淺埋暗挖車站過重大風險源施工技術研究

張 爽

（中鐵十九局集團有限公司 北京 100176）

1 工程概況

北京地鐵6號線呼家樓站位于朝陽北路和東三環路的交叉口處，沿朝陽北路下方東西向敷設。與既有的地鐵十號線呼家樓站（南北向）形成十字交叉換乘，車站穿越東三環京廣橋（樁基、連續梁）。

受既有十號線車站預留條件及場地建（構）筑物、管線、地面交通等的影響，下穿京廣橋及與既有十號線車站換乘段（75.3 m）為單層雙跨結構，采用平頂直墻結構形式，CRD工法暗挖施工。

車站暗挖段覆土8 m左右，有電力隧道、熱力隧道、給水、燃氣、污水等眾多管線。

2 地質條件

2.1 工程地質條件

本站范圍內土層自上而下主要為雜填土、粉質粘土層、粘土層、粉細砂、中粗砂層和圓礫層⑤。其中車站暗挖施工段的地層主要為粉細砂、中粗砂和圓礫層。

2.2 水文地質條件

圖1 呼家樓車站地質剖面圖

場區范圍內主要賦存二層地下潛水，其中潛水（一）含水層為圓礫卵石⑤層，水位埋深約為15.3 m，對暗挖施工有影響，施工前采用管井降水措施處置。層間潛水（二）含水層巖性為圓礫卵石⑦層，埋深為26.5 m，對暗挖施工無影響。

呼家樓車站地質剖面詳見圖1。

3 計算分析方法

3.1 暗挖工程計算參數

暗挖工程計算分析采取主要地質參數來源于本站詳勘報告。一般土層物理力學性質參數見表1。

表1 一般土層物理力學性質參數

3.2 計算方法的選擇與簡要說明

本次計算采用的軟件為ANSYS及FLAC3D。

根據這兩個軟件的適用范圍及功能，本工程采用ANSYS建模，并使用FLAC3D進行數值計算分析。

（1）計算域的確定

依據開挖斷面尺寸的大小，分別設定模型左右邊界及下邊界，上邊界取到地表。

（2）邊界條件

模型側面和底面為位移邊界，側面限制水平位移，底部限制垂直移動，模型上面為地面，取為自由面，將其作為施加附加荷載的應力邊界。

（3）計算力學模型

FLAC3D中提供了10種內嵌的材料本構模型，1種“空”模型 （NULL模型）、3種彈性模型和6種塑性模型。

本計算對隧道開挖部分的模擬就是使用NULL模型。

圍巖的計算力學模型選用Mohr-Coulomb彈塑性模型，破壞準則采用Mohr-Coulomb破壞準則，如圖2所示。

（4）荷載

模擬過程中主要考慮永久荷載，包括建筑物結構自重，地層壓力。地層壓力的初始應力場由自重產生，不考慮土體構造應力的影響。

（5）支護結構模擬

圖2 FLAC3D 中Mohr-Coulomb破壞準則

圖3 暗挖主體結構計算模型圖

施工中采取的諸如超前小導管注漿對地層的加固處理、格柵鋼架與噴射混凝土形成的臨時支護措施以及鋼筋混凝土二次襯砌都需要進行模擬分析，綜合以往經驗和軟件適應性分析，按照如下方式進行模擬分析：

①超前小導管注漿

采用提高注漿區地層的地層參數來模擬。

根據北京地區注漿試驗的經驗數據，注漿后，土體的彈性模量 50%，模擬時，按如下數值條件進行數據輸入：密度2.2 g/cm3，壓縮模量30.0 MPa，泊松比0.25，粘聚力75 kPa，內摩擦角50°。

②格柵鋼拱架+噴混凝土

采用拱殼shell彈性單元進行模擬計算。綜合設計工況及以往施工經驗，按如下數值進行輸入分析：厚度0.3 m，彈性模量17.5 GPa，泊松比0.20，密度取2.5 g/cm3。

