石家庄地铁洞桩法车站施工地表沉降分析

杨 磊，孙 斌

（中土大地国际建筑设计有限公司，河北 石家庄 050000）

0 引言

随着我国城市规模不断扩大，城市地铁已成为现代化城市交通不可或缺的一环。目前，我国城市地铁车站建设主要采取明挖和暗挖两种施工方式，其中暗挖法车站施工较多采用洞桩法施工。洞桩法施工因具有占地面积小、对地层变形影响小等优势而在工程中得到了广泛应用。作为城市地铁车站建设的主要施工工艺，洞桩法受到了国内诸多学者的关注。扈世民等［1］基于变位分配法原理对洞桩法施工引起的变形进行分阶段研究，对比了主要沉降阶段的沉降比例，提出超前注浆、错距开挖、短进尺等施工措施，以减小对周围环境的不利影响。李涛等［2］借助数值模拟方法，结合北京地铁 6 号线田村站实际监测数据，对洞桩法车站不同扣拱顺序对地表沉降的影响进行了分析研究。孟令志［3］以实际地铁工程为背景，结合数值模拟方法，对洞桩法车站下穿既有隧道时，在控制既有隧道结构沉降、变形缝差异沉降、土体塑性区分布方面的问题进行了研究，得出了六导洞洞桩法均优于八导洞洞桩法的结论。李亮［4］以某地铁车站砂卵石地层中洞桩法施工为背景，采用三维有限元数值计算进行分析，研究了单层导洞形式下洞桩法不同施工阶段对地表沉降的影响及对车站周边土体的扰动情况。

石家庄作为京津冀地区重要的中心城市之一，城市轨道交通建设得以迅猛发展。石家庄地铁工程建设中车站施工主要以明挖施工工艺为主，少数采用洞桩法施工，所以洞桩法施工经验积累相对较少。本论文根据洞桩法施工工艺特点和石家庄地质特点，对大戏院站及长安公园站实际监测数据进行了分析，为类似地质条件下洞桩法施工提供参考。

1 石家庄地铁洞桩法车站施工工艺流程

洞桩法施工主要分为 4 个阶段。

1）导洞开挖阶段：自暗挖竖井横通道或明挖基坑向暗挖段施做导洞，导洞一般分为 2 层，为后续梁柱体系施工提供作业空间。

2）梁柱体系阶段：在导洞内，施作车站的围护边桩、中柱、底梁和顶梁。桩、柱起支护土作用兼做承载力桩基，承受暗挖逆筑法顶土层竖向及侧向压力。

3）扣拱施工阶段：开挖上层导洞之间土方，依次完成车站上层扣拱的初期支护和二次衬砌，形成车站拱部支撑体系。

4）下部结构阶段：在顶拱和边桩形成的空间支撑结构下，逐层开挖车站土方，依次施工内部二次衬砌结构，最后形成由外层边桩及顶拱初期支护和内层二次衬砌组合成的永久承载受力体系［5］。

洞桩法施工步序如表 1 所示。

2 石家庄地铁洞桩法车站沉降监测实例

以下通过石家庄地铁两个洞桩法车站的工程概况、地质条件、施工工期以及最终的沉降结果等条件，结合洞桩法的主要施工阶段，尝试分析地铁洞桩法施工中地表沉降特点及重要的影响因素。

2.1 大戏院站

2.1.1 工程概况

石家庄市城市轨道交通 2 号线一期工程大戏院站，车站位于石家庄建设南大街与裕华路十字路口，沿建设南大街南北向布置。车站南北两端三层段采用明挖顺作法施工，中间两层段采用暗挖洞桩法施工。车站暗挖段长 81.4 m，结构宽度 23.1 m，高度约 15.54 m。车站暗挖断拱顶覆土约 7.3 m，底板埋深约 22.85 m。车站暗挖段采用洞桩法施工，复合式衬砌（初期支护+二次衬砌），初期支护以 C 25 喷射混凝土、格栅钢架为主要支护手段，小导洞超前支护采用深孔注浆+超前小导管+掌子面注浆加固，扣拱超前支护采用φ159 壁厚 8 mm 超长管棚+深孔注浆+超前小导管+掌子面注浆加固。二次衬砌整体为模筑 C 40 防水钢筋混凝土。

