棚蓋暗作法PBA地鐵車站沉降規律探討

許亞齋，余 鵬

(1.北京市軌道交通建設管理有限公司,北京 100068； 2.城市軌道交通全自動運行系統與安全監控北京市重點實驗室,北京 100068； 3.中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

引言

PBA工法是以淺埋暗挖法作為基礎，同時綜合蓋挖法的思想，逐步形成和發展起來的一種暗挖地鐵車站工法，在北京地區暗挖地鐵車站施工中應用普遍。該工法先開挖主體小導洞，依靠其中的空間以及配套的側壁支撐與拱部支護，共同形成完整的支護架構，以此來取代以往所使用的預支護與初期支護的架構，確保在車站主體結構開挖修建過程中滿足更高的安全度需求，同時可以高效地處理地下施工所引起的沉降問題。這一方案有著較為靈活的特征，對于周邊環境有良好的適應性，羅富榮，汪玉華等針對北京地區PBA工法引起的地表沉降做了一系列研究，其研究成果對于指導PBA車站施工起到了指導性的作用[1-7]。

新管幕工法是一種地下工程暗挖支護技術，該工法以單管頂進為基礎，在各單管間依靠鎖扣進行側面相接或在單管之間注漿形成管排，管排夯進后形成管幕系統，而后在管幕的保護下進行土方開挖[8]。該工法具有噪聲小、振動小、不必降低地下水位和大范圍開挖、不影響城市道路正常運行、可以有效控制地面沉降以及對周圍環境的影響小等優點，近年來被國內工程界廣泛采用。董雪嬌[9]以上海外灘源33號公共用地及地下空間利用項目為依托，研究了管幕結合內支撐的支護方法，對施工過程關鍵技術進行理論分析，同時針對開挖引起的地表變形進行了數值模擬；楊慧林[10]以沈陽地鐵新樂遺址站的設計和施工為依托進行了系統的研究，以上研究對淺埋暗挖技術均進行了有效的豐富和補充。

在北京地鐵19號線一期平安里車站的建設過程中，站址范圍內存在無法改移的D1000污水管等地下管線，并且受既有地鐵6號線區間埋深限制，不具備下穿6號線的條件，其地下空間資源異常緊張，車站上部、下部空間均被牢牢限制。因此，站位只能位于地面以下6～23 m的范圍內，且該站處還有1條已回填的古河道，工程地質條件復雜。針對該站特點，技術人員提出了結合PBA工法與新管幕法優點的棚蓋暗作法，該工法利用棚蓋大管幕的支護作用降低施工對地表及其他設施與管道的影響，對掌子面自立性較差的地層提供臨時擋土及止水條件，對于控制地表沉降和施工風險獲得了較好的效果。

1 工程概況

1.1 車站概況

地鐵19號線平安里站位于趙登禹路與平安里西大街交叉路口北側，沿趙登禹路南北向布置，與既有地鐵6號線平安里站呈“L”形換乘。本站位于市中心繁華區域，站位道路兩側建筑密集。趙登禹路規劃道路寬35 m，現狀道路寬27 m，雙向4車道，兩側建(構)筑物退讓現狀道路較少，建筑物凈距平均僅33 m。平安里站平面位置示意見圖1。

圖1 地鐵平安里站平面位置示意

平安里站上方管線眾多，主要管線有：①主體結構縱向側穿2.9 m×2.3 m熱力方溝，溝底埋深10.75～11.46 m，與暗挖初支水平凈距為2.13～4.05 m；②主體結構縱向側穿2.0 m×2.3 m電力方溝，溝底埋深8.94～11.55 m，與暗挖初支水平凈距為7.31 m；③主體結構縱向下穿D1000污水管，管底埋深5.74～5.98 m，管底與暗挖初支豎向凈距為0.65～1.24 m，此污水管為本站高程的控制性管線。

從管線現狀和車站及區間隧道的相對關系來看，施工過程需嚴格進行定位，控制與現狀管線的距離，避免對現況管線造成影響。對于橫通道凈距較小的現況管線，在施工前需對其高程、位置進行詳細調查，避開現況管線并保證一定安全距離，避免對現狀管線造成影響。

1.2 地質條件

車站主體結構站位處由上至下依次為：素填土①、粉質黏土③、卵石⑤、粉質黏土⑥、卵石⑦、卵石⑨、礫巖⑿。車站附近基巖埋深較淺，為39.30～41.00 m；坑底位于粉細砂⑦2層。車站主體結構未進入地下水位。車站主體結構與地下管線剖面關系及車站地質條件見圖2。

