地铁车站附属工程仰挖施工风险及控制措施研究

徐　凌， 罗富荣

(北京市轨道交通建设管理有限公司， 北京　100068)



地铁车站附属工程仰挖施工风险及控制措施研究

徐凌， 罗富荣

(北京市轨道交通建设管理有限公司， 北京100068)

摘要：地铁车站附属工程爬坡段仰挖施工大多是在工期、进度等压力下被动采用的一种施工方法，施工风险比较大。为降低施工风险，确保安全，须从设计、施工及管理等方面严格管控。以北京地铁7号线暗挖车站10处仰挖附属工程为依托，在对比分析地铁车站附属工程各类施工方法优缺点的基础上，系统研究了仰挖施工的技术及管理措施，分析了仰挖施工的工程进度与地表沉降规律。监测结果表明，在综合采取设计、施工及现场管控措施后，仰挖施工在安全风险及对周边环境影响方面得到了有效控制，地表沉降控制效果较好。

关键词：地铁车站； 爬坡段； 仰挖施工； 风险管控

0引言

城市地铁车站因为要考虑乘客集散及客流问题，大都设在繁华地段，周边环境比较复杂，施工受市政管线和周边建(构)筑物的影响比较大，故其附属工程(出入口及换乘通道)大多采用暗挖法施工。传统施工顺序是利用明挖段或既有结构提供的作业面，由上而下向车站端方向进行俯挖施工，该施工顺序风险相对较小，但工期受到明挖段制约，施工对既有结构干扰大。若利用车站端提供的作业面，由下而上向靠近地面端的明挖段或既有结构进行仰挖施工，此时暗挖段施工可以和明挖段建筑物拆迁或管线改移平行作业，能缩短工期，且施工对既有结构干扰小，但这种方法施工风险比较大。

文献[1-5]分析了浅埋暗挖施工工序及沉降规律，文献[6-11]分析和总结了城市浅埋隧道施工及地铁车站施工对周边环境的影响及沉降规律，陈林杰等[12]总结了浅埋暗挖车站的开挖方法，罗富荣等[13]分析了北京地铁6号线一期工程建设中的仰挖施工情况，郑毅等[14]研究了浅埋暗挖法施工对地层的扰动。伴随着国内城市地铁建设的迅速发展，城市繁华区域内暗挖地铁车站越来越多，为尽可能在较短的时间内实现地铁线路通车，缓解交通拥堵，地铁车站斜通道的仰挖施工将不可避免。

本文结合北京地铁7号线10处仰挖工程，通过对地铁车站附属工程施工方案的对比分析，系统研究了仰挖工程设计、施工与安全管理要点，并对仰挖施工的工程进度与地表沉降规律进行了分析，以期为今后类似工程的设计、施工与管理提供借鉴。

1附属工程施工方法对比分析

表1为地铁车站附属工程分别采用明挖、俯挖和仰挖方式开挖的对比分析。总体而言，明挖法虽然施工风险小，但会涉及到占地及管线改移等问题，对工期影响较大； 俯挖施工不受占地、交通导改影响，但是工期受明挖段制约，风险相对较小； 仰挖施工受明挖段影响小，可与出入口的地面设施等同步施工，平行作业，从而大大减少工期，但仰挖施工风险大，需从设计、施工及管理方面进行严格管控。因此，施工工法的选择应从周边环境、施工工期及施工风险等方面进行综合考虑，如有可能，应尽可能创造条件采用明挖或者俯挖施工。

表1　3种施工工法对比分析

与明挖及俯挖施工相比，仰挖施工存在的主要安全风险有： 1)施工段所处地层(杂填土类)稳定性差，土体容易因失稳而塌方，尤其是拱顶上方及两侧边墙易失稳坍塌； 2)施工段仰角一般为26～30°，人员上下及拱架格栅等初期支护材料运输比较困难，若防护和安全措施不到位，易引起人员和材料的滑落，造成不必要的伤害； 3)由于存在仰角，施工通风不畅，且掌子面聚集热空气，作业环境易造成施工人员不适，引发安全事故，如长期处于该环境下，则容易引发职业病。

采取仰挖施工的主要原因有： 1)换乘车站施工时，新建车站与既有车站间修建换乘通道，新建车站标高比既有车站低，既有车站在运营中无法提供开口施工的条件，且地面无新增竖井的条件； 因此，只能从新建车站向既有车站仰挖施工换乘通道。2)新建出入口地面征地困难，无法及时提供作业面进行暗挖通道施工，从车站提供作业面向外施工时，即面临仰挖施工。

