浅埋暗挖车站过重大风险源施工技术研究

张 爽

（中铁十九局集团有限公司 北京 100176）

1 工程概况

北京地铁6号线呼家楼站位于朝阳北路和东三环路的交叉口处，沿朝阳北路下方东西向敷设。与既有的地铁十号线呼家楼站（南北向）形成十字交叉换乘，车站穿越东三环京广桥（桩基、连续梁）。

受既有十号线车站预留条件及场地建（构）筑物、管线、地面交通等的影响，下穿京广桥及与既有十号线车站换乘段（75.3 m）为单层双跨结构，采用平顶直墙结构形式，CRD工法暗挖施工。

车站暗挖段覆土8 m左右，有电力隧道、热力隧道、给水、燃气、污水等众多管线。

2 地质条件

2.1 工程地质条件

本站范围内土层自上而下主要为杂填土、粉质粘土层、粘土层、粉细砂、中粗砂层和圆砾层⑤。其中车站暗挖施工段的地层主要为粉细砂、中粗砂和圆砾层。

2.2 水文地质条件

图1 呼家楼车站地质剖面图

场区范围内主要赋存二层地下潜水，其中潜水（一）含水层为圆砾卵石⑤层，水位埋深约为15.3 m，对暗挖施工有影响，施工前采用管井降水措施处置。层间潜水（二）含水层岩性为圆砾卵石⑦层，埋深为26.5 m，对暗挖施工无影响。

呼家楼车站地质剖面详见图1。

3 计算分析方法

3.1 暗挖工程计算参数

暗挖工程计算分析采取主要地质参数来源于本站详勘报告。一般土层物理力学性质参数见表1。

表1 一般土层物理力学性质参数

3.2 计算方法的选择与简要说明

本次计算采用的软件为ANSYS及FLAC3D。

根据这两个软件的适用范围及功能，本工程采用ANSYS建模，并使用FLAC3D进行数值计算分析。

（1）计算域的确定

依据开挖断面尺寸的大小，分别设定模型左右边界及下边界，上边界取到地表。

（2）边界条件

模型侧面和底面为位移边界，侧面限制水平位移，底部限制垂直移动，模型上面为地面，取为自由面，将其作为施加附加荷载的应力边界。

（3）计算力学模型

FLAC3D中提供了10种内嵌的材料本构模型，1种“空”模型 （NULL模型）、3种弹性模型和6种塑性模型。

本计算对隧道开挖部分的模拟就是使用NULL模型。

围岩的计算力学模型选用Mohr-Coulomb弹塑性模型，破坏准则采用Mohr-Coulomb破坏准则，如图2所示。

（4）荷载

模拟过程中主要考虑永久荷载，包括建筑物结构自重，地层压力。地层压力的初始应力场由自重产生，不考虑土体构造应力的影响。

（5）支护结构模拟

图2 FLAC3D 中Mohr-Coulomb破坏准则

图3 暗挖主体结构计算模型图

施工中采取的诸如超前小导管注浆对地层的加固处理、格栅钢架与喷射混凝土形成的临时支护措施以及钢筋混凝土二次衬砌都需要进行模拟分析，综合以往经验和软件适应性分析，按照如下方式进行模拟分析：

①超前小导管注浆

采用提高注浆区地层的地层参数来模拟。

根据北京地区注浆试验的经验数据，注浆后，土体的弹性模量 50%，模拟时，按如下数值条件进行数据输入：密度2.2 g/cm3，压缩模量30.0 MPa，泊松比0.25，粘聚力75 kPa，内摩擦角50°。

②格栅钢拱架+喷混凝土

采用拱壳shell弹性单元进行模拟计算。综合设计工况及以往施工经验，按如下数值进行输入分析：厚度0.3 m，弹性模量17.5 GPa，泊松比0.20，密度取2.5 g/cm3。

