基于道路沉降控制的富水软弱地层超浅埋暗挖地铁车站施工方案研究

董凯

北京市政建设集团有限责任公司，北京100089

1 工程概况

北京地铁昌平线南延工程小营西路车站位于小营西路下方。小营西路是连接京张高速铁路清河站和京藏高速公路的一条重要交通干道，道路沉降控制要求高。

小营西路车站为地下两层三跨岛式车站，采用暗挖法施工，车站共设置4个出入口、2个风道。车站平面布置如图1所示。

图1 小营西路车站平面布置

小营西路车站施工面临的问题主要有：

1）车站穿越的地层主要为粉质黏土、粉细砂等软弱地层，且富含地下水，在车站暗挖施工阶段需要持续降水，降水导致的地层固结变形和车站施工扰动引起的地层沉降叠加，致使地层沉降控制难度加大。

2）车站开挖跨度达到22.4 m，而车站拱部覆土深度只有8.6 m，覆跨比小于0.5，属于典型的超浅埋大跨暗挖地下车站。暗挖施工阶段车站上方地层很难形成承载拱，易导致道路突然坍塌。

3）小营西路车站位于地铁清河车站和上清桥车站之间，车站两侧区间隧道采用盾构法施工。为确保全线隧道如期贯通，盾构从清河车站始发，不停机掘进至上清桥站，因此车站施工方案的制定必须要考虑盾构先行穿越车站的需求。

2 车站主体结构施工方案比选

目前暗挖地铁车站施工方案主要为中洞法［1-3］和洞桩法（Pile-Beam-Arch Method，PBA法）［4-6］。本车站若采用中洞法施工，须在暗挖车站底板结构施工完成后才能提供盾构过站的条件，而暗挖车站结构复杂，施工工期长，在盾构到达前不具备盾构接收与始发条件，因此小营西路车站可行的施工方案只有PBA法。基于PBA法设计了4导洞和6导洞两种施工方案，如图2所示。

图2 两种PBA施工方案

这两种方案在北京地铁工程中均有成功案例［7-8］。本车站若采用6导洞方案，整个施工阶段须持续降水，以便为导洞开挖和车站主体结构施工创造无水作业条件。从2016年开始，北京市逐渐限制在地铁施工中降水。本车站施工降水存在的问题：①浪费大量水资源，小营西路车站日抽排地下水约12 000 m3；②持续降水会导致地层固结沉降，对车站上方道路安全不利。因此，确定车站施工方案时必须考虑少降水、缩短降水持续时间。另外，采用6导洞方案盾构隧道将侵入下层导洞，如图3所示。

图3 盾构隧道侵入下层导洞

采用4导洞方案的优点在于：①显著缩短了降水持续时间。根据车站施工进度的安排，采用4导洞、6导洞方案降水持续时间分别为14、26个月。据初步测算，4导洞方案可以减少地下水抽排约4.38×106m3，减少水资源补偿税188.34万元左右。②车站拱部开挖与支护后，拱部承受的地层荷载传递给两侧边桩、钢管柱和柱下桩基础，结构受力体系合理。③4导洞方案的边桩和中桩均采用机械成孔，施工安全；而6导洞方案的中桩只能人工挖孔，在富水软弱地层中即便实施了降水，人工挖孔风险仍很大。④可以满足盾构先行过站的要求，盾构掘进和车站暗挖施工相互干扰小。

综合考虑本站工程地质条件、缩短降水持续时间、道路下方地层沉降控制要求以及盾构先行过站要求，确定车站采用4导洞方案。

根据车站和两侧的盾构区间隧道总体工期安排，首先施工车站4个导洞，导洞贯通后施工车站两端头的围护桩，为盾构隧道过站提供条件；然后施工两侧围护桩、中桩和钢管柱，盾构隧道掘进过站期间暂停边桩、中桩和钢管柱的施工；待左右线盾构隧道均掘进过站后，再恢复边桩、中桩和钢管柱的施工，之后按正常的4导洞施工工序进行车站主体的土方开挖、结构浇筑及管片拆除。

3 采用4导洞方案施工对道路下方地层沉降的影响

由于车站位于小营西路下方，为研究采用4导洞方案施工对道路下方地层沉降的影响，采用有限元软件FLAC 3D建立三维数值模型进行分析。

3.1 计算模型

根据车站主体的结构尺寸，考虑边界效应，模型尺寸取106.2 m（x轴）×60 m（y轴）×59.72 m（z轴）。共划分了84 069个节点，486 375个单元。计算模型如图4所示。

图4 计算模型

地层物理力学参数、结构及材料物理力学参数分别见表1和表2。

表1 地层物理力学参数

表2 结构及材料物理力学参数

3.2 模拟结果分析

在计算模型的纵向中点（y=30 m处）设置1个监测断面，在该监测断面上布置了54个沉降测点。

按照车站实际施工工序模拟，车站施工结束后道路下方地层沉降曲线如图5所示。

图5 道路下方地层沉降曲线

由图5可知，车站施工结束后道路下方地层沉降最大值为54.45 mm，已经远远超过了道路产权单位给出的地层沉降控制值（30 mm）。因此必须对车站主体结构的拱部及其他关键部位采取加强措施，以降低车站施工对周围地层的扰动，确保道路下方地层沉降满足要求。

4 降低车站施工对地层扰动的措施

4.1 车站拱部增设大管棚

经计算，对车站拱部地层仅采取超前深孔注浆措施不能满足道路下方地层沉降控制要求。根据北京地区类似工程的施工经验［9-10］，对于超浅埋暗挖地铁车站，在车站拱部采用大管棚进行加固可以有效降低车站施工对上方地层的扰动。为此在车站拱部增设φ108 mm钢管管棚（钢管壁厚6 mm），钢管间距30 cm，从横通道打入，每根钢管施工完成后向钢管内注浆。大管棚加固范围如图6所示。

图6 车站拱部大管棚加固范围

4.2 横通道与车站主体交叉部位地层沉降控制

横通道是车站主体结构施工的作业通道，本工程共设置5个横通道（其中1号竖井有2个横通道，参见图1），横通道与车站主体形成了空间交叉结构。交叉部位施工顺序：横通道施工→横通道两侧壁的导洞施工→车站主体结构的扣拱施工。由于交叉部位地层受多次施工扰动，地层沉降控制难度大。因此，需要对交叉部位的车站导洞和车站主体结构采取加固措施，见图7。

图7 交叉部位的车站导洞和车站主体结构加固措施

具体做法如下：

1）横通道施工阶段沿横通道侧壁按照车站导洞开挖轮廓线预埋门式钢架，并将钢架与横通道的初期支护牢固连接。

2）横通道施工阶段在横通道侧壁沿车站开挖轮廓线在现场架设钢筋，并与横通道的格栅连接，然后喷射C25混凝土，从而沿车站开挖轮廓线形成一个加强环。

5 结论

1）本文分析了小营西路车站工程地质条件和施工面临的问题，基于PBA法设计了4导洞和6导洞两种施工方案。采用4导洞方案能大幅缩短施工持续降水时间，结构受力体系合理，施工作业安全，盾构掘进过站和车站暗挖施工相互干扰小，故确定采用4导洞方案。

2）经数值模拟，采用4导洞方案车站施工引起的道路下方地层沉降超过控制值。为此提出在车站拱部增设大管棚，横通道与车站主体结构交叉部位预埋门式钢架、加强环等加固措施，以降低车站施工对地层的扰动，确保车站上方道路的安全。