2仰挖施工安全控制技术

2.1工程概况

北京地铁7号线穿过繁华中心城区，周边环境复杂，在众多车站附属结构(出入口及换乘通道)施工过程中，存在建筑物拆迁、管线改移或场地协调困难等问题，严重制约了工期。为此，在总计77处附属工程中有10处改为从车站内部向外进行仰挖施工，为地面建筑物拆迁、管线改移赢取时间。仰挖段所穿越的地层以粉质黏土、粉细砂、中粗砂层及圆砾卵石层为主，地层稳定性差，见表2。仰挖角度基本都在26～30°，挑高高度基本都在4～11 m。仰挖施工示意图见图1。

仰挖施工过程中由于从下向上施工，坡度较大，造成初期支护格栅钢架运输及架设时操作困难，人员上下及掌子面就位困难，掌子面核心土不易留设，且热空气向上方汇集后不易排出，掌子面温度较高等，这些问题如不解决，则无法安全地进行仰挖施工。为解决坡度较大而造成的人员上下及运输困难问题，在已经施工完毕的地段设置人行台阶，以利于人员上下及物资运输。在掌子面附近安装小型作业平台，解决人员就位问题。采取全断面注浆加固地层，可适当缩小掌子面核心土，洞内增设风机，加大通风力度，降低掌子面温度。

2.2扩大超前注浆范围

车站附属工程所穿越的地层以粉质黏土、粉细砂、中粗砂层及圆砾卵石层为主，地层稳定性差，土体容易因失稳而造成塌方，为此必须实施超前注浆加固。在俯挖段，一般要求采用深孔注浆，注浆范围为拱部与侧墙开挖轮廓线外1.5 m、拱部开挖轮廓线内0.5 m。针对仰挖工程，考虑到拱顶上方土体更易失稳坍塌，为此将深孔注浆范围在俯挖段的基础上增加了①、②部洞室的全断面注浆，如图2所示。

北京地铁7号线车站附属仰挖段超前深孔预注浆方式为WSS后退式分段注浆，采用的设备为ZLJ-150二重管钻机和SYB-60/60型双液注浆泵，注浆材料为水泥-水玻璃双液浆，注浆加固每循环长度为8～10 m，每循环之间预留2 m作为止浆墙，注浆压力一般为0.8～1 MPa。从开挖后揭示的掌子面情况来看，深孔注浆达到了预期效果，见图3。

表2　北京地铁7号线车站附属工程仰挖段汇总表

图1　仰挖施工示意图

图2　仰挖段超前深孔注浆范围及开挖步序(单位： mm)

Fig. 2Advance deep-hole grouting scope and excavation steps of down-top excavated section (mm)

2.3调整导洞开挖顺序

出入口和换乘通道仰挖段断面型式一般为直墙拱顶结构，采用CRD法进行施工，因仰挖施工风险最大的阶段是最上层2个洞室的开挖，根据CRD工法的特点，上部2个洞室拱部为土层，下层洞室的拱部为上层洞室的结构底板； 因此，从开挖风险上分析，在开挖过程中容易引起坍塌的风险主要集中在上部2个洞室。对上部2个洞室采取深孔注浆措施进行加固，为了施工的连续性，减少后续施工风险，并尽可能缩短开挖时间，对各洞室开挖顺序做出调整，如图2所示。仰挖施工顺序为： 先对①、②部及开挖轮廓线外的范围按设计要求进行深孔注浆加固，而后开挖上层的①部，待①部开挖完成后再开挖②部，待②部开挖完成后再依次开挖③、④、⑤、⑥部。

图3　仰挖段开挖7 m后的掌子面

2.4改进格栅纵向连接

仰挖段施工时，由于相邻的2榀初期支护拱架所处的断面不在同一高度，如采用传统的纵向连接方式进行连接，将无法满足内外双排布置，且连接筋与初期支护拱架间无法形成可靠连接，将导致初期支护结构整体支护能力减弱。针对仰挖这种特殊情况，为达到内外连接筋双排布设，并与格栅形成可靠连接，施工时将传统形式的纵向连接筋改为“之”字形纵向连接筋，如图4所示。

(a)连接筋安装

(b)连接筋加工

2.5严格施工条件验收

仰挖施工风险较大，为此在施工前与施工过程中应始终重视条件验收工作。仰挖段施工前，由监理单位按照政府部门的文件要求组织参建各方开展施工前的条件验收，同时，在验收时将“地层加固土体的稳定性和止水性满足设计要求”增列为条件验收的主控项目，注浆效果不满足要求的坚决不能施工。

