大断面平顶地铁暗挖车站下穿既有建筑方案研究及变形控制
——以北京地铁8号线三期前门站工程为例

张小伟， 张 丽， 韩亚飞， 袁梦钊

(北京城建设计发展集团股份有限公司， 北京 100037)

0 引言

在城市核心建成区修建地铁时，因受地面交通繁忙、地下管线众多及地上地下建(构)筑物等周边复杂环境的限制，很多地铁车站的实施采用暗挖工法。而在建(构)筑物影响范围内修建地铁时，除了控制地铁施工风险外，建(构)筑物变形控制也是重点考虑因素，下穿方案及变形控制措施的研究尤为重要。为了减小施工引起的变形，目前往往采用减小开挖断面的方式，譬如大量的下穿工程都采取将开挖断面调整为单线单洞的断面形式，但也因此牺牲了一些功能、工期或者带来了其他环境风险。在此方面，很多学者进行了研究分析。赵良云等[1]对单线单洞矩形地铁隧道下穿既有地铁车站进行了数值分析，并对加固措施进行了验证；罗富荣[2]针对地铁临近或穿越环境风险进行了安全风险控制体系、安全风险监控系统及典型环境风险评估与控制体系研究；张伟光等[3]结合北京某地铁车站出入口临近穿越建筑进行了数值模拟，分析了其变形规律；孔恒等[4]基于AHP建立了临近施工风险源重要性等级评价及控制模型，探讨了浅埋隧道临近施工对地层变位的影响规律，总结了控制隧道施工及地层变位的优化技术；王磊等[5]通过数值模拟分析了地铁暗挖区间隧道斜穿桥桩施工对桥桩变形及内力的影响，并将模拟结果与实测数据进行了对比验证；路平等[6]通过数值模拟和实测数据分析了平行盾构隧道穿越砌体建筑物的沉降与倾斜规律；陶永虎等[7]通过数值模拟分析研究了暗挖区间隧道下穿区段路基的沉降变化规律及暗挖区间隧道衬砌结构内力、安全系数。

有些工程因受周边环境限制无法通过调整断面形式来减小变形，因此逐步出现了大断面暗挖穿越建(构)筑物的工程。牛晓凯[8]对新建地铁车站长距离平行密贴下穿既有隧道结构进行了研究，提出了控制因素，揭示了既有隧道纵向变形规律，并建立了风险控制系统；陈鹏[9]对暗挖车站密贴垂直下穿地下矩形隧道进行了分析，研究了有无千斤顶情况下既有隧道的变形规律；孟令志[10]对车站暗挖密贴下穿既有矩形隧道进行了研究，分析了其变形规律，并得出了密贴下穿施工的合理施工方法和结构形式；李积栋等[11]结合工程案例研究了暗挖密贴下穿既有车站的多重预顶撑技术。

从目前的研究来看，大断面暗挖下穿的相关工程案例仍较少，且穿越工程施工大多利用既有地下结构作为盖板并采用密贴下穿的方式，大断面暗挖非密贴下穿地面建筑的案例非常少，有必要对此类暗挖穿越工程的变形情况及控制措施进行研究。

本文以北京地铁8号线三期前门站为工程背景，对大断面暗挖车站整体非密贴下穿地面建筑的不同施工方案进行了变形分析，阐述了从设计到施工全过程的变形控制关键技术，提出了一种大断面非密贴下穿地面建筑的解决方案，即管幕+深孔注浆+平顶4导洞PBA法，并对其进行了数值分析及实测对比，以期研究结果为相关工程提供参考。

1 工程概况

北京地铁8号线三期前门站位于前门东路下方，整体呈东北方向布置。车站整体为3层3跨结构，站台宽16 m，车站设4个出入口及2组风道，与既有2号线前门站通过换乘厅+换乘通道实现换乘。车站采用明暗结合施工，其中，西南侧部分采用明挖施工，中间下穿道路段采用8导洞PBA法暗挖施工，东侧下穿既有建筑段采用管幕+深孔注浆+平顶4导洞PBA法暗挖施工。

车站所处地层自上而下为填土层、粉土层、细砂层、粉土及粉质黏土交互地层、圆砾-卵石层。车站范围存在2层地下水，分别为层间水及潜水，水位分别位于车站地下1层中部及地下2层楼板处，需进行降水处理。

既有建筑为地上3层框架结构，地下部分为一柱一桩扩底端承桩基础形式，建于1995年。既有建筑位于车站东北侧车站主体上方，与车站主体平面呈斜交关系，车站顶板距离既有桩基础底部约0.8 m。