③模筑鋼筋混凝土二襯

模筑鋼筋混凝土二襯采用彈性單元模擬。輸入數值為：彈性模量30 GPa，泊松比0.20，密度取2.4 g/cm3。

4 風險工程施工影響計算分析及施工技術措施

4.1 車站暗挖下穿地下管線

4.1.1 控制性管線描述

（1）污水管（D700）：該雨管沿東三環路呈南北走向，管內底埋深6.2 m；

（2）雨水管（DN1100）：該雨管沿東三環路呈南北走向，管內底埋深約4.02 m；

（3）雨水管（DN1100）：該雨管沿東三環路呈南北走向，管內底埋深約3.82 m；

（4）上水管（D1400）：管內底埋深約3.25 m；

（5）上水管（D1000）：管內底埋深約1.59 m ；

（6）污水管（D1250）：該污水管沿東三環路呈南北走向，管底埋深6.8 m；

（7）電力隧道（2000×2350 mm）：溝內底埋深10.0 m，在東三環路西側輔路下。

（8）熱力隧道（2700×2320）：根據東三環路東側溝底埋深10.63 m熱力管溝。

（9）中水方溝：（1280×700）：埋深：1.82 m。

4.1.2 變形控制標準

根據管線調查結果，并參考北京市軌道交通工程建設《安全風險技術管理體系》，污水管（施工期間管內無流水）允許沉降量≤20 mm；斜率≤0.0025；沉降速率≤3 mm/d； DN500中壓燃氣管為有壓管線，其沉降控制標準為：允許沉降量≤10 mm；斜率≤0.002；沉降速率≤2 mm/d；電力溝：允許位移控制值≤30mm，傾斜率控制值≤0.004，變形速率控制指標為≤1.5mm/d；熱力溝：允許位移控制值≤10mm，傾斜率控制值≤0.002，變形速率控制指標為≤2mm/d。

4.1.3 計算分析

主體結構標準斷面其計算如圖3所示：

經過計算，由圖3可以看出，暗挖主體結構地面最大沉降為35 mm，難以滿足管線最小位移控制標準，因此采用半斷面超前注漿加固，以有效控制地面沉降，保證管線安全。

4.1.4 施工技術措施

綜合考慮車站上方的雨水、污水、上水、熱力、電力隧道等管線，隧道施工針對上方管線采取以下保護措施：

（1）施工前對管線的滲漏情況進行詳細調查，并提前對管線下方的空洞或水囊進行注漿處理；

（2）提前對上方的雨、污水管線進行鋪襯處理或分段對管內水進行導流；

（3）提前調查熱力溝及電力溝等管溝內是否有水，若有水必須先疏干；

（4）隧道開挖前采用深孔注漿預加固地層。注漿范圍為結構斷面開挖線以外2.5 m，開挖線以內0.5 m。

（5）分步多導洞施工初期支護，采用“中洞法”施工，前后導洞錯開間距，控制開挖步距0.5 m；

（6）及時進行初支背后注漿，控制地層沉降；

（7）施工中加強對管線進行監測，并及時反饋監測結果。

4.2 對既有十號線結構的施工影響分析與技術措施

4.2.1 破除結構對既有線車站影響分析

十號線車站軌道交通的安全風險包括既有線車站結構和軌道的破壞，主要涵蓋以下幾個項目：

（1）既有線車站側墻破除的內力分析和加固方案；

（2）6號線車站施工對既有車站的穩定性、安全性評估；

（3）既有線車站結構（頂、底板）沉降、側墻傾斜等控制；

（4）既有線運營軌道的保護。

4.2.2 對十號線車站的采取的技術措施

（1）6號線車站的施工需破除既有十號線站廳層的側墻，對既有十號線車站20 m范圍的換乘段節點產生較大影響。尤其是對原拱形頂板與側墻的腳部支點產生影響，側向剛度有所減弱。因此，在施工前要將該處采用型鋼預應力拉桿將其變成自平衡的系桿拱結構，有效的減小拱腳的水平的位移趨勢，保持結構穩定。

