承压富水砂土地层桩洞法施工变形控制研究

宋战平，张丹锋，曲建生，宋云财

（1.西安建筑科技大学 土木工程学院 陕西 西安710055；2. 中国铁建大桥工程局集团有限公司 天津 300300 ）

在城市地铁的建设中，工程施工方法的选取受工程周边的建（构）筑物、工程区域内的地面交通状况、工程所处区域的工程地质和水文地质条件以及建设资金、施工队伍水平和施工机械等多项条件因素的限制，因此，不同城市乃至同一城市的不同地段地铁工程施工不尽相同．地铁车站施工在世界范围内的主要工法有[1-2]：明挖法、盖挖法、暗挖法(盾构法、暗挖法)、沉管法以及混合法等．在以上几种方法中，明挖法及盖筑法受工程周边建筑物的拆迁，工程范围内的地下管线等的影响，且在工程施工过程中，工程区域内的地面交通需要中断，因此在城市中心区域内施工中明挖法和盖挖法受到很大的限制．而地铁车站的暗挖法可避免工程周边建（构）筑物以及管线的大量拆迁改移工作，并且能将施工对地面交通的干扰减少到最小的程度，因此在城市中心地区，当地面建筑物众多，地面管线较多且施工场地较小，无法进行大面积的改迁，移动，且地面交通必须保持通畅，甚或城市立交桥下众多桥桩的影响时可优先考虑采用暗挖法进行车站的施工[3-6]．地铁车站的桩洞法施工方法（PileBeam Arch，简称为PBA法)的基本思想是利用先开挖的小导施作结构柱（称为桩），在地下形成梁与柱纵向的支撑体系，以此支撑体系扣拱形成纵向和横向的空间框架支撑体系结构；在该支撑体系结构内进行站厅与站台层的开挖[7-9]．目前该工法已应用于北京地铁、大连地铁等城市地铁车站的施工中．

北京地铁7号线6标双井车站总长度L=236.7 m，建筑面积A=22 203.25 m2，车站底板入土深度b=31.5 m，为北京市标高最低的车站；此段车站区域地下水含量较为丰富，承压水压力较大，水头高度为17 m，车站底板下侵其中，车站中板下侵承压水；工程地质、土建施工条件较差，施工方法采用“8导洞的PBA法”施工时，在砂卵石地层进行扣拱施工和车站导洞的施工，层间水最容易造成施工塌方后果；再者，车站位于核心区，周围建筑物较多，交通流量较大，车站附近管线等其他构物较多，同时，施工穿越既有线次数较多．因此，该车站被北京市列为“五个最难车站之一”，为变形控制要求高的高承压富水砂土互层地层中的“8导洞PBA”法施工工程，目前国内外尚无高承压富水地层中的“PBA”法施工的案例．为之，文章以北京地铁 7号线6标双井车站PBA工法为例，对上下导洞开挖顺序、上导洞和小导洞中的4导洞的不同开挖顺序以及车站主体工程开挖引起的土体的变形及其变形特征进行了系统的分析．基于变形分析结果建议了经济、合理的“8导洞PBA”施工方案，指导了该工程的施工．

1 工程概况

北京地铁7号线双井车站总长L=229.6 m，标准段宽度B=23.1 m，高度H=16.25 m，结构入土深b=30.3 m，顶板覆土厚度d=13.89 m．该车站的主要施工难点体现为[10-12]：①双井车站的结构埋深大，其底板的入土深度达31.5 m，为当前北京市在建的标高最低的车站；②此段车站区域地下水含量较为丰富，承压水压力较大，水头高度达17 m之高，车站中板下侵承压水；③双井车站为砂土互层地层，该车站的工程地质条件差，因此车站采用了“8导洞的PBA法”施工；④双井车站地下建筑物较多，并且有3次穿越既有线10号线双井车站； ⑤车站周边地形条件较为复杂，位于核心区域，车流量较大；⑥车站地表之下的地下管线较为繁杂，同时管线位于车站结构之上，并且存在较多老管线，施工对其影响极容易产生安全问题．

双井车站的“8导洞PBA法”工法中，8个导洞均位于中粗砂、粉土、细砂以及砂卵石等地层中，地层信息纷繁复杂；勘测资料显示，上层4导洞已被潜水层覆盖，同时承压水覆盖下层4导洞．开挖难度大，影响支护体系．施工中的涌水、涌砂以及塌方极为容易发生，控制施工安全成为施工的关键．且在车站主体结构施工过程中，一旦沉降变形过大，极易导致上述管线出现渗漏，对车站施工带来不利的影响，增加了施工的风险．因此，车站的“8导洞PBA法”施工中，砂土互层地层的沉降控制是施工的关键．为之，确定了如下数值分析方案：