经过检测评估，既有建筑目前不存在影响结构安全的损坏，但柱间产生了较大的差异沉降，差异沉降控制指标最终确定为0.001L(L为柱距)，即7 mm。同时，考虑到既有建筑建造年代较远，且建筑重要性及敏感性高，整体沉降控制值设为25 mm。

车站总平面见图1。地质纵剖面见图2。车站与既有建筑关系见图3。

图1 车站总平面图

图2 地质纵剖面图

(a) 平面图

(b) 剖面图

2 方案研究

2.1 方案选择

目前，在地铁车站全断面暗挖施工中，PBA法是公认的控制变形相对较好的方法。PBA法是在桩(pile)、梁(beam)和拱盖(arch)支撑保护下进行的大断面地铁车站暗挖施工方法。其整体施工顺序为施工导洞—在导洞内施工桩梁体系—扣拱—在上述体系的支撑下开挖土体并施作二次衬砌永久结构。因为车站主体的大体量开挖都是在桩、梁和拱盖支撑保护下进行的，所以采用PBA法大大降低了开挖变形，故而被广泛应用在暗挖地铁车站施工中。

影响PBA法车站变形的因素主要有车站覆土、车站体量、地层情况、车站导洞数量和超前措施等。本文提到的车站暗挖下穿施工，对变形控制要求很高，需对车站整体方案及施工每个环节进行重点考量，进而选择合适的方法和控制措施。

2.1.1 同底板埋深车站层数对地表沉降的影响

车站站台宽度及轨顶标高确定的情况下，车站一般可采用2层或3层8导洞PBA法施工(本站覆土相差5 m)。2层车站施工变形相对较小，从变形控制的角度来说为优选方案。但本站受周边环境影响较大，采用2层车站会增加周边用地、拆迁以及其他环境风险的控制难度，因此有必要对2层车站和3层车站的地表沉降进行分析，明确了解2种方案的变形差异。

本文采用数值模拟的方法对2种方案的地表沉降进行分析。2种方案的整体施工模拟顺序均采用导洞“先下后上、先外后内”的方式，扣拱采用先中跨后边跨的方式。同底板埋深情况下2种方案数值模拟二维计算模型如图4所示。数值模拟得出2种方案下的地表沉降曲线如图5所示。

(a) 2层车站计算模型

(b) 3层车站计算模型

(a) 2层车站施工地表沉降曲线

根据模拟计算可知，采用PBA法施工2层车站和3层车站引起的地表沉降主要集中在导洞开挖及扣拱阶段，分别约占总地表沉降的44%和45%。同等埋深不同覆土情况下，3层车站开挖引起的地表沉降约为67 mm，大于2层车站施工引起的地表沉降(58 mm)，增大的部分主要集中在上导洞及扣拱的开挖阶段，而下导洞施工阶段两者引起的地表沉降基本相当。3层车站方案对既有建筑的整体变形控制是不利的，但3层车站与2层车站施工引起的地表沉降斜率基本相当，均为2.2%～2.3%，在建筑的差异沉降控制方面两者是相近的。因此，对于以差异沉降为主控制指标的既有建筑来说，选择3层方案或2层方案并不存在太大差异。

2.1.2 车站导洞数量对地表沉降的影响

根据不同施工条件，3跨PBA法车站存在4导洞、6导洞、8导洞等结构形式，同等条件下4导洞方法施工引起的变形一般相对较小。为了明确4导洞PBA法施工相对8导洞PBA法施工地表沉降减小的程度，对4导洞PBA法车站进行了数值模拟计算。

4导洞PBA法车站数值模拟计算模型如图6所示。4导洞PBA法与8导洞PBA法车站施工引起的地表沉降曲线对比如图7所示。

图6 4导洞PBA法车站数值模拟计算模型

图7 4导洞PBA法与8导洞PBA法车站施工引起的地表沉降曲线对比

根据模拟计算结果分析可知： 1)4导洞PBA法施工引起的地表沉降最大值为58 mm，相比8导洞PBA法减小了13.5%； 2)4导洞PBA法施工引起的地表沉降斜率为2.0%。说明减少导洞数量对整体地表沉降控制有较大帮助，但对沉降斜率控制影响较小。

2.1.3 顶板形式及超前措施对地表沉降的影响

考虑到既有建筑桩基础的深度，采用拱顶结构对建筑空间影响较大，故考虑采用平顶施工方案。平顶暗挖施工超前措施一般选择顶板超前棚护及小导管、顶板深孔注浆加固或者两者结合的方式。为了合理地选择超前措施，对以上3种措施进行数值模拟分析。