③模筑钢筋混凝土二衬

模筑钢筋混凝土二衬采用弹性单元模拟。输入数值为：弹性模量30 GPa，泊松比0.20，密度取2.4 g/cm3。

4 风险工程施工影响计算分析及施工技术措施

4.1 车站暗挖下穿地下管线

4.1.1 控制性管线描述

（1）污水管（D700）：该雨管沿东三环路呈南北走向，管内底埋深6.2 m；

（2）雨水管（DN1100）：该雨管沿东三环路呈南北走向，管内底埋深约4.02 m；

（3）雨水管（DN1100）：该雨管沿东三环路呈南北走向，管内底埋深约3.82 m；

（4）上水管（D1400）：管内底埋深约3.25 m；

（5）上水管（D1000）：管内底埋深约1.59 m ；

（6）污水管（D1250）：该污水管沿东三环路呈南北走向，管底埋深6.8 m；

（7）电力隧道（2000×2350 mm）：沟内底埋深10.0 m，在东三环路西侧辅路下。

（8）热力隧道（2700×2320）：根据东三环路东侧沟底埋深10.63 m热力管沟。

（9）中水方沟：（1280×700）：埋深：1.82 m。

4.1.2 变形控制标准

根据管线调查结果，并参考北京市轨道交通工程建设《安全风险技术管理体系》，污水管（施工期间管内无流水）允许沉降量≤20 mm；斜率≤0.0025；沉降速率≤3 mm/d； DN500中压燃气管为有压管线，其沉降控制标准为：允许沉降量≤10 mm；斜率≤0.002；沉降速率≤2 mm/d；电力沟：允许位移控制值≤30mm，倾斜率控制值≤0.004，变形速率控制指标为≤1.5mm/d；热力沟：允许位移控制值≤10mm，倾斜率控制值≤0.002，变形速率控制指标为≤2mm/d。

4.1.3 计算分析

主体结构标准断面其计算如图3所示：

经过计算，由图3可以看出，暗挖主体结构地面最大沉降为35 mm，难以满足管线最小位移控制标准，因此采用半断面超前注浆加固，以有效控制地面沉降，保证管线安全。

4.1.4 施工技术措施

综合考虑车站上方的雨水、污水、上水、热力、电力隧道等管线，隧道施工针对上方管线采取以下保护措施：

（1）施工前对管线的渗漏情况进行详细调查，并提前对管线下方的空洞或水囊进行注浆处理；

（2）提前对上方的雨、污水管线进行铺衬处理或分段对管内水进行导流；

（3）提前调查热力沟及电力沟等管沟内是否有水，若有水必须先疏干；

（4）隧道开挖前采用深孔注浆预加固地层。注浆范围为结构断面开挖线以外2.5 m，开挖线以内0.5 m。

（5）分步多导洞施工初期支护，采用“中洞法”施工，前后导洞错开间距，控制开挖步距0.5 m；

（6）及时进行初支背后注浆，控制地层沉降；

（7）施工中加强对管线进行监测，并及时反馈监测结果。

4.2 对既有十号线结构的施工影响分析与技术措施

4.2.1 破除结构对既有线车站影响分析

十号线车站轨道交通的安全风险包括既有线车站结构和轨道的破坏，主要涵盖以下几个项目：

（1）既有线车站侧墙破除的内力分析和加固方案；

（2）6号线车站施工对既有车站的稳定性、安全性评估；

（3）既有线车站结构（顶、底板）沉降、侧墙倾斜等控制；

（4）既有线运营轨道的保护。

4.2.2 对十号线车站的采取的技术措施

（1）6号线车站的施工需破除既有十号线站厅层的侧墙，对既有十号线车站20 m范围的换乘段节点产生较大影响。尤其是对原拱形顶板与侧墙的脚部支点产生影响，侧向刚度有所减弱。因此，在施工前要将该处采用型钢预应力拉杆将其变成自平衡的系杆拱结构，有效的减小拱脚的水平的位移趋势，保持结构稳定。

