孫玉輝 李曉萌 陳昌彥 白朝旭 王金明

（北京市勘察設計研究院有限公司，北京 100038）

0 引言

城市地鐵建設高速發(fā)展，地鐵施工穿越鄰近建（構(gòu)）筑物、既有地鐵、鐵路等風險較高的周邊環(huán)境已成常態(tài)，地鐵施工過程中，因開挖擾動、地層損失、固結(jié)沉降等因素造成地層產(chǎn)生變形，導致周邊環(huán)境隨之發(fā)生變化。由于建（構(gòu)）筑物、既有地鐵、鐵路等風險較高的周邊環(huán)境均有自身剛度的限制，對變形控制較為嚴格，另外，北京等城市對地下水資源保護意識逐步增強，目前地鐵施工普遍限制降水，對于在地下水豐富的地層進行地鐵施工是巨大挑戰(zhàn)。如不能正確選擇施工工法將會給周邊環(huán)境造成事故，帶來的經(jīng)濟損失及社會影響難以估計。因此，在周邊環(huán)境復雜的城市中心如何選擇暗挖車站施工工法以確保自身結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境安全已成為地鐵施工必須探索和研究的課題。為解決上述問題，目前城市中心等環(huán)境復雜地方車站或隧道多采用單層洞樁法暗挖修建，單層洞樁法首次在北京大屯路隧道試驗，后期在北京地鐵10號線二期進一步嘗試，在北京地鐵16號線得到推廣應用[1-3]。單層洞樁法作為新型施工工藝，目前針對其優(yōu)勢及合理施工順序的理論研究偏少。基于此，以北京地鐵16號線8座暗挖車站為例，分析單層洞樁法施工較傳統(tǒng)PBA工法優(yōu)勢，并對單層洞樁法施工工藝進行數(shù)值模擬，總結(jié)分析出合理開挖順序，為設計、施工及理論研究提供參考。

1 洞樁法原理及施工步序簡介

洞樁法施工即是先進行車站局部開挖，形成樁柱拱豎向直撐體系后，再在直撐體系的保護下進行逐層土方大開挖、施做車站結(jié)構(gòu)的一種施工方法。目前常用的洞樁法為傳統(tǒng)PBA工法和單層導洞洞樁法，傳統(tǒng)PBA工法施工步驟為：開挖上下兩層導洞-施做邊樁、中樁、條基、頂?shù)卓v梁等初支扣拱形成拱支護-土方開挖-施做結(jié)構(gòu)。單層導洞洞樁法施工步驟為：上層導洞開挖-施做邊樁、中樁、中柱、冠梁、頂縱梁、初支扣拱形成拱支護-土方開挖-施做結(jié)構(gòu)。兩種施工工藝最大區(qū)別為是否進行下導洞開挖[4-8]。具體步驟見圖1、圖2。

圖1 傳統(tǒng)PBA工法施工工序

圖2 單層導洞洞樁法工法施工工序

2 單層導洞洞樁法優(yōu)勢分析

2.1 對周邊環(huán)境的影響

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計資料顯示，傳統(tǒng)PBA工法施工對周邊地層及環(huán)境影響較大[4-8]；單層導洞洞樁法施工因只開挖上層導洞及邊樁，對周邊環(huán)境起到隔離保護等作用，對周邊地層及環(huán)境影響較少。本文以北京某地鐵線路相鄰暗挖車站進行實例分析，各車站基本情況及對應地表沉降量統(tǒng)計見表1。

從表1可看出在車站結(jié)構(gòu)尺寸、埋深、地層條件等相似的情況下，傳統(tǒng)PBA工法施工造成地表沉降平均值為-113 mm，單層導洞洞樁法施工造成地表沉降量平均值為-62 mm，減少了45%。

表1 各車站基本情況及對應地表沉降量統(tǒng)計表

總之，單層導洞洞樁法工藝減少導洞開挖數(shù)量，特別是取消了下層導洞開挖環(huán)節(jié)，從而減少暗挖施工對周邊環(huán)境的影響。另外，邊樁的施做起到隔離樁的作用，亦可實現(xiàn)對臨近風險源的隔離保護作用。