平顶车站计算模型如图8所示。3种措施下车站施工引起的地表沉降曲线对比如图9所示。

根据分析可知，在传统措施下采用平顶方案施工最大地表沉降为63 mm，比采用拱顶方案施工最大地表沉降增大约8.6%。随着超前措施的加强，最大地表沉降由63 mm减小为49 mm，斜率由1.9%降低为1.6%。但目前措施下整体沉降特别是差异沉降依然不满足要求，需采用更强的措施或对既有建筑进行加固方可满足结构安全及运营安全。

图8 平顶车站计算模型

图9 3种措施下车站施工引起的地表沉降曲线对比

2.2 方案确定

经过以上分析可知，同等措施条件下3层车站相比2层车站施工引起的地表沉降略大，但沉降斜率相差不大，在施工影响中差异沉降起控制作用时，两者具有大致相同的适用性。

对于不同导洞数量的3层车站施工，4导洞PBA法施工引起的地表整体沉降相对较小，且与双层车站8导洞PBA法施工相比也具有一定的优势。

因土拱效应的减弱，平顶4导洞方案相比拱顶4导洞方案会产生相对较大的地表沉降，可以通过增加措施减小沉降。

可见，重点考虑变形控制并结合建筑功能、拆迁等因素，在目前常规措施条件下，整体方案采用平顶4导洞PBA法是最优的，但超前措施需进一步加强。

目前地下结构施工中采取的措施，除了上面提到的措施，对变形控制、防止坍塌更有效的措施还有管幕法及冻结法。但如此大规模的冻结法施工，目前在地铁工程中的应用几乎没有，且工期及造价都会大幅度增加。因此，最终考虑借鉴超浅埋管棚施工[12]、盖挖施工、NTR[13-14]等工艺工法的理念，最终采用管幕+深孔注浆+平顶4导洞PBA法施工的方案。

2.3 方案实施

车站东侧暗挖段整体采用平顶4导洞PBA法施工，覆土约10.2 m，埋深约31.2 m，上部4导洞，边桩采用φ1 000 mm@1 200 mm钻孔灌注桩，中桩采用φ2 000 mm钻孔灌注桩并采用后注浆工艺。车站顶板与既有桩基底部之间仅间隔0.8 m，结合管幕施工条件、受力及抗变形能力，选择采用402 mm×16 mm横向咬合管幕，管幕自带注浆系统，对管幕四周特别是管幕与桩底之间土体进行注浆加固。管幕下方导洞轮廓外2 m范围内全断面注浆加固。平顶4导洞PBA法施工车站剖面示意如图10所示。

图10 平顶4导洞PBA法施工车站剖面示意图(单位： m)

车站整体施工顺序为： 首先，施工远离既有建筑侧边导洞(Ⅰ)；接着，自导洞内施工横向咬合管幕(Ⅱ)；然后，在管幕棚护下按顺序施工剩余3个导洞(Ⅲ)；再在自导洞内施工桩基础，在管幕+桩基础的棚盖体系下开挖顶板土体并实现顶板封闭(Ⅳ)；最后，逆作施工剩余结构(Ⅴ)。施工步序示意如图11所示。

Ⅰ—加固先行导洞，并施工先行导洞； Ⅱ—自先行导洞施工管幕； Ⅲ—施工剩余导洞及对应导洞内桩基、降水井、结构，先施工中间导洞后施工两侧导洞； Ⅳ—分别施工顶板初期支护及顶板二次衬砌、导洞初期支护及二次衬砌，先施工中跨后同步施工边跨。

图11施工步序示意图

Fig. 11 Construction procedures

3 关键控制技术研究

根据上述分析得到的变形规律及变位分配法原理确定了整体方案后，还需对关键环节从设计方面入手选择合适的设计参数，并将施工控制措施细化至每个施工阶段，方可合理控制变形。同时，现场施工条件复杂，往往与计算存在差异，更需对每一个施工步及关键点重点考虑。对于本站最终选用的方案，关键环节主要包含管幕施工、导洞施工、桩基施工及顶板施工等，需对关键环节及措施重点考虑。