（1）考虑“8导洞”开挖的引起的“群洞效应”，优化上下层导洞的开挖次序，模拟不同导洞开挖次序时车站地层的位移变化，确定承压富水砂土层“8导洞PBA法”施工的工艺；（2）承压富水地层的“8导洞PBA法”中同层导洞的开挖次序优化，确定上层4导洞和下层4导洞的开挖工艺；（3）车站主体工程施工的影响．

2 “8导洞PBA”施工影响模拟

2.1 上导洞和下导洞开挖顺序影响的分析

北京地铁双井车站数值模拟分析中，取车站中轴线为Y方向，也是导洞的开挖方向，重力方向为Z轴方向，车站轴线的水平垂直方向为X轴方向．车站模型尺寸设定为121×50×60 m，三维计算模型如图1所示．

图1 三维数值计算模型Fig.1 The numerical computation model

双井车站“8导洞PBA法”施工模拟分析中，地层及工程加固措施条件下的围岩物理、力学性能参数等，根据设计院提供的地质勘察资料，并参考《铁路隧道设计规范》确定．计算分析中涉及的围岩的物理、力学性能参数见表1、2所示．根据确定的数值模拟方案，双井车站“8导洞PBA法”施工模拟步序如下：

（1）“8导洞”中的上层4个导洞先行方案，第一步先进行上层的4个导洞开挖，在上层4个导洞全部开挖完成后，接着进行下部的4个导洞的开挖．上层4个导洞中，各导洞错开10 m施工．即总体的施工开挖顺序为①-③-④-②-⑤-⑦-⑧-⑥，导洞编号示意图如图2所示．

表1 各层围岩物理力学指标Tab.1The rock of each layer for physical and mechanical properties index

表2 初期支护及加固区物理力学指标Tab.2 The Initial support and reinforcement of physical index

（2）“8导洞”中的下层4个导洞先行方案，第一步先进行下层的4个导洞开挖，在下层导洞全部开挖完成后，接着进行上部的4个导洞的开挖．即总体的施工开挖顺序为⑤-⑦-⑧-⑥-①-③-④-②，导洞编号示意图如图2所示．

图2 导洞编号示意图Fig.2 The heading Number Schematic diagram

为直观地表现导洞开挖对于地表沉降的影响大小，选取1个典型的施工工序进行分析．在上层4个导洞先行方案中，选取导洞⑤施工至模型中部位置时，此时Y轴方向上，开挖断面处的坐标为25.0 m．在下层4个导洞先行方案中，选取导洞①施工至模型中部位置时，此时Y轴方向上，开挖断面处的坐标为25.0 m．

图3（a）给出了上层导洞先行中，导洞⑤开挖至25.0 m处时的地层变位云图．从图3给出的数值模拟结果可见，在上层导洞⑤开挖至车站中部时，开挖引起的地层变形范围较小，此时开挖引起的地表沉降变形最大位置位于导洞①和导洞②的中间位置，该处的地表累计沉降的最大值为-0.20 cm．

图3（b）给出了下层导洞先行中，导洞①开挖至25.0 m处时的地层变位云图．从图3（b）给出的数值模拟结果可见，在上层导洞①开挖至车站中部时，开挖引起的地层变形范围较上层先行开挖小；此时开挖引起的地表沉降变形最大位置同样位于导洞①和导洞②的中间位置，该处的地表累计沉降的最大值为−0.18 cm．

图3 导洞1和导洞5开挖至中部时地表变形云图Fig.3 The different excavation images for surface deformation

图4 给出了上下层导洞均施工完成后两种方案地表沉降的变形对比曲线，由图4给出的对比曲线可见：上层4个导洞先行开挖同下部4个导洞先行开挖引起的地表变形曲线的形态和变形数值基本一致，即在不考虑承压水影响下两个方案引起的地表变形相当；但考虑到承压水引起的施工耦合效应，以及承压水对地层的上浮影响，建议施工中宜先开挖下层小导洞．