表1 洞桩法施工步序图

2.1.2 地质条件

车站主体地层自上而下主要为杂填土、素填土、黄土状粉质黏土、粉细砂、粉质黏土、中粗砂、粉质黏土、细中砂。车站上层导洞及大拱拱顶土层主要以黄土状粉质黏土、粉细砂层为主，车站下层导洞拱顶范围主要为粉细砂、中粗砂、粉质黏土为主，底板位于粉质黏土层。地下水位为 42.5 m，位于车站底板以下约 20 m，施工期间无需降水。大戏院车站的地层剖面如图 1 所示。

图1 大戏院车站地层剖面

2.1.3 工期节点

按照洞桩法车站主要施工阶段划分，实际施工进度工期节点时间如表 2 所示。

表2 大戏院站工期节点

2.1.4 典型断面沉降对比

1）选取该车站 2 处典型监测断面（横向监测断面 1 与断面 2），根据洞桩法主要施工阶段划分，地表沉降曲线如图 2 和图 3 所示。

2）对已选取的 2 个典型监测断面中的车站中心点进行分析，按照洞桩法主要施工阶段划分，各阶段沉降占比情况详如图 4、图 5 所示。

2.2 长安公园站

2.2.1 工程概况

图2 断面 1 各主要施工阶段地表沉降曲线

图3 断面 2 各主要施工阶段地表沉降曲线

图4 断面 1 中心点各主要施工阶段地表沉降占比情况

图5 断面 2 中心点各主要施工阶段地表沉降占比情况

石家庄市城市轨道交通 2 号线一期工程长安公园站，车站跨建设北大街与健康路交叉口，南北向沿建设北大街布置。车站为 PBA 暗挖车站，主体结构为地下两层三跨、拱顶直墙框架结构。车站总长 225.7 m，标准段结构宽 21.1 m，高 16.0 m。车站顶拱覆土厚度约7.0 m，底板埋深约 21.9 m。导洞与扣拱初支结构均为钢格栅+喷射混凝土的初期支护形式，初支开挖土方加固措施采用深孔注浆+超前小导管形式，二次衬砌为 C 40 模注钢筋混凝土，两次衬砌之间设柔性防水层；主体结构中柱及边桩均采用人工挖孔桩，其中边桩采用钢筋混凝土桩（Φ1 000 @1 800），中柱采用钢管混凝土柱（Φ800@7 000）。

2.2.2 地质条件

车站主体地层自上而下主要为杂填土、素填土、黄土状粉质黏土、粉细砂、粉质黏土、中粗砂、粉质黏土、细中砂。车站暗挖段拱顶穿越土层为黄土状粉质黏土，底板位于粉质黏土层。现状地下水埋深大于 45 m，施工期间不受地下水影响，无需降水。