2.2 對地下水處理手段

傳統(tǒng)PBA工法施工下層導洞一般在水位以下作業(yè)，對地下水的處理難度較大，風險較高。遇到地下水時一般采用地面管井降水+導洞內(nèi)真空降水的綜合處理方法，下層導洞內(nèi)的結(jié)構(gòu)是整座車站結(jié)構(gòu)體系的基礎(chǔ)，要提前將地下水降至下層導洞底板以下，才可施工主體下層導洞，這導致降水周期過長，對地下水造成極大浪費，并且如遇降水效果不好或地層存在層間滯水等情況，往往出現(xiàn)帶水作業(yè)現(xiàn)象，極大地增加施工風險。目前，北京等城市限制地鐵施工降水，即使允許降水，降水井打設困難已是常態(tài)，傳統(tǒng)PBA工法施工難度不斷加大。

單層導洞洞樁法為上導洞內(nèi)邊樁施工，通過調(diào)整縮小邊樁間距，減少樁間土體裸露面積，或者直接施做止水帷幕，為后期在“樁柱拱”支撐保護下的土方開挖進行樁間止水創(chuàng)造有利條件。站廳站臺土方開挖期間，配合采用深孔注漿的方式對樁間土體進行加固止水，注漿漿液采用水泥水玻璃雙液漿，加固區(qū)域相對集中，可達到快速止水的效果，地下水得到有效控制，避免樁間土流失、坍塌及樁外空洞的形成。

總之，單層導洞洞樁法工藝可利用上層導洞不涉及地下水的有利條件，實現(xiàn)車站三分之二時間在無水條件下作業(yè)，并可于洞內(nèi)進行地下水綜合治理，可有效避免因長期降水導致的地表沉降，改變有水施工環(huán)境，提高施工環(huán)境安全性，降低投資成本，有利于保護水資源和提高工程經(jīng)濟效益。

2.3 其它方面

單層洞樁法可以提高作業(yè)機械化程度和工程施工質(zhì)量，從而提高施工效率、降低工程風險。

3 單層導洞洞樁法合理開挖順序研究

本次計算使用通用有限差分程序FLAC3D，采用地層-結(jié)構(gòu)模型，按照平面應變處理，以北京某地鐵單層導洞洞樁法暗挖車站為例進行模擬，主要分析單層導洞洞樁法導洞開挖、初支扣拱、二襯扣拱的合理順序。

3.1 模型說明

本次模型假定如下[9-10]：

（1）地層材料采用理想彈塑性模型，Mohr-Coulomb屈服準則，大應變變形模式，結(jié)構(gòu)材料均采用線彈性本構(gòu)模型；

（2）假定地表面和各土層均呈均質(zhì)水平層狀分布；

（3）不考慮巖體的構(gòu)造應力場，只考慮自重應力場，并假設側(cè)壓力系數(shù)為1/3；

（4）不考慮地下水滲流在車站開挖過程的影響。

根據(jù)本工程情況，本模擬中地層劃分情況及各地層參數(shù)見表2。模擬中初支及二襯均采用實體單位進行模擬，邊樁根據(jù)式（1）、式（2）等效為連續(xù)墻，中柱采用實體單位[11-17]。具體模型網(wǎng)格圖見圖3。

圖3 模擬網(wǎng)格圖

表2 地層劃分及其參數(shù)統(tǒng)計

式中：D為樁直徑，m；T為樁間凈距，m；H為等效后墻厚度，m。

3.2 導洞合理開挖順序

根據(jù)本暗挖車站的形式，導洞自左向右依次編號為1、2、3、4，初支扣拱自左向右依次編號為a、b、c，二襯扣拱自左向右依次編號為A、B、C（見圖4）。

圖4 導洞、初支扣拱、二襯扣拱開挖順序圖

根據(jù)單層導洞洞樁法施工特點，對導洞開挖順序13-24、23-14、14-23、14-2-3、1-4-3-2、1-4-2-3、2-3-14等7種情況進行模擬，具體不同導洞開挖順序?qū)Φ乇碡Q向位移及水平位移影響統(tǒng)計見表3，不同導洞開挖順序施工造成的地表沉降槽見圖5。