（2）采用合理、安全的开凿、加固步序（如图4所示）

图4 既有线车站侧墙开凿加固步序示意图

（3）为确保既有站运营安全，对既有线的运营轨道做专项保护，具体实施方案为：

①变形最大部位设置轨距拉杆防护措施，并在下穿作业开始后即采取限速运行，限速建议值40～50km/h。

②制订周密的监测方案，对轨道结构变形进行监测。随时指导设计参数的调整与施工进展。

4.3 车站暗挖下穿既有桥梁

4.3.1 车站主体暗挖段下穿京广桥桥桩

车站与桥桩的关系如图5和图6所示。

图5 京广桥与呼家楼站平面位置关系示意图

图6 京广桥与呼家楼站立面位置关系示意图

4.3.2 桥桩沉降控制要求

本工程施工前对桥的沉降控制指标及相关参数参考了已经完成的北京市类似工程，即连续梁、异性板等超静定结构沿超静定方向的不均匀差异沉降不大于5mm，简支梁等静定结构，沿静定方向差异沉降不大于15mm，简支梁支墩若为门式刚架结构，也将该方向的受力按超静定考虑，不大于5mm。根据上述要求，本站施工时相关桥桩的允许差异沉降建议值见表2：

本站穿越桥梁段为暗挖法施工，暗挖主体结构外皮距离京广桥桥桩3.8米，该距离在开挖影响范围之内，施工中的土体扰动、地层缺失都将造成桥桩的磨阻力的损失（既有桥梁为摩擦桩）。根据十号线（双层）暗挖施工经验数字揭示，暗挖施工阶段桥梁最大差异沉降为3.03mm，按工程类比分析，虽然6号线车站（单层）施工对京广桥的影响将会小于10号线，但6号线车站施工对桥桩及周围土体属于二次扰动，很有可能引起土体应力重新分布而带来叠加沉降，所以，必须对桥桩采取洞内、洞外措施，有效控制变形，对桥桩保护进行专项设计。

表2 桥桩的允许差异沉降建议值

4.3.3 计算分析

采用平面有限元模型进行模拟基坑施工过程，计算简图如图7和图8所示。

图7 桥梁结构与暗挖结构影响建模图

图8 桥梁结构与暗挖结构计算模型图

模拟计算显示，京广桥桩基产生的最大沉降值约为 8.7mm，满足市政管理单位设定的指标要求，施工中，可以采取隔离、注浆等技术措施，控制该项指标。

4.3.4 施工技术措施

（1）车站施工对邻近桥基影响的分析预测。建立包括既有10号线、在建6号线车站及京广桥桩在内的非线性数值模型，模拟6号线开挖穿越过程，将数值模拟与施工监测进行对比、分析、研究，预测各施工阶段对周边环境的影响水平。

（2）沉降控制标准的制定。根据桥梁上部结构的型式（简支或连续）、相邻结构的相对位置关系以及施工阶段，按差异沉降和绝对沉降指标进行控制，结合市政管理部门的相关要求分别设定各桥墩及地表沉降的控制标准和预警值。

（3）桥桩加固与保护。保护原则：先洞外加固、再降水、开挖前洞内加固、再开挖，加强过程监控，指导施工过程，根据桥桩变化采取优化工序、注浆加固改良、基础补强等措施。施工过程中在车站暗挖通过桥桩前，在洞外施工复合锚杆桩加固和隔离桥桩承台，洞内采用超前注浆的方式对桥桩承台周边土体进行加固。

（4）施工期间应加强监测（包括对车站结构本身的监测和对京广桥的监测），并及时反馈设计，根据监测结果及时修正设计参数。

5 结语

地铁六号线呼家楼站暗挖段最终地表沉降控制在30mm以内，东三环京广桥的沉降控制在2.8mm，未对周边重大管线造成不良影响。

针对复杂环境、高风险条件下地铁车站暗挖工程进行建模数据分析计算，可为施工中采取技术措施提供较强的科学理论依据。

本工程实施前对地层沉降进行了分析计算，确定了管线、桥梁等建构筑物的容许沉降标准，并分别采取了地层加固、分步开挖、隔离分区、变不稳定结构为稳定结构等综合技术处理措施，使所有施工风险得到有效控制，取得了良好的效果。

这充分说明，科学的理论分析在复杂环境下工程施工是十分必要和可行的。值得类似工程借鉴。