3.1 管幕变形控制

管幕是导洞开挖及顶板施工阶段变形控制的主要措施之一。除了承载阶段管幕自身的受力变形外，管幕施工引起的变形也是控制重点内容。

3.1.1 管幕施工变形控制

管幕施工选择安全性高、可操作性好、控制变形能力强的水平螺旋定向钻进施工工艺，出土与顶进基本同步进行，管幕顶进同步挤压土体并封闭钻孔，降低钻进施工引起的扰动。

管幕采用咬合形式以保证管幕起到整体棚护作用，使变形小而均匀。为确保管幕之间顺利咬合，采用安装有激光发射器的导向钻杆确保管幕施工精度，使精度控制为0.1%。

管幕施工完成后采用管幕自带的注浆孔对管幕四周土体进行注浆，以补偿管幕施工引起的变形。管幕钻机及注浆如图12所示。

(a) 管幕钻机

(b) 注浆

3.1.2 管幕自身变形控制

在导洞开挖阶段，管幕可看作是支撑在导洞两侧土体上的地基梁，随着不同导洞的开挖，地基土的支撑状态不断变化，导洞开挖完成后管幕受力计算简图如图13所示。在顶板施工阶段，管幕可看作是支撑在桩基础上的连续梁，顶板开挖完成后管幕受力计算简图如图14所示。管幕上覆土体及既有建筑桩基础为施加到梁上的荷载，在荷载作用下，梁会产生竖向变形，进而引起上覆土体及既有建筑的变形。

图13 导洞开挖完成后管幕受力计算简图

图14 顶板开挖完成后管幕受力计算简图

管幕既需要满足受力需求，也需要满足刚度要求，以控制自身变形。本工程选用φ402 mm×16 mm@451.5 mm咬合管幕，内部填充水泥砂浆并设置工字钢，以提高承载力。管幕大样图如图15所示。根据地基梁模型计算，管幕受荷情况下自身变形最大约为5.8 mm，具有较好的变形控制能力。

图15 管幕大样图(单位： mm)

3.2 深孔注浆

深孔注浆是目前加固地层进而控制暗挖施工变形的有利措施，其已在众多的穿越风险工程中得到应用并取得了良好的效果。在本工程先行导洞施工时，注浆主要是通过加固地层形成稳定拱圈来控制变形；在管幕形成后导洞开挖阶段，注浆在提高地层稳定性的同时还起到管幕地基加固的作用，可降低管幕下地层的压缩变形。

本工程注浆施工控制要点如下：

1)注浆采用无收缩后退式注浆方式，应用多循环注浆的方式，先小压力注浆然后逐步增加注浆压力，确保注浆实现地层渗透、地层挤密及劈裂加固并直至土体出现一定被动土压力， 进而保证加固范围及加固效果。

2)注浆浆液采用水泥-水玻璃双液浆，水泥浆及水玻璃按体积1∶1配比，保证注浆达到较高的强度；水灰比采用1.1∶1，确保浆液良好的渗透性。最终既保证砂层的可注性又防止浆液多余扩散，保证加固均匀及强度。

3)对注浆体进行取芯检测，确保加固体无侧限抗压强度不低于1 MPa后方可进行开挖施工。

3.3 桩基沉降控制

PBA法车站的基本原理即为在拱盖及桩基保护下开挖。除了将管幕作为拱盖以及导洞开挖时的变形控制措施外，控制桩基沉降也至关重要。

桩基沉降控制分为2部分: 1)控制地基变形量; 2)控制桩基压缩变形量。在桩基设计时考虑采用φ2 000 mm大直径灌注桩，选择压缩模量大的卵石层作为持力层，并考虑采用桩基后注浆工艺控制沉降。根据《建筑桩基技术规范》计算，桩基沉降为9.3 mm。

3.4 后期沉降控制

根据暗挖施工沉降规律可知，在暗挖隧道初期支护形成后的一段时间内，地层仍会产生一定的变形。在变形控制标准较高的情况下，此部分变形也不容忽视。

为了控制此部分变形，本工程考虑利用管幕自带的注浆系统不断地对地层进行补偿注浆。同时，利用先行边导洞设置长导管对地层注浆，并在此基础上对桩基底部进行定向注浆，从而控制后期沉降并抑制群洞施工引起的桩基沉降发展。桩底补偿及定向注浆示意如图16所示。

图16 桩底补偿及定向注浆示意图

注浆主要起止沉作用，尽量避免产生抬升作用。参考韩冠楠[15]关于主动复式注浆抬升变形的研究，本工程桩基础底部竖向荷载设为1 580 kPa，桩底设6处注浆孔，限定注浆孔处扩散压力为0.25 MPa，并在施工过程中与监测联动，避免产生不利影响。

