉降規律及控制對策研究[J]. 隧道建設, 2015，35(1)： 33-40.(WANG Dan, ZHANG Haibo, WANG Weiming, et al. Study on rules of and countermeasures for ground surface settlement in construction of Metro stations by arch-cover method[J]. Tunnel Construction,2015， 35(1)： 33-40.(in Chinese))

[3]劉軍, 荀桂富, 王剛, 等. 地鐵車站洞樁法施工方案對比研究[J]. 施工技術, 2015，44(19)： 91-93，100.(LIU Jun, XUN Guifu, WANG Gang, et al. Study on comparison of PBA construction schemes of subway station[J]. Construction Technology, 2015，44(19)： 91-93，100.(in Chinese))

[4]王承山. 地鐵出入口大管棚暗挖施工引起的地表變形信息監測與分析[J]. 土木建筑工程信息技術，2013(6)： 35-38.(WANG Chengshan. Analysis of ground surface deformation induced by excavation with large pipe-shelf in subway entrance construction[J]. Journal of Information Technology in Civil Engineering and Architecture, 2013(6)： 35-38.(in Chinese))

[5]胡海龍. 地鐵站出入口淺埋暗挖支護技術綜合應用[J]. 施工技術，2015，44(19)： 100-102.(HU Hailong. Integrated application of shallow underground excavation support technology in subway station exit and entrance[J]. Construction Technology, 2015，44(19)： 100-102.(in Chinese))

[6]李倩倩,張頂立,房倩,等. 淺埋暗挖法下穿既有盾構隧道的變形特性分析[J]. 巖石力學與工程學報, 2014(增刊2): 3911-3918.(LI Qianqian, ZHANG Dingli, FANG Qian, et al. Study of deformation characteristics of tunnels traversing adjacently under shield tunnels by shallow tunneling method[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2014 (S2): 3911-3918.(in Chinese))

[7]韓煊，劉赪煒，STANDING J R. 隧道下穿既有線的案例分析與沉降分析方法[J]. 土木工程學報，2012，45(1)： 134-141.(HAN Xuan，LIU Chengwei，STANDING J R. Structural settlement of existing tunnel caused by new tunnel excavated underneath[J].China Civil Engineering Journal， 2012，45(1)： 134-141.(in Chinese))

[8]李倩倩，張頂立，張成平. 不同埋深下暗挖隧道施工的地層響應[J]. 北京交通大學學報，2013， 37(1)： 27-33.(LI Qianqian，ZHANG Dingli，ZHANG Chengping. Study on ground response caused by undercutting subway tunnel under different overburden depths[J]. Journal of Beijing Jiaotong University，2013， 37(1)： 27-33.(in Chinese))

[9]劉波，陶龍光，丁城剛，等. 地鐵雙隧道施工誘發地表沉降預測研究與應用[J]. 中國礦業大學學報， 2006，35(3)： 356-361.(LIU Bo，TAO Longguang，DING Chenggang, et al. Prediction for ground subsidence induced by subway double tube tunneling[J]. Journal of China University of Mining & Technology， 2006，35(3)： 356-361.(in Chinese))

[10]楊會軍, 孔恒. 淺埋大跨暗挖地鐵車站施工地表沉降分析[J].鐵道工程學報，2015(5)： 81-85.(YANG Huijun, KONG Heng. Analysis of the surface subsidence during the excavating of large-span subway station under shallow cover[J].Journal of Railway Engineering Society，2015(5)： 81-85.(in Chinese))

[11]徐凌, 汪玉華. 大埋深地鐵車站洞樁法施工關鍵技術[J]. 施工技術, 2015，44(19)： 94-96，100.(XU Ling, WANG Yuhua. Key construction technology of large embedded depth subway station with PBA method[J]. Construction Technology, 2015，44(19)： 94-96，100.(in Chinese))

[12]陳林杰, 梁波, 王國喜.淺埋暗挖超大斷面地鐵車站隧道開挖方法研究[J]. 地下空間與工程學報，2013(4)： 218-223. (CHEN Linjie, LIANG Bo, WANG Guoxi. Study of excavation method for shallow-buried subway station tunnels with super-large section[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2013 (4)： 218-223. (in Chinese))

[13]羅富榮, 汪玉華，劉天正, 等. 北京地鐵6號線一期工程修建技術[M].北京： 中國鐵道出版社, 2015.(LUO Furong, WANG Yuhua, LIU Tianzheng, et al. Construction technology of the First Phase of Beijing Subway Line 6[M]. Beijing: China Railway Publishing House, 2015.(in Chinese))

[14]鄭毅,張子新. 淺埋暗挖隧道開挖方式對地層擾動優化分析[J]. 地下空間與工程學報,2014 (6): 1372-1379.(ZHENG Yi,ZHANG Zixin. Optimization and analysis of the excavation types on the shallow-buried excavation tunnel[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2014 (6): 1372-1379.(in Chinese))

Study on Risk Management and Control Technologies for Down-top Excavation of Ancillary Works of Metro Station

XU Ling, LUO Furong

(BeijingMRTConstructionAdministrationCorporation,Beijing100068,China)

Abstract:The down-top excavation method, with large construction risk, could be chosen when the construction scheme is short. The design, construction and management have to be controlled so as to guarantee the safe construction and to reduce the construction risk. In this paper, the comparison is made among the construction methods of ancillary works of mined Metro station on Line No.7 of Beijing Metro in terms of advantages and disadvantages; and then the construction technology and management technology of down-top excavation method are systematically studied. Finally, the construction scheme of down-top excavation method and the rules of ground surface settlement are analyzed. The monitoring data show that the safe construction has been guaranteed; the influence of down-top excavation on surrounding environment has been minimized and the ground surface settlement has been brought under effective control.

Keywords:Metro station; inclined section; down-top excavation method; risk management and control

中圖分類號：U 455

文獻標志碼：B

文章編號：1672-741X(2016)03-0320-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.03.012

作者簡介：第一 徐凌(1977— )，男，江蘇無錫人，2005年畢業于同濟大學，結構工程專業，博士，高級工程師，現從事城市軌道交通工程建設管理及技術創新等工作。E-mail: 94550061@qq.com。

基金項目：北京市科技新星計劃資助項目(Z121106002512086)； 北京市國有資本經營預算項目“地鐵工程建設科技創新團隊”資助

收稿日期：2015-12-21; 修回日期： 2016-03-03