圖2 平安里站地質柱狀及風險源剖面示意

車站主體先行導洞及部分橫通道結構處于古河道內，古河道埋深2.3 m，上口寬22.5 m，下口寬14.5 m，高6.9 m，古河道部分地層含水率高，呈軟塑狀態，對施工沉降控制極為不利；古河道內局部填土松散，注漿不易控制，串漿距離較遠，極易串入臨近地下管線內部，因此施工過程需加強監控量測工作，及時準確提供沉降變形等信息反饋施工以保證施工安全。

1.3 工法簡介

設計團隊在結合常規PBA工法與新管幕法優點的基礎上，針對平安里車站埋深較淺的情況，提出“棚蓋暗作法”的思路，其核心在于棚蓋體系的形成。同普通管幕法的區別在于鋼管非獨立棚護結構，而是采用鋼管+豎向支撐共同構成棚蓋體系。棚蓋結構形成后，地下空間在棚蓋結構保護下開挖，為二襯形成前的主要受力結構。

1.4 車站結構

如圖1所示，因上跨地鐵M6號線區間，受空間限制，車站采用雙層三跨超淺埋平頂直墻結構，主體結構采用超淺埋棚蓋暗作法施工。主體標準段寬25.1 m，南端擴大段寬26.3 m，邊樁采用φ1 000@1 600 mm人工挖孔樁，頂部設管幕棚蓋體系(Q235φ402@450 mm，t=16 mm鋼管，管內填充M30水泥砂漿)。先行導洞埋深約4.3 m、凈高4.5 m、凈寬4.3 m，下層邊導洞拱頂埋深約17.5 m、凈寬3 m、凈高3.5 m，下層中導洞拱頂埋深約16 m、凈寬4 m、凈高4.5 m，下層導洞之間最小凈距為2.6 m，先行導洞與下層導洞均為拱頂直墻結構，采用鋼格柵+噴射混凝土支護形式。上層東側1號導洞繞避污水跌落井段采用拱頂直墻結構，其余采用U形初支結構，其中邊洞凈高5.2 m、凈寬3.5 m，中洞凈高5.2 m、凈寬4 m，車站主體結構如圖3所示。

圖3 平安里站主體結構橫剖面

1.5 主要施工步驟

(1)豎井及橫通道開挖：豎井平面形狀為矩形，倒掛井壁法施工，噴射混凝土、鋼筋網及鋼格柵組成支護體系，井內采用臨時型鋼支撐，井底采用鋼格柵+噴射混凝土封底，井口設現澆混凝土圈梁結構；豎井開挖至每層橫通道底板以下2 m處臨時封底，分段破除橫通道范圍馬頭門處井壁格柵，然后臺階法開挖橫通道。

(2)先行導洞開挖：自橫通道進洞前，對開挖范圍拱頂及掌子面深孔注漿。采用臺階法(臺階長度3～5 m)開挖先行導洞，并施工初期支護。

(3)管幕施作：待先行導洞貫通后，采用頂進法垂直于導洞方向頂進棚蓋暗作鋼管，頂進順序為先東側，后西側。

(4)下層導洞開挖：棚蓋管幕頂進形成棚蓋體系后，開挖下層導洞，下導洞應滯后棚蓋頂進工作面15 m以上，下層導洞平行開挖時，先開挖兩側導洞，后開挖中間導洞。

(5)上層導洞開挖：待東側棚蓋暗作鋼管頂進完成后，開挖上導洞1，待西側棚蓋暗作鋼管頂進完成后，開挖上導洞2及導洞3。

(6)梁柱體系施工：上層導洞貫通后，導洞內施工挖孔樁，并施工上下導洞間鋼管混凝土柱挖孔護筒。在下導洞4、5內施工底板梁防水層及底板梁后，施工鋼管混凝土柱，然后在導洞2及先行導洞內施工頂梁防水層及頂縱梁，并在先行到洞內聯通棚蓋暗作鋼管。

(7)臺階法開挖Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ部分土體，施作初期支護，初支扣拱封閉后應及時進行初支背后注漿。導洞Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ貫通后，由車站端頭或橫通道中間位置沿車站縱向分段鑿除上層小導洞部分初支結構，施工頂板防水層及結構二襯。