4 变形分析及对比

为了验证整体方案及关键措施、参数的可行性，对选取的方案进行数值模拟分析，并将模拟结果与实测结果进行对比。

4.1 计算模型

采用Midas/GTS有限元软件建立三维数值模型，对暗挖下穿施工进行变形分析。计算模型中，除地表采用自由面外，其余5个面均设置法向约束。同时，综合考虑边界效应、计算能力等因素，模型宽度及深度均按不小于3倍结构跨度及高度考虑，最终模型尺寸取为200 m×180 m×90 m，共62 422个节点、365 886个单元。土体本构模型采用修正的Mohr-Coulomb模型，结构、管幕及桩等结构采用弹性本构模型，土体、结构与桩体采用实体单元，管幕钢管采用植入式桁架单元。暗挖车站计算模型如图17所示。模型中地层及结构参数取值见表1。

(a) 整体模型(单位： m) (b) 车站与既有建筑的关系模型

4.2 计算结果对比

车站暗挖下穿施工后既有建筑沉降云图如图18所示。由图可知： 1)位于车站正上方偏车站端部及先行导洞一侧位置的既有建筑框架柱沉降最大，为22.3 mm； 2)横向最大差异沉降发生在中柱与南侧边柱之间，最大为5.8 mm； 3)纵向最大差异沉降发生在南侧边柱中间2个柱之间，最大为3.2 mm。根据模拟结果可知，整体沉降变形及差异沉降基本满足沉降控制要求，采取的方案及措施可以达到预期效果。

图18 车站暗挖下穿施工后既有建筑沉降云图(单位： mm)

沉降最大的柱沉降时程曲线如图19所示。中柱与边桩差异沉降时程曲线如图20所示。

图19 沉降最大的柱沉降时程曲线

图20 中柱与边桩差异沉降时程曲线

根据沉降及差异沉降数值计算结果与实测结果的对比分析可知： 实测整体沉降最大值为23.8 mm、差异沉降最大值为6.72 mm，均略大于数值计算沉降值；数值计算沉降与实测整体沉降变化趋势一致，虽局部出现了一定数值差异及规律差异，但主要是施工过程中根据分步控制要求在沉降出现超限趋势时进行主动控制导致的结果。

4.3 沉降控制效果

从整体来看，根据以上实测数据与数值模拟计算情况可知，实测结构整体最大沉降(23.8 mm)略大于数值模拟计算最大沉降(22.3 mm)，实测差异沉降最大值(6.72 mm)略大于数值模拟计算差异沉降最大值(5.8 mm)，说明采取的方案实现了变形控制目标。

从关键环节来看，管幕施工最大沉降实测值7.2 mm>数值模拟值6.5 mm>地基梁模式计算沉降5.8 mm，但三者整体基本一致，实测值略大主要是管幕钻进施工及精度控制方面的原因。桩基沉降实测值7.6 mm<规范计算值9.3 mm，说明整体沉降控制效果良好。导洞及扣拱施工阶段实测沉降值与数值计算沉降值也有良好的一致性。阶段控制也实现了控制目标。

5 结论与建议

1)对于大断面暗挖下穿建筑施工，整体方案的选择尤其重要，设计之初需根据变形控制要求充分分析不同方案的变形控制能力。PBA法具有良好的整体和差异变形控制能力。其中，PBA法施工3层车站与2层车站的变形差异主要受拱顶覆土厚度决定，覆土厚度越小变形相对越大；平顶4导洞方案施工变形>拱顶4导洞方案施工变形>8导洞方案施工变形。在方案选择上，控制变形有利的方案为4导洞平顶方案,如选择其他方案则需采取更可靠的措施。

2)管幕+深孔注浆+平顶4导洞PBA法施工方案可以较好地控制整体变形，产生的沉降也相对均匀，而且能避免发生塌方等不良灾害。通过变形预测与实测数据对比，实测整体沉降最大值为23.8 mm、差异沉降最大值为6.72 mm；数值计算整体沉降最大值为22.3 mm，差异沉降最大值为5.8 mm。两者具有较好的一致性，且均满足整体沉降小于25 mm、差异沉降小于7 mm的控制要求。可见，此方案应用于大断面暗挖非密贴下穿既有建筑是合理可行的。

3)地下结构的施工是复杂的，理论分析的预期效果还需通过施工来实现。在理论变形规律的基础上，采用合理刚度的管幕、管幕施工中采用控制变形有利的定向钻进法、选择压力渐进式循环注浆方案和效果检测手段、应用桩基后注浆工艺以及后期补偿和定向注浆等是控制变形的关键及合理手段。

4)此方案实施过程中，部分管幕顶进精度出现了较大偏差，管幕施工变形也超出了预期，这些管幕施工的关键点有待进一步深入研究，不断改进施工方案。建筑桩基底部注浆技术在注浆压力控制方面非常复杂，如何在保证既有建筑安全的情况下实现建筑止沉甚至微顶升也是后续值得研究的内容。