表3 導洞開挖對地表影響統(tǒng)計

圖5 導洞開挖對地表影響沉降槽

根據(jù)表3及圖5可得出：

（1）1-4-2-3、1-4-3-2導洞開挖順序施工對車站橫向地表影響范圍較大，14-23導洞開挖順序施工對車站橫向地表影響范圍較小。14-23、23-14導洞開挖順序（即中間兩導洞同時開挖）施工對地層豎向變形影響較大，其余導洞開挖順序影響較小。

（2）邊導洞開挖后，中間2個導洞開挖先后順序?qū)Φ乇碡Q向變形無影響，例如1-4-2-3和1-4-3-2導洞開挖順序。但中間兩導洞開挖過程中要確保合理錯距，如無錯距或不合理將對地表豎向變形影響很大，例如1-4-2-3和1-4-23導洞開挖順序。

（3）總體來看13-24導洞開挖順序性價比較高，在合理控制地表豎向變形及車站橫向影響范圍的情況下，有利于縮短工期，為單層洞樁法施工首推導洞開挖順序。

3.3 初支扣拱合理開挖順序

根據(jù)3.2節(jié)結(jié)果，在13-24導洞開挖順序上進行初支扣拱ac-b、b-ac、a-b-c、a-c-b、ba-c等五種情況模擬。具體不同初支扣拱順序?qū)Φ乇碡Q向位移及水平位移影響統(tǒng)計見表4，不同初支扣拱順序施工造成的地表沉降槽見圖6。

表4 初支扣拱對地表影響統(tǒng)計

圖6 初支扣拱對地表影響沉降槽

根據(jù)表4及圖6可得出：

（1）不同初支扣拱順序?qū)Φ貙迂Q向變形及車站橫向水平影響均不大，豎向變形最大值與最小值相差僅為2.7%，水平影響范圍最大值與最小值相差為4.6%。

（2）考慮到工期及現(xiàn)場施工條件，首推ac-b初支扣拱順序進行現(xiàn)場施工。

3.4 二襯扣拱合理開挖順序

根據(jù)3.3節(jié)結(jié)果，在ac-b初支扣拱順序的結(jié)果上進行二襯扣拱AC-B、A-B-C、A-C-B、BA-C、B-AC等五種情況模擬。具體不同二襯扣拱順序?qū)Φ乇碡Q向位移及水平位移影響統(tǒng)計見表5，不同二襯扣拱順序施工造成的地表沉降槽見圖7。

根據(jù)表5及圖7可得出：

圖7 二襯扣拱對地表影響沉降槽

表5 二襯扣拱對地表影響統(tǒng)計

（1）二襯扣拱期間地層豎向變形階段量較少，不同二襯扣拱順序?qū)Φ貙迂Q向變形量影響適中，豎向變形最大值與最小值相差僅為15.2%；不同二襯扣拱順序?qū)囌舅接绊懛秶畲笾蹬c最小值相差為2.6%，相差較小。

（2）考慮到工期及現(xiàn)場施工條件，首推B-AC二襯扣拱順序進行現(xiàn)場施工。

4 結(jié)論

（1）作為地鐵車站結(jié)構(gòu)施工方法，傳統(tǒng)PBA工法和單層導洞洞樁法均是先進行車站局部開挖，形成樁柱拱豎向直撐體系后，再在直撐體系的保護下進行逐層土方大開挖，兩者最大區(qū)別是后者無需進行下導洞開挖。

（2）與傳統(tǒng)PBA工法相比，單層導洞洞樁法對周邊環(huán)境影響較小，可采用綜合手段治理地下水，更有利于保護地下水資源、提高作業(yè)機械化程度、降低工程風險。

（3）為實現(xiàn)施工便捷，并能降低地表豎向變形及車站橫向影響范圍等不利影響，導洞開挖順序首推隔洞同時開挖的方法，杜絕相鄰導洞同時開挖或不滿足錯距要求的情況下同時開挖。

（4）不同初支扣拱順序、二襯扣拱順序?qū)Φ貙迂Q向變形及車站橫向水平影響均不大，建議按照先邊后中的順序進行初支扣拱，按照先中后邊的順序進行二襯扣拱。