(8)頂板二襯施工完成后，待頂板結構達設計強度，沿車站縱向分段分層開挖土體至中樓板下0.2 m處，分段施工中樓板梁及中樓板，并施工側墻防水層、保護層及側墻。待中樓板及部分邊墻達設計強度后，分層開挖土體至底部，并及時施工底板封底。施工底板防水層及底板，然后施工側墻防水層及側墻，完成車站主體結構施工。

2 沉降規律分析

車站埋深較淺，且受古河道不良地質條件影響，地層對地下施工的擾動反映較為敏感。由于地下管線風險等級較高，路面交通繁忙，為防止坍塌等事故的發生，保證市政設施的安全，以監控量測數據反饋施工，加強沉降監測及分析工作，優化施工工藝以控制地表沉降成為施工階段的關鍵任務之一。

2.1 總體沉降分析

在車站主體小導洞施工完成后進行梁柱體系施工、扣拱及后續結構施作期間車站上方監測點的沉降變形速率基本穩定后進行沉降變形分析，監測點布置見圖4。

圖4 沉降監測點布置

道路以及管線沉降值在20～60 mm，變形平均值為-32.01 mm，實際監測累計沉降值超出設計控制值(30 mm)的監測點占比為54.5%。監測點沉降值分布情況見圖5。

圖5 監測點累計沉降值分布

各監測項目平均值統計見表1。

表1 各監測項目平均值統計 mm

主體橫、縱斷面沉降曲線及累計沉降云圖分別如圖6～圖8所示。

圖6 車站主體橫斷面沉降曲線

圖7 車站主體縱斷面沉降曲線

圖8 平安里站累計沉降云圖

由圖5～圖7可看出：

(1)車站下穿趙登禹路東側地表及道路沉降明顯大于西側，計算車站東、西側差異沉降最大為3.4‰(DB-13-01、YSG-01-11)；

(2)1、2號橫通道之間地表沉降明顯大于1號橫通道北側，計算其平均沉降比例約為1.35∶1；橫通道兩側沉降略大于橫通道拱頂部位；

(3)監測數據顯示車站東側建筑物沉降明顯大于西側建筑物，東、西側建筑物沉降最大量分別為81.51 mm和12.1 mm，且東側建筑物差異沉降明顯，差異沉降最大為-4.4‰(QTC01-01、QTC01-03)。

2.2 沉降規律分析

為了進一步分析平安里站實施過程中的沉降變形情況，對重要的施工工序進行階段性沉降統計。由于橫通道處測點受橫通道及車站主體施工多重影響，將測點分為“施工橫通道上方監測點”及“主體導洞上方監測點”兩類進行分析。

(1)橫通道上方沉降分析

選取橫通道上方典型測點DB-07-04繪制沉降歷時曲線圖，根據不同的施工階段統計其沉降值及所占比例。

在不同施工階段沉降變形趨勢性明顯，但由于在卵石地層中施作管幕，其頂進精度不易控制，施工進度難以保證，故實際施工步序做了一定調整，在難以保證管幕進度時先開挖下層導洞，故先行導洞、管幕施作及下層導洞存在一定程度的交叉作業。待管幕完成施作上層導洞、梁柱體系及后續主體施工時，由于存在大管棚，其棚護作用明顯，后期沉降較小，故視為一個施工階段。沉降歷時曲線如圖9所示。

圖9 橫通道上方典型監測點DB-07-04歷時曲線

橫通道上方監測點各施工階段沉降值及占比情況見表2。

表2 施工橫通道上方典型監測點各工序沉降統計

由表2可知，橫通道上方監測點沉降主要發生在施工橫通道、先行導洞及管幕施作3個階段，約占總沉降的84%，上層導洞開挖、梁柱體系及后續施工產生的沉降較小。

(2)主體導洞上方沉降分析

與橫通道上方監測點不同，車站主體導洞上方監測點不受橫通道開挖及導洞多次開馬頭門的影響，選取車站主體導洞上方典型測點繪制沉降歷時曲線如圖10所示。

圖10 主體導洞上方典型測點SSG-01-05沉降曲線

從圖9、圖10累計沉降值看，車站主體導洞上方沉降略大于橫通道上方，主要原因是橫通道開馬頭門部位采取了注漿及加固措施，而橫通道兩側由于多次開馬頭門對地層造成多次擾動，導致其沉降值大于橫通道上方，對主體導洞上方典型測點各階段沉降值進行統計如表3所示。

