明暗挖结合附属施工对车站主体结构影响分析

蒋岿松

（成都轨道交通集团有限公司，成都 610041）

0 引言

PBA工法是利用边桩、中桩（柱）、顶底梁以及顶拱共同形成初期的受力体系，承受施工过程中的荷载。PBA工法在北京地铁6、7、10号线中广泛应用。张爱军等[1]介绍北京地铁10号线苏州街全暗挖车站的施工技术；罗富荣等[2]对北京地铁6号线一期及7号线PBA暗挖车站地表变形的实测数据进行了数理统计分析；刘贾蓬等[3]以北京地铁6号线东四站为研究对象，分析了开挖顺序对小导洞和车站拱顶的竖向土压力分布的影响。由于施工灵活，支护结构转换单一，安全可靠之外能够较好地对地面沉降进进行控制，之后逐渐在北京地铁后续线路如8、12、16号线以及大连、西安、沈阳、长春等其他城市采用，已成为一种主流的暗挖车站施工工法：李贺等[4]对北京某富水卵石地层暗挖地铁车站建造方案进行了研究；李金奎等[5]研究了大连某地铁车站的洞桩法施工时群洞效应；赵文强等[6]以数值计算为手段分析了西安黄土地区某PBA车站施工方案；朱统步[7]对沈阳地铁车站采用PBA工法、洞桩法及两者混合的工法进行了对比分析；张海明等[8]以长春地区的地铁车站工程为依托，分析了PBA法导洞施工引起地表沉降规律。以某PBA车站明暗挖结合的附属施工为工程背景，结合风险控制措施，建立了三维数值计算模型，比较加固和不加固工况下车站结构和风道初支结构位移变化特征，总结了注浆加固后风道结构位移控制效果，研究结论以期为类似工程提供参考。

1 工程概况

某地铁车站为岛式车站，车站总长266.0m，顶板覆土约13.1～14.2m，采用PBA工法（4导洞）施工。车站有效站台中心里程为K50+481.078，中心里程处轨面标高12.885m。车站设置2个出入口、4个安全出口、2组风亭及1处冷却塔。北端为矿山法区间，南端为盾构区间，车站南端预留盾构脱壳接收条件。

3号风井风道位于车站南端，设一组活塞风道及新、排风道，根据风道开挖断面尺寸及结构形式分别采用CRD法或台阶法开挖。出地面风井部分与1号安全口及1号无障碍电梯整合设置，风井部分采用盖挖顺做法施工，桩+内支撑围护体系，风道部分采用暗挖法施工，根据断面尺寸及结构形式选择相应的工法开挖。

风井基坑南北方向长27.4m，东西方向宽9.4m，深30.869m，采用桩+内支撑体系，围护桩采用1000钻孔灌注桩，间距1.2～1.5m，支撑体系第一道采用混凝土支撑并设盖板作为施工场地的一部分，第二～第六道采用609钢支撑。风井结构持力层为卵石⑦（fak=450kPa），承载力满足要求。

2 风道施工方案

2.1 暗挖施工措施

拱部土体预加固，尽少扰动围岩，短进尺，尽快施作初期支护，并使每步断面及早封闭，采用信息化施工，勤量测和反馈以指导施工。严格遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”十八字方针。暗挖进洞的马头门需提前对拱部范围土体采用超前深孔注浆加固，竖井横通道破马头门向两侧进洞时应错开距离且将横通道截断钢架主筋与马头门格栅钢筋焊接牢固。明挖基坑进洞时，需待二衬实施完成后再破除围护桩，围护桩范围内需连立三榀通道格栅钢架（需做好围护桩破除的应急预案及局部反掏施工措施）。