长安公园车站地层剖面如图 6 所示。

图6 长安公园车站地层剖面

2.2.3 工期节点

按照洞桩法车站主要施工阶段划分，实际施工进度工期节点时间如表 3 所示。

表3 长安公园站工期节点

2.2.4 典型断面沉降对比

1）选取该车站 2 处典型监测断面（横向监测断面 3 和断面 4），根据洞桩法主要施工阶段划分，地表沉降曲线如图 7 和图 8 所示。

2）对已选取的 2 个典型监测断面中的车站中心点进行分析，按照洞桩法主要施工阶段划分，各阶段沉降占比情况详如图 9 和图 10 所示。

3 监测成果分析

图7 断面 3 各主要施工阶段地表沉降曲线

图8 断面 4 各主要施工阶段地表沉降曲线

图9 断面 3 中心点各主要施工阶段地表沉降占比

图10 断面 4 中心点各主要施工阶段地表沉降占比

1）导洞开挖阶段施工工期约为 3～4 个月，该阶段沉降量约占总沉降量的 60 %～70 %，其中车站中部沉降值最大，越远离车站中间位置沉降量越小，地表沉降曲线整体呈现向下的单凹槽形状。初步分析造成该现象的原因是该阶段群洞施工效应引起的，导洞施工过程中引发地表沉降，各导洞沉降槽相互影响，越靠近车站中部，相互影响程度越大，土体受到的扰动越明显，沉降值就越大。其次沉降槽影响程度明显受导洞间净间距影响，长安公园站中部两个导洞净间距仅有 1.6 m，明显小于其他导洞间净间距，沉降槽影响程度相较其他导洞间更大，所以该位置土体受到的扰动程度更大。施工阶段地表沉降曲线发展情况图，也显示了长安公园站的地表沉降曲线凹陷程度明显大于大戏院站。

2）梁柱体系阶段施工工期约为 4 个月，该阶段沉降量约占总沉降量的 5 %～10 %。地表沉降速率较小，沉降量稳定。该阶段施工主要在是导洞内进行桩体和结构施工，对周边土体影响相对较小。

3）扣拱施工阶段工期约为 6 个月，该阶段沉降约占总沉降量的 13 %～20 %。地表沉降值进一步加大，沉降曲线向中间进一步凹出，说明越靠近车站中部，监测点沉降速率越快。初步分析该现象的原因是该阶段主要施工柱、梁之间的拱部结构，整体结构的承力体系由导洞初支向柱、梁、拱结构进行转换。受力转换期间，车站上方土体因扣拱初支施工影响，再次受到较大扰动，引发沉降速率变大。

4）下部结构阶段工期约为 7 个月，该阶段沉降约占总体沉降量的 5 %～10 %，地表沉降已趋于稳定。由于扣拱结构施工的完成，车站整体承力体系已经完成。在拱部结构和围护桩的保护下，下部结构的土方开挖和结构施工对周边土体已产生不了大的扰动，整个车站的地层沉降已趋于稳定。

4 结语

1）洞桩法车站地表沉降曲线呈单凹槽形式，沉降最大点位于断面中心。按照所处施工阶段的不同，地表沉降曲线呈现明显的阶段性变化。地表沉降值以导洞开挖阶段最为明显，其次是扣拱施工阶段，因此这两个施工阶段是控制洞桩法地铁车站地表沉降的关键。

2）导洞开挖阶段是控制洞桩法施工地表沉降的主要阶段，导洞开挖期间首先要注意群洞效应，避免由于工艺简单而导洞施工速度过快，通过严格控制导洞开挖顺序、导洞间掌子面间距等措施，有效避免因群洞施工对地层的多重扰动，从而有效降低洞桩法施工沉降。其次提高对净间距小的导洞施工引发沉降的重视程度，加强此类导洞施工措施，如对导洞间地层进行注浆加固，提高围岩自稳能力，应能有效控制施工沉降。

3）扣拱施工阶段是洞桩法施工工艺的受力转换阶段，此阶段会引发地层沉降的二次加速。扣拱施工期间应严格控制扣拱初支施工质量，同时辅以地层超前注浆、大管棚等土层加固措施，尽量做到强支护、快封闭，快速完成转换阶段。

4）在洞桩法施工中通过监测数据分析沉降、反映地层、支护及主体结构的安全稳定性状况，了解工程施工对周围环境的影响程度，从而及时、严密、有效地监测各施工时段的变形情况，起到预测、预报施工安全，指导施工、调整施工方案作用，确保工程建设顺利进行，确保地面建筑物及地下管线的正常使用，真正做到信息化施工。石家庄地铁施工在无水环境和相对良好地质条件下进行，为类似水文和地质条件下洞桩法施工积累了相关经验和提供参考数据。