表3 主體導洞上方典型監測點各工序沉降統計

從工序來看，主體導洞上方沉降主要發生在下導洞開挖及管幕施作階段，約占總沉降的63%。

2.3 地表沉降槽規律

針對車站典型主監測斷面采用Peck[11-15]公式進行擬合分析，計算公式如下

(1)

式中，S為隧道中線處的地表沉降，mm；y為沉降監測點和隧道中心線之間的距離，m；Smax為y=0即隧道軸線處的最大地表沉降值，mm；i為反彎點與軸線的水平距離，i值反映隧道開挖對地表造成的影響范圍，m。

地下工程施工需計算地層損失，所謂地層損失是地下工程施工中實際開挖土體體積與竣工隧道體積之差，亦即隧道縱向單位距離的沉降槽體積。對式(1)進行積分計算，得到地層損失率V的計算公式如下

(2)

地層損失率為單位長度內地表沉降槽的體積與開挖隧道體積的比率，它反映了開挖對地層的擾動程度。地層損失率與地質條件、施工工藝和技術水平等因素密切相關，計算公式如下

(3)

對于地表沉降槽寬度系數i/D，計算公式為

(4)

〗式中，D為隧道直徑，m；z0為隧道中心至地表的深度，m。

計算得到Smax為-69.91 mm，沉降槽反彎點距離隧道中心距離i為11.72 m，從車站中線起向東西兩側各約12 m范圍內的市政管線為重點關注的風險源，施工過程中需嚴格控制各項施工參數、優化施工工藝以減小沉降，加強監測和巡視，確保風險安全可控。通過Peck公式計算得到地層損失率為0.34%，結合沉降歷時曲線分析可知，地層的損失主要發生在管幕施作及主體導洞土方開挖階段，地層損失率在可控范圍。如圖11所示。

2.4 沉降原因探討

結合現場施工工序及安全巡視情況，通過對監控量測數據的統計分析和綜合研判，探討施工過程中引起地表沉降的原因，主要有以下幾個方面[16-20]。

(1)隧道開挖及超前支護引起的沉降

①隨著橫通道、車站導洞等的開挖，地下空間形成后，原本的平衡受力條件被打破，圍巖受施工擾動后產生豎向位移，從而引起道路沉降，隧道開挖掌子面暴露時間越長、初期支護封閉時間越長，產生的地表沉降就越大。

②隧道施工時在初支背后形成空洞，若回填注漿不及時或背后注漿效果不佳未將空洞填實，存在空洞的地層也會產生地表沉降。

③超前支護質量欠佳、超前注漿改善土體效果不佳，地層穩定性未得到明顯改善，后續進行車站管幕施作時,由于古河道內雜填土松散，容易被擾動，同時超前注漿不易控制，地面注漿加固效果不佳，開挖對地層擾動大引起沉降。

④車站施工橫通道、上層導洞、下層導洞均采用上下臺階法開挖，在下臺階開挖時若地層穩定性較差發生小面積垮塌造成上臺階初支鋼格柵拱腳懸空，又或者拱腳下方土體松散、密實度差也會引起沉降。

(2)受力體系轉換引起的沉降

橫通道以及主體小導洞開馬頭門處施工均存在受力轉換過程，橫通道初支結構受力體系轉換到小導洞或管幕上。破除馬頭門部位先進行土方開挖，再進行初支施工，初支的滯后導致了沉降的產生。在本工程中，由于采用了管幕支護，上層導洞采用U形支護形式，采用U形支護的邊導洞側墻及底板為常規鋼筋格柵，頂部設調解件、墊板及連接件與導洞上方管幕進行連接，管幕與U形初支之間的受力轉換引起地表沉降。此外，受力轉換完成后，初支節點板的變形也可能引起沉降。

(3)管幕施工

平安里車站管幕采用φ402×16 mm無縫鋼管(間距450 mm)，現場采用水平螺旋頂管機，液壓千斤頂頂進、管內螺旋出土，管幕頂進施工對土體造成一定擾動，并產生水土流失；此外由于鉆孔與管幕之間存在空隙，為填充空隙，在管幕施作完成后需在無縫鋼管外部進行補償注漿，實際施工過程中注漿時間常常晚于管幕成孔時間，或注漿壓力及注漿量控制不佳，漿液難以填滿土體間的空洞，該部位被上方沉降的土體填滿，也會造成車站上方地表沉降。