2.2 暗挖施工技术要求

（1） 通道结构开挖必须在无水条件下进行，严禁带水作业。

（2） 超前小导管注浆浆液根据地层情况确定，浆液配合比应由现场试验确定。

（3） 结构施工前，应对临近的建（构）筑物、管线等风险源调查，做好工前现状建筑物状态查询、拍照记录，避免非施工原因导致的建（构）筑物裂缝等与本工程施工产生纠纷。

（4） 暗挖结构开挖允许最大超挖量为150mm，平均超挖量为100mm，不允许欠挖。确定开挖轮廓时，应预留围岩变形量为50mm，在施工过程中通过施工监测及时加以调整此值。

（5） 施工过程中，加强对掌子面和侧墙面地层观察和记录，随时掌握土层的湿度情况，判断其稳定性，预报开挖面前方的地质情况，以指导施工。若发现地层潮湿，随即打设超前探管进行探测，探测深度不小于5m，如有残余水（由管线渗漏、降水盲区或地层中水囊所致）则通过探管引排；同时根据地质情况选择合适浆液进行注浆堵水，防止流砂；必要时封闭掌子面。

（6） 施工过程中在各受力转换处（如竖井进通道、通道转角开挖），应遵循“先替代，后转换”的原则，所有受力转换的承力结构必须施工完成，并有足够强度后，方可进行结构转换，进入下一道施工过程。

（7） 应对施工影响范围内（平面范围为结构外轮廓外放一倍底板埋置深度）的所有建筑物和地下管线施工详查并制定详细的保护措施与应急预案，同时应有完备的预警机制。

2.3 超前支护措施

（1） 超前小导管采用DN32×2.75（卵石层DN25×2.75）焊接钢管。

（2） 桩底注浆管DN32×2.75焊接钢管。

（3） 注浆浆液：水泥-水玻璃双液浆、单液水泥浆；浆液种类、配合比及注浆压力应由施工单位在现场根据土层情况及加固效果经注浆试验确定，在保证注浆效果及安全的前提下，尽量选用费用较低的浆液，以降低工程造价。现场施工时应根据实际地层条件选择注浆浆液。

图1 暗挖通道注浆加固断面

3 数值计算分析

3.1 模型概况

计算分析软件采用midas GTSNX软件，三维有限元计算模型及模型中车站结构、风井、活塞风道、排风道、新风道等不同结构的相互关系如图3所示。计算模型尺寸参数：123.7m（X方向）×107.85m（Y方向）×50m（Z方向）。边界约束：底部X、Y、Z方向位移约束，四面约束X方向或Y方向水平位移。土体、风道二次衬砌采用实体单元模拟，车站结构（顶板、中板、底板、侧墙）、风道初支、风井连续墙均采用板单元模拟，车站中柱、风井支撑采用梁单元模拟。分析不考虑地下水的影响，土体本构模型为摩尔库伦模型，地面超载大小取20kPa。

在分析中，加固是通过在模拟中改变土体的属性即土体参数的方式实现，即加固工程和不加固工况加固范围内土体参数不同。

图2 三维有限元计算模型及模型中不同结构相互关系

3.2 计算参数

三维有限元模型中土层有7层，根据地勘报告计取物理力学参数，层号、岩土名称、层厚、天然重度、弹性模量、粘聚力内摩擦角具体数值列于表1中。其中地勘报告只提供了压缩模量，按照W弹性模量一般为3～5倍压缩模量的经验，计算弹性模量取压缩模量的5倍。

表1 土体物理力学参数

3.3 计算工况与施工步

计算分析了不加固和加固两种工况，不加固工况即在模拟过程中不考虑深孔注浆的影响，其他措施正常实施。3个风道的施工顺序为排风道两种工况下，活塞风道、排风道、新风道施工均采用了分段方式模拟，风道长度23.45m，按照4m一段进行分段，分段尺寸分别为4、4、4、4、4、3.45m。

