复合地层高承压水洞桩法暗挖车站施工可行性研究

■ 中铁第六勘察设计院集团有限公司 姚西平

洞桩法在北京地铁东单站施工时首次采用，它结合了浅埋暗挖法、盖挖法以及框架结构的技术成果，适用于市区地面交通繁忙、地下管线密布等对地面沉降要求较高的地区，迄今为止，该方法在国内地铁车站的建设中得到越来越多的应用。

国内学者对洞桩法地铁车站做了大量研究。罗富荣[1]结合天安门西站工程，对主要施工程序进行了数值分析，结果表明下导洞开挖时地表沉降较大，占施工总沉降的50%；瞿万波[2]对北京地铁10号线工体北路站大断面群洞交叉隧道进行研究，发现不同边桩的设计参数对隧道受力和横向位移产生不同的控制效果，得出洞桩法施工的三维力学效应和地铁站交叉口初期支护结构的力学效应和沉降规律。多数研究针对单一地层中的洞桩法施工进行研究，主要解决在单一地层中洞桩法施工工序、开挖步距、净距对变形影响的问题，而对复合地层且岩层中富含承压水的洞桩法施工的研究较少。

图1 车站总平面图

1.工程概况

该站为某城市1、2号线换乘站，位于繁华市区，车站周边地上、地下建构筑物众多，中山路路口下方为时尚大道，是一幢地下一层局部两层的商业建筑，兼作过街通道；路口东南象限为百货大楼，西南象限为凤凰书城，西北象限为古彭大厦；1号线车站南侧为悠沃地下四层商场，北侧为既有古彭地下广场，准备拆除；2号线彭城路东侧为苏宁广场商业综合体，东北侧为富景广场和华联商厦，东南侧为彭城饭店，各建构筑物及基础形式如图1所示。

该换乘站1号线沿主干道淮海路下敷设，采用洞桩法施工；2号线车站位于彭城路正下方，采用半盖挖法；两线采用换乘厅换乘，采用明挖法施工，两线车站同期实施。

2.工程地质适应性分析

车站从上到下主要土层为：(1)-1杂填土，松散；(1)-1-2老城杂填土，松散；杂填土和老城杂填土厚度约10m～11m；（5）3-4粘土，硬塑，液性指数0.15，渗透系数1.2×10-6cm/s，厚度约10m～11m，自稳性强，常规的超前支护措施（小导管、管棚）加固效果较好，可以满足暗挖施工的安全要求；该层土为不透水层，可将上层导洞扣拱置于该土层之上。

图2 洞桩法车站地质纵断面图

表1 岩石渗透系数

表2 结构设计参数

图3 水文地质单元平面图

图4 车站横断面图

基岩埋深约22m左右，为中风化的寒武系页岩、灰岩和粉砂岩，条带状互层，为南西—北东走向，倾角65～80，单轴饱和抗压强度分别为：4.28MPa、40.9MPa、22.31MPa，岩石裂隙较为发育，岩石基本质量等级为Ⅲ级，考虑裂隙及灰岩中的承压水，综合围岩级别为Ⅴ级，基岩力学性质相对较好，可作为围护桩的持力层。车站工程地质情况如图2所示。

3.水文地质适应性

该站位地下水类型主要为上部土层中的潜水及基岩裂隙水。潜水位于地表以下3.8m～5.5m。在该站做岩溶水文地质专项试验，结果表明：

（1）承压位于灰岩条带中，页岩和砂页均为隔水层，且与灰岩之间的联系很弱；馒头组基岩裂隙水沿沿节理、层面垂向径流强烈，条带之间水力联系差；各岩层渗透系数如表1所示。

（2）试验区域内基岩承压水水与上层潜水之间无水力联系；

（3）馒头组上段灰岩承压水水位15.63m，徐庄组、毛庄组灰岩承压水位18.49m，张夏组灰岩承压水位标高26.89m，基岩承压水可以降至开挖面以下，灰岩内承压水最大降深36.4m，承降承压水不会对周边环境产生的影响；

（4）车站总降水量约13000m3/d，在馒头组灰岩内设降水井10口，单井涌水量最大约1000m3/d；设置在徐庄组和毛庄组降水井共8口，单井涌水量约700m3/d。（图3）

根据水文专项试验结论，1号线暗挖车站避开水量极大的张夏组灰岩，车站东部有砂岩相隔，暗挖的降水量可极大地减小；通过在上导洞内施工降水井提前降水，并在导洞内钻孔桩之间增加注浆帷幕，有一定的隔水作用，可满足暗挖无水作业施工的要求。

4.结构设计

4.1 结构设计参数

受制于周边地下结构和地层的特性，将拱顶置于硬塑状粘土中，拱顶距离上部老城杂填土最小距离2.57m，距离时尚大道底板约7.07m，埋深14.47m。车站纵断面如图2所示，车站横断面如图4所示。