2.2 导洞错开开挖顺序的影响分析

根据以上在数值分析基础上考虑承压地下水影响的分析，建议双井车站“8导洞PBA法”施工中宜优先进行“8导洞”中的下层4导洞开挖，待下层导洞开挖结束后再进行上层的4个导洞的开挖．以上方案施工可将“群洞效应”的影响降低到最小，但该方案施工时间过长．为加快施工的进度，需要在确保变形可控前提下研究，上下导洞错开开挖的技术方案．为之，对双井车站“8导洞”的上下层及同层开挖的错开距离进行数值模拟分析．分析中的计算模型采用同图1的模型，计算参数采用表1和表2参数．数值模拟分析的方案如下：

(1）上层4导洞和下层的4导洞在平面上和立面上均错开一定的距离，具体的施工组织为：首先进行小导洞⑤的开挖，在导洞⑤开挖超过10 m后接着进行小导洞⑦的开挖；在导洞⑦开挖8 m后接着进行导洞⑧的开挖，并在导洞⑧开挖8 m后进行导洞⑥的开挖．在下层导洞开挖推进32 m后接着进行上层4个导洞的开挖，即开挖顺序为：⑤-⑦-⑧-⑥-①-

图4 模型中间断面区地表沉降曲线Tig.4 Surface settlement curve of middle section after all headings completed

（2）下层导洞和上层导洞错开距离开挖方案，各导洞间的施工安排为：首先进行下层4个导洞中的导洞⑤和导洞⑧的开挖，在⑤导洞和⑧导洞开挖8 m后进行上层4个导洞中①导洞和④导洞开挖．在同层的下层导洞中，在导洞⑤和导洞⑧开挖8 m后进行⑦导洞的施工，在⑦导洞开挖超过8 m后接着进行⑥导洞的开挖；在同层的上层导洞中，在①导洞和④导洞开挖8 m后进行②导洞的开挖，②导洞进行8 m后进行③导洞的开挖．各导洞均采用短台阶法开挖，其上下台阶的错开距离为3 m，导洞开挖循环进尺取1 m，随挖随支护．整体的开挖顺序为：⑤-⑧-④-①-⑦-⑥-②-③．

分析中为减少边界对计算的影响，选取模型中间断面进行分析．图5（a）给出了上层4导洞和下层的4导洞在平面上和立面上均错开一定的距离施工时地层的位移变化云图，图5（b）给出了上层导洞和下层导洞错开距离开挖方案时地层的位移云图，表3给出了两种方案的不同施工阶段位移的最值表．由图5和表3给出的数值分析结果可见：上层4导洞和下层的4导洞在平面上和立面上均错开一定的距离开挖方案和下层导洞和上层导洞错开距离开挖方案最终获得的地表沉降量基本一样，但上、下导洞平面上跳挖错距的开挖方案引起的地表沉降最大值较先外后内的导洞错距开挖方案大．

对比分析不同施工阶段地层位移的变化情况，在先挖层导洞施工完成后，施工引起的地表沉降量约占总累计沉降量的57%左右，后完层导坑的施工引起的地层变位占总施工累计变形量的43%左右，因此，上下层的选取对位移的影响较大，而同层间的开挖影响较小．

图5 导洞全部贯通时地表变形云图Fig.5 The different excavation method in heading all through time of surface deformation

表3 各开挖步地表最大沉降量统计表Tab.3 The different excavation of maximum settlement value statistics

2.3 车站主体工程施工的影响

分析双井车站主体施工时地层的位移变化，车站小导洞围岩和隧道注浆加固围岩的物理力学参数根据设计提供的地勘报告及《铁路隧道设计规范》确定，其物理力学指标见表1和表4所示．图6给出了车站主体结构单元划分图．计算中考虑到边界效应，此处仅取模型的中间断面（Y=25 m）处作为研究对象进行分析．

双井车站主体施工完成后地层位移分布见图7所示，表5给出了车站“8导洞PBA法”施工中不同施工步序时地表最大沉降值的统计值．由图7和表5给出的数值计算分析可知，当桩梁拱的结构施做完成后开始车站主体结构的开挖，即使卸荷量较大，对地表位移基本不受影响，地表沉降基本无变化．而在车站扣拱结束时，拱部最大沉降值达到了4.03 cm，此时车站地表沉降值达到了3.84 cm．