3.4 车站结构影响分析

加固工况下风井、风道施工完成后车站主体结构X方向水平位移、Y方向水平位移和竖向位移云图如图3所示。由图3可看出，①风井、风道施工对车站主体结构的影响主要体现在竖向位移和Y方向水平位移，而X方向水平位移较其他两向位移要小，其中竖向位移整体上大于Y方向水平位移；②对于竖向位移，侧墙开洞上方为沉降，开洞下方为隆起，是由风道开挖引起的顶部沉降和底部隆起导致；③Y方向水平位移计算结果表明车站侧墙整体上发生向风井方向的水平位移，风井、风道施工完成后，最大Y方向水平位移发生在中板位置。顶板和开洞上方部分区域的顶板发生远离风井的水平位移，但位移较小。不加固工况车站主体结构X方向水平位移、Y方向水平位移和竖向位移分布特征与加固工况相似。

图3 加固工况下施工完成后车站结构位移云图

加固和不加固两种工况下车站侧墙X方向水平位移、Y方向水平位移和竖向位移随不同施工步变化曲线如图4所示。由图4可知，加固和不加固两种工况下，X方向水平位移和竖向位移基本一致，Y方向水平位移在活塞风道施工前基本一致，活塞风道施工后出现明显一定的差异，不加固工况与加固工况Y方向水平位移最大差异达到20.5%；车站侧墙破除时，侧墙X方向水平位移和竖向位移出现明显变化，主要是由于结构破除施工产生的空间效应导致；施工完成后，车站侧墙的竖向位移和Y方向水平位移相差不大，但施工过程中竖向位移小于Y方向水平位移，表明风井、风道施工对车站侧墙主要产生水平位移影响。

图4 车站侧墙位移随不同施工步变化曲线

3.5 风道初支计算结果与分析

加固工况下和不加固工况下施工完成后风道初支结构位移云图如图5、图6所示，两种工况下风道初支结构位移统计结果列于表2中。

图5 加固工况下施工完成后风道初支结构位移云图

图6 不加固工况下施工完成后风道初支结构位移云图

表2 两种工况下风道初支结构位移统计

通过图5、图6可知，对于竖向位移，两种工况下初支顶部发生沉降，底部则是隆起。相对于不加固工况，加固工况下顶部沉降得到明显改善，沉降值减小约49%，底部隆起则有所增大，从9.433mm增至10.147mm，变化幅度约为1.54%；对于Y方向水平位移，两种工况下临近风井侧的初支结构发生向风井侧的正向位移，初支顶部则发生向主体结构方向的负向位移。相对于不加固工况，加固工况下最大正向位移和最大负向位移均有一定的减小，分别减小约7.02%、36.89%；对于X方向水平位移，两种工况下活塞风道、排风道和新风道的初支结构均发生向洞内的X方向水平位移。相对于不加固工况，加固工况下最大正向位移和最大负向位移均有一定的减小，分别减小约23.43%、38.11%。

3.6 结构安全性分析

根据城市轨道交通安全保护规范，已建地铁车站变形控制指标为：车站主体结构10mm。结合工程的重要性程度，设定地铁车站变形允许值设定为5mm，控制根据主体结构计算结果，加固和不加固工况下，车站主体结构竖向变形最大值分别为1.746、1.832mm，水平变形最大分别为1.485、1.586mm，主体结构变形均在允许范围内，并由较大的安全余量，加固主要是改善了风道初支结构变形。

4 结语

（1） 风道施工时，车站主体结构变形满足已建地铁结构变形允许值，也尚有一部分余量，表明风道施工影响可控。加固工况对车站主体结构位移控制有一定的效果，但差异较小。

（2） 竖井、风道施工对车站主体结构影响主要体现在竖向位移和向风井风道一侧的横向水平位移上，纵向水平位移相对较小。

（3） 风道顶部注浆加固对车站主体结构横向水平位移有一定的影响，差异值约为20%左右，不加固与加固工况下竖向位移和纵向水平位移差异不大。

（4） 车站侧墙结构破除时，竖向位移发生明显变化，对于车站主体结构来说，破除施工是关键阶段，需要重点监测。

（5） 风道顶部加固于风道周边土体变形和风道支护结构位移有较好的控制效果，加固后，风道初支结构顶部沉降减小约49%，风道初支结构水平位移也得到较好控制，最大减小超过38%。