表3 超前支护参数

图5 车站施工工序图

车站采用双层三跨箱型框架结构，拱顶为三联拱，边桩采用机械成孔，直径φ1000@1200mm钻孔灌注桩，钻孔桩内侧铺设φ8钢筋网片，并喷射150mm厚C25湿喷早强混凝土，洞桩法结构尺寸及材料如表2所示。

4.2 支护设计参数

小导洞开挖采用φ42超前小导管注浆支护，扣拱导洞超前支护采用φ108大管棚+φ42钢花管超前支护，管棚环向间距0.4m，管棚从横通道内打入拱顶上方，注水泥浆，若局部渗漏水，可以注双液浆堵水，初支均采用双层φ8钢筋网片+格栅钢架+C25湿喷早强混凝土，支护参数如表3所示。

4.3 开挖工况

通过在暗挖车站一侧设置竖井，从竖井一侧多层横通道，之后在横通道内施工车站导洞。施工过程简化为10个步骤：一是上边导洞开挖支护，机械钻孔施工边桩、桩间注浆止水和施工承压水降水井，将车站内承压水位降低至下导洞开挖面以下1m；二是开挖下导洞；三是施工底纵梁、边桩冠梁及边扣拱，同时开挖上部中间导洞；四是施工钢管混凝土柱及顶纵梁；五是超前大管棚支护，施工边扣拱初支，开挖土体，跳槽拆除扣拱范围内导洞初支，施工防水层、拱部二次衬砌；六是施工中间扣拱大管棚及初支；七是凿除小导洞衬砌，铺设防水层，及中间扣拱二衬；八是逐层开挖至中板以下，施工侧墙防水层、侧墙、中板和中纵梁；九是逐层开挖至底板以下，施工底板防水层、底板和负二层侧墙；十是施工内部结构。车站施工工序如图5所示。

表4 土体物理力学参数

表5 结构单元物理力学参数

5.洞桩法施工对周边环境的影响

5.1 模型与参数

利用大型通用软件ANSYS建立三维有限元模型，以初始自重应力场为基准，通过稳固导洞及车站范围内的土体单元来模拟土体开挖，并进行应力释放[3]，之后再进行初支及车站内衬结构的设置，来模拟导洞的初期支护和车站的二衬[4]。

图6 三维限元模型

考虑边界效应和计算时效，模型尺寸为150m×75m×80m，土体视为理想弹塑性模型[4]，采用空间八节点Solid45实体单元，屈服准则采用D-P准则，结构柱采用beam4单元模拟，初期支护及二衬采用shell63单元模拟，分别赋予对应的材料和几何参数，如图6所示，具体参数见表4和表5。

模型的侧面和底面施加位移边界条件，侧面限制水平移动，底部限制垂直移动，上边界为自由地面。

图7 各工况地表沉降曲线

图8 时尚大道结构底板位移沉降曲线

5.2 地表沉降影响分析

地铁车站施工过程地表沉降曲线如图7所示，扣拱二衬完成后地表沉降17.1mm，占总沉降的87.2%，可见，三联拱形成前导洞及扣拱土体的开挖引起的沉降占总沉降的主要部分，故导洞及扣拱阶段是控制车站总沉降的关键。车站施工完成时地表最大沉降为19.6mm，满足一般市政管线规定的沉降20mm的标准要求。

5.3 时尚大道结构影响分析

各阶段时尚大道结构底板沉降曲线如图8所示，导洞施工完成后，结构底板大道最大沉降为11.05mm；扣拱完成后，结构底板最大沉降为12.2mm，车站全部完成后，结构底板最大沉降为15.2mm，位于时尚大道中央，最小沉降为时尚大道边墙，沉降为7.7mm，结构差异沉降7.5mm，结构倾斜率0.5‰，满足丙级建筑变形标准30mm要求[5]，说明洞桩法施工可以满足时尚大道的安全和正常使用的要求。

6.结论

(1)将上层导洞和三联拱置于工程性质好的(5)-3-4硬塑状粘土中，避开上部老城杂填土、地下建构筑物；

(2)将车站置于馒头组上段、徐庄组和毛庄组岩层互成段，避开水量极大的张夏组灰岩；同时在边桩之间注浆，和边桩形成帷幕，减小暗挖的降水量；

(3)在上导洞内设置降水井，可提前将灰岩承压水降至开挖面以下1m处，可保证车站的暗挖无水作业；

(4)三维数值模拟结果表明，车站施工完成后，地表最大沉降19.6mm，满足规范所要求的沉降标准。扣拱前暗挖引起的沉降占车站总沉降的87.2%，导洞及扣拱阶段是控制车站总沉降的关键。

(5)时尚大道底板最大沉降为15.2mm，最大差异沉降7.5mm，底板倾斜率0.5‰，变形满足当地轨道大交通建设规范要求[5]。