仰挖段①、②部开挖时，掌子面每进尺2 m(即4榀)， 即进行一次施工风险评价， 重点分析监测数值有

无异常、地层加固土体的稳定性和止水性是否满足设计要求(见图5)以及现场通风和人员防护情况(见图6)等。

图5　掌子面深孔注浆效果

图6　施工现场设置的人行步梯

3施工进度与监测数据分析

3.1仰挖工程施工进度统计分析

表3为各主要的仰挖出入口施工进度统计。由表3可知： ①、②部洞室开挖(含注浆)进度平均为0.47 m/d，即1榀/d，6个洞室开挖(含注浆)进度平均为0.74 m/d，即3榀/2d； ①、②部洞室注浆与开挖所占时间较长，约为6个洞室开挖时间的62%。

表3　各仰挖出入口施工进度统计

3.2地表沉降分析

在仰挖工程开挖时，对上方地表沉降进行了研究。近30个沉降监测点的监测数据显示，地表沉降范围为15～45 mm，平均沉降约为28 mm，其中10～20 mm和30～40 mm沉降范围内的测点分别占总测点数的45%和27%，监测数据与俯挖施工引起的地表沉降结果相近，表明在设计、施工及现场管理等方面的管控下，仰挖施工在安全风险及对周边环境影响方面得到了有效控制，地表沉降控制效果较好。

仰挖段典型测点地表沉降历时曲线如图7所示，各开挖阶段的监测数据如表4所示。由图7和表4可知： 仰挖段开挖前的超前深孔注浆引起地表轻微隆起，而后随着开挖的进行，地表沉降逐渐增大，且开挖施工引起的地表沉降主要集中在最上层的①、②洞室开挖阶段，该阶段所产生的沉降约占6个洞室全部开挖完成后沉降的60%～70%； 第2层的③、④洞室与第3层的⑤、⑥洞室开挖产生的沉降比较接近。

图7　仰挖段典型测点地表沉降历时曲线

mm

4结论与讨论

1)暗挖隧道工程施工一般应遵循斜通道俯挖原则，若工程受工期因素影响较大，为加快工期，在条件允许的情况下可慎重考虑仰挖方案，并综合采取各类安全保障措施。

2)地铁车站附属结构仰挖施工存在较大的安全风险，应加强超前深孔注浆加固措施，确保地层注浆加固效果，合理调整各导洞开挖步序，严格管控现场施工作业。

3)仰挖施工时由于坡度较陡，已开挖完毕段需增加台阶方便人员上下，掌子面附近可采取小型可移动平台供作业人员使用，并加强通风管理，加大通风量，保证作业面位置有新鲜风供应。

4)仰挖施工由于风险较大，需加强现场风险管理，定期对现场地层稳定情况、施工作业条件、监测数据等相关信息进行风险评估，确保在风险可控的状况下施工。

5)监测数据表明，在综合采取设计、施工及现场管控措施后，仰挖工程上方地表平均沉降约为28 mm，最上层2个导洞开挖进度为0.47 m/d，即1榀/d，所产生的沉降约占6个洞室全部开挖完成后沉降的60%～70%。

需要说明的是，本次研究未采用数值模拟方法计算分析仰挖施工对地层变形的影响，这有待在今后的研究中得到改进。

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Study on Risk Management and Control Technologies for Down-top Excavation of Ancillary Works of Metro Station

XU Ling, LUO Furong

(BeijingMRTConstructionAdministrationCorporation,Beijing100068,China)

Abstract:The down-top excavation method, with large construction risk, could be chosen when the construction scheme is short. The design, construction and management have to be controlled so as to guarantee the safe construction and to reduce the construction risk. In this paper, the comparison is made among the construction methods of ancillary works of mined Metro station on Line No.7 of Beijing Metro in terms of advantages and disadvantages; and then the construction technology and management technology of down-top excavation method are systematically studied. Finally, the construction scheme of down-top excavation method and the rules of ground surface settlement are analyzed. The monitoring data show that the safe construction has been guaranteed; the influence of down-top excavation on surrounding environment has been minimized and the ground surface settlement has been brought under effective control.

Keywords:Metro station; inclined section; down-top excavation method; risk management and control

中图分类号：U 455

文献标志码：B

文章编号：1672-741X(2016)03-0320-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.03.012

作者简介：第一 徐凌(1977— )，男，江苏无锡人，2005年毕业于同济大学，结构工程专业，博士，高级工程师，现从事城市轨道交通工程建设管理及技术创新等工作。E-mail: 94550061@qq.com。

基金项目：北京市科技新星计划资助项目(Z121106002512086)； 北京市国有资本经营预算项目“地铁工程建设科技创新团队”资助

收稿日期：2015-12-21; 修回日期： 2016-03-03