（2）采用合理、安全的開鑿、加固步序（如圖4所示）

圖4 既有線車站側墻開鑿加固步序示意圖

（3）為確保既有站運營安全，對既有線的運營軌道做專項保護，具體實施方案為：

①變形最大部位設置軌距拉桿防護措施，并在下穿作業開始后即采取限速運行，限速建議值40～50km/h。

②制訂周密的監測方案，對軌道結構變形進行監測。隨時指導設計參數的調整與施工進展。

4.3 車站暗挖下穿既有橋梁

4.3.1 車站主體暗挖段下穿京廣橋橋樁

車站與橋樁的關系如圖5和圖6所示。

圖5 京廣橋與呼家樓站平面位置關系示意圖

圖6 京廣橋與呼家樓站立面位置關系示意圖

4.3.2 橋樁沉降控制要求

本工程施工前對橋的沉降控制指標及相關參數參考了已經完成的北京市類似工程，即連續梁、異性板等超靜定結構沿超靜定方向的不均勻差異沉降不大于5mm，簡支梁等靜定結構，沿靜定方向差異沉降不大于15mm，簡支梁支墩若為門式剛架結構，也將該方向的受力按超靜定考慮，不大于5mm。根據上述要求，本站施工時相關橋樁的允許差異沉降建議值見表2：

本站穿越橋梁段為暗挖法施工，暗挖主體結構外皮距離京廣橋橋樁3.8米，該距離在開挖影響范圍之內，施工中的土體擾動、地層缺失都將造成橋樁的磨阻力的損失（既有橋梁為摩擦樁）。根據十號線（雙層）暗挖施工經驗數字揭示，暗挖施工階段橋梁最大差異沉降為3.03mm，按工程類比分析，雖然6號線車站（單層）施工對京廣橋的影響將會小于10號線，但6號線車站施工對橋樁及周圍土體屬于二次擾動，很有可能引起土體應力重新分布而帶來疊加沉降，所以，必須對橋樁采取洞內、洞外措施，有效控制變形，對橋樁保護進行專項設計。

表2 橋樁的允許差異沉降建議值

4.3.3 計算分析

采用平面有限元模型進行模擬基坑施工過程，計算簡圖如圖7和圖8所示。

圖7 橋梁結構與暗挖結構影響建模圖

圖8 橋梁結構與暗挖結構計算模型圖

模擬計算顯示，京廣橋樁基產生的最大沉降值約為 8.7mm，滿足市政管理單位設定的指標要求，施工中，可以采取隔離、注漿等技術措施，控制該項指標。

4.3.4 施工技術措施

（1）車站施工對鄰近橋基影響的分析預測。建立包括既有10號線、在建6號線車站及京廣橋樁在內的非線性數值模型，模擬6號線開挖穿越過程，將數值模擬與施工監測進行對比、分析、研究，預測各施工階段對周邊環境的影響水平。

（2）沉降控制標準的制定。根據橋梁上部結構的型式（簡支或連續）、相鄰結構的相對位置關系以及施工階段，按差異沉降和絕對沉降指標進行控制，結合市政管理部門的相關要求分別設定各橋墩及地表沉降的控制標準和預警值。

（3）橋樁加固與保護。保護原則：先洞外加固、再降水、開挖前洞內加固、再開挖，加強過程監控，指導施工過程，根據橋樁變化采取優化工序、注漿加固改良、基礎補強等措施。施工過程中在車站暗挖通過橋樁前，在洞外施工復合錨桿樁加固和隔離橋樁承臺，洞內采用超前注漿的方式對橋樁承臺周邊土體進行加固。

（4）施工期間應加強監測（包括對車站結構本身的監測和對京廣橋的監測），并及時反饋設計，根據監測結果及時修正設計參數。

5 結語

地鐵六號線呼家樓站暗挖段最終地表沉降控制在30mm以內，東三環京廣橋的沉降控制在2.8mm，未對周邊重大管線造成不良影響。

針對復雜環境、高風險條件下地鐵車站暗挖工程進行建模數據分析計算，可為施工中采取技術措施提供較強的科學理論依據。

本工程實施前對地層沉降進行了分析計算，確定了管線、橋梁等建構筑物的容許沉降標準，并分別采取了地層加固、分步開挖、隔離分區、變不穩定結構為穩定結構等綜合技術處理措施，使所有施工風險得到有效控制，取得了良好的效果。

這充分說明，科學的理論分析在復雜環境下工程施工是十分必要和可行的。值得類似工程借鑒。