图8给出了双井车站纵向中心断面位置处的地表在各施工阶段的地表沉降槽曲线，以车站中线为0位置，分析施工引起的地表沉降变化．由表5和图8给出的计算结果分析可知，地表沉降槽曲线基本与peck公式[13-14]相一致，影响范围在距离车站中线左右35 m．在“8导洞”施工完成时，地表沉降最大沉降量为1.78 cm，约为施工总累计沉降量的46%；在车站扣拱完成时，地表最大沉降量达到了3.72 cm，约为施工总累计沉降量的93%，即扣拱和导洞施工引起的沉降量基本相同，是承压富水砂土互层车站“8导洞PBA法”施工变形控制的关键．

表4 车站结构模型材料参数表Tab.4 The model station for structure material parameters

图6 车站结构单元划分图Fig.6 The map for station structure unit division

图7 车站主体完工阶段时地层的位移云图Fig.7 The construction of the main structure completed stage station stratum vertical displacement diagram

基于以上双井车站在扣拱、主体开挖及二次衬砌施工的不同施工阶段砂土互层地层变形变化的数值模拟分析，考虑“8导洞”开挖引起的“群洞效应”影响，建议双井承压富水砂土互层地层中“PBA”工法开挖宜按：“先下导后上导、导洞间相互交错”的导洞施工顺序组织施工；同时，同一层的4个导洞之间错开距离10 m施工，上下层导洞之间错距15 m进行施工，以减少导洞间施工的相互影响．在各小导洞施工中，宜采用“超短台阶”的二台阶法快速施工，且尽量减小支护的封闭成环时间和距离，以满足施工变形控制的要求．根据双井车站“8导洞PBA法”数值模拟分析结果，在整个施工过程中，小导洞和扣拱施做阶段引起的地层变形在总沉降量当中占了较大比例，约为45%，这两步序在施工过程当中十分关键，需要加以控制，为之建议采取一定超前措施限制该两阶段的变形．

表5 各典型施工阶段地表最大沉降值统计表Tab.5 The typical construction phase of the maximum surface settlement value statistics

图8 各施工阶段地表沉降槽曲线Fig.8 The construction phase of surface settlement curve

由于计算中未能考虑高承压地下水的影响，为确保施工的安全，根据以往施工经验，建议在小导洞施工中采取“深孔补偿注浆”的技术措施,即在施工过程中每完成一次导洞开挖、支护后，对周边土体及掌子面前方土体进行补充深孔注浆，以加固开挖扰动土体，减少开挖造成的地层损失，即所谓的反复超前深孔注浆补偿位移方法．考虑到导洞开挖处于承压水层内，为有效降低地下水引起的危害，暗挖工程施工前在车站周围打设间距6 m，深40 m的降水井，通过抽排降形成区域降水，从而疏干结构范围内地层积水，并从总体上切断外围地下水和结构范围地层的联系．对通过降水井无法疏干的层间滞水，采取局部真空抽排或小导管注浆的方法治理．

3 结论

针对北京地铁7号线双井车站砂土互层地层“8导洞PBA”工法施工对周边地层及建筑物的影响，通过数值模拟探讨了“8导洞”中不同的开挖层序和导洞不同的开挖次序引起的车站地层变形特点，分析了“8导洞PBA法”在扣拱、主体开挖及二次衬砌施工的不同施工阶段砂土互层地层变形特点．论文的研究可得出如下结论：

（1）承压砂土地层的“8导洞PBA”工法施工中，上导洞施工引起的地表变形占总变形量的50%以上，下导洞施工引起的地表变形占总变形量的40%左右．考虑导洞上方管线变形控制的要求，建议承压富水砂层中导洞宜优先开挖下导洞．

（2）基于“8导洞”施工数值模拟分析，并考虑开挖引起的“群洞效应”，建议按“先下导后上导、导洞间相互交错；同一层导洞错距10 m，上下层导洞错距15 m”的承压砂土地层PBA施工方法．

（3）承压砂土地层“8导洞PBA工法”施工引起的地表沉降变形曲线同peck公式预测曲线基本一致．车站开挖影响范围分布于工程中线左右30 m范围内；但就PBA工法各工序开挖影响而言，导洞施工引起的地表沉降量约为18 mm，占总累计沉降量的45%左右，扣拱完成后地表的最大沉降量达37 mm 以上，约占总累计沉降量的46%．

由于计算中未能考虑高承压地下水的影响，为确保施工的安全，建议在小导洞施工中采取“深孔补偿注浆”、降水疏干以及局部真空抽排和小导管注浆的综合治理措施．

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