(4)群洞開挖

PBA工法車站主體導洞眾多、工序安排復雜，為保證施工出土進度，時常有多導洞開挖的情況，群導洞開挖對地層擾動的疊加效應引起的沉降增大。

(5)其他因素

車站主體先行導洞及部分橫通道結構處于古河道內，古河道部分地層含水率高且呈軟塑狀態，局部填土松散，受地鐵施工及大型機械設備或來往車輛碾壓等因素影響，其沉降變形一般較大，從沉降云圖可明顯看出本站古河道影響區域沉降大于其他區域；施工場地大門處車輛多次碾壓造成的沉降也明顯大于車站其他部位。

綜合以上分析，棚蓋暗作法PBA車站施工引起的地表沉降原因復雜，時空效應體現尤其明顯，導致沉降的各種因素間的交叉影響也較為明顯，在施工過程各典型階段應找出引起地表沉降的主要原因，有針對性地調整施工工藝和參數，采取有效措施達到減小沉降的目的。

3 沉降控制措施

(1)及時進行空洞探測，發現空洞及時回填處理，若有大面積疏松區可采取路面注漿加固的措施，減小因空洞和疏松地層產生的道路沉降。

(2)嚴格執行暗挖工程施工“管超前，嚴注漿，短開挖，強支護，快封閉，勤量測”十八字方針，縮短開挖面封閉成環的時間，避免因土體長時間暴露產生過大沉降。

(3)加強格柵鋼架拱腳部位及拱腳下方土體密實度的處理，及時架立下臺階鋼格柵并噴射混凝土，減小鋼格柵下沉所引起的地表沉降。

(4)加強初支鋼格柵加工質量，確保安裝到位，施工過程中尤其注意節點板連接質量。若節點板部位密貼度不佳，可采用幫焊處理并保證幫焊質量，地質條件較差時，應適當增加初支噴混厚度，減少因節點變形引起的沉降。

(5)根據不同地層條件加強鎖腳錨管的打設及注漿質量的控制，減小因鋼格柵下沉引起的沉降。

(6)在橫通道中增設門形框架對橫通道初支進行支頂，做好主體導洞施工馬頭門破除前的受力轉換，減小受力體系轉換引起的沉降。

(7)在隧道及主體導洞拱部預留注漿孔并做好背后回填注漿，嚴格控制注漿壓力及注漿量，反復多次注漿，及時填充初支與土體間的空洞，減小因空洞產生的沉降。

(8)保證超前支護的棚護效果以及地下水處理效果，確保開挖掌子面地層的穩定，尤其在穩定性欠佳的砂卵石、含水的黏土地層，減小因小面積的垮塌、變形引起的沉降。

(9)保證管幕頂進的精度和合理控制成本的前提下，優化管幕施工工藝，減小管幕施工對地層的擾動，及時進行管外補償注漿并控制好注漿壓力和注漿量，減小管幕產生空隙引起的沉降。

(10)群導洞施工時，嚴格控制各導洞開挖步距，加強工籌管理和勞動力配置，減小因群洞開挖對地層產生的重復擾動和疊加影響。

4 結語

(1)采用棚蓋法施作PBA車站對于控制地表沉降取到一定的作用，雖然車站主體施工引起的地表沉降累計沉降平均為32.01 mm，超過控制值30 mm的測點比例達54.5%。但從環境風險及施工過程的巡視結果來看，施工安全風險始終處于可控狀態。在類似車站設計過程中應提出更合理的沉降控制值，并且優化施工工藝，控制地表沉降以減小施工對周邊環境的影響。

(2)車站沉降橫斷面特點顯著，呈中部大、兩側小的槽形。從車站縱向沉降曲線來看，橫通道部位沉降較其他部位沉降大，棚蓋暗作法車站施工中應重點控制施工橫通道和車站主體跨中部位沉降，減少差異沉降，以避免道路下方市政管線斷裂或破損。

(3)車站主體導洞施工產生的地表沉降槽體現為拐點距車站中心約12 m，車站中心線約20 m以外沉降值迅速減小，發生沉降在車站中線往東西兩側約35 m的范圍。

(4)管幕施作和小導洞開挖支護階段產生的地表沉降變形占比較大，尤其是小導洞開挖支護階段，對地表沉降的貢獻接近總沉降的70%。

本文分析了超淺埋復雜地質條件下棚蓋暗作法PBA車站引起的地表沉降規律，探討施工過程中產生沉降的原因，從加強初期支護、做好受力體系轉換、優化開挖步距等方面提出一系列控制措施，可為類似地鐵車站施工提供借鑒。