复杂环境下富水超浅埋高灵敏地层暗挖地铁车站施工沉降控制

樊荣 FAN Rong

（中铁一局集团第四工程有限公司，咸阳 712000）

0 引言

随着社会的不断发展，伴随产生了更多临近既有结构施工的地铁车站，城市人口密集地区暗挖地铁施工更为敏感，采用一系列必要的加强措施和有效的监测反馈更有利于在有限的作业时间保障施工的安全可靠，总结出PBA暗挖法初支强支护条件下施工过程的变形规律和对应的补强措施，并通过有限元理论计算与现场实测数据的交互验证，具有较强的适用性和可推广性。本文以郑州地铁10号线医学院站暗挖工程为例，详细介绍了如何通过建模分析、预埋变形监测点，增设临时型钢桁架等措施，以理论指导实际，验证理论值，以确保在复杂环境下施工的安全性和避免在建中桩钢管柱发生较大沉降。

1 工程概况

郑州地铁10号线医学院站为7号线和10号线换乘车站。10号线为地下两层双柱三跨岛式车站，主体结构跨大学路为暗挖段。暗挖段长48.26m，宽25.1m，顶部覆土约5~5.3m，底板埋深约19.5m；平顶PBA法施工+管幕超前支护，上部设置4个小导洞，中柱采用钢管混凝土柱，逆筑法施工。主要施工顺序为：首先施工暗挖段的主要支撑体系——钢管管幕，待管幕施工完毕且达到设计强度后，施工上层4个暗挖导洞，并在暗挖导洞内施工两侧围护桩和中桩钢管柱，施做顶纵梁防水层及顶纵梁，至此，形成四个桩基支撑体系。开挖导洞之间土体，并按车站纵向分段（每段不大于6m）施工顶板防水层及结构二衬，实现顶板封闭。

2 沉降控制难点分析及解决措施

2.1 施工过程变形情况

2.1.1 监测数据统计分析

暗挖施工沉降监测点布设沿东向西横向按照5m、5m、25m、10m布设监测断面，纵向每个断面布设15个监测点，测点布设如图1所示。通过在所有中桩钢管柱顶部便于监测的位置埋设应变片，实测钢管柱的压缩变形量，以分析对管线及地面沉降的影响。

图1 地表监测沉降点布置平面图

本文选取DBC4-7~11共5个测点进行研究。测点数据包含管幕打设（施工阶段I）、导洞开挖（施工阶段II）、中桩柱及边桩打设，中纵梁施工及边跨施工（施工阶段III）、顶板扣拱（施工阶段IV）4个阶段，获取测点变形数据共2655个，时间跨度531天。测点拟合曲线如图2所示。

图2 郑州地铁10号线医学院站暗挖测点拟合曲线图

从本项目的地表变形拟合曲线发现：①影响暗挖地层变形的要素为导洞暗挖与顶板扣拱施工工序两个阶段；②其导洞暗挖施工工序阶段变形量约10mm，占总变形量的20%，顶板扣拱施工工序阶段变形量约20mm，占总变形量的50%；③从总体变形曲线来看，阶段变形曲率增大，但相对常规支护，变形曲线曲率大为缓和，已基本消除变形急剧增大区；④截至本论文研究时，项目施工工序为完成顶板扣拱，依据之前的研究成果，后续施工引起变形量约为总沉降量的10%，即本项目二衬施工完成后总沉降量控制在40.8mm~45mm，总变形量与常规支护的PBA暗挖工法变形量比，减小约25%~30%的变形。

2.1.2 设计有限元模拟计算结果对比

将现场实际施工过程实测数据与设计有限元建议控制值对比，得出如表1所示结果。

表1 实测数据与设计预测值比对表

根据表1比对结果可知：①现场实测数据与设计有限元计算预测数据基本符合，各施工阶段变形绝对值及变形相对值相差不大，有限元计算相关参数选取合理，其预测变形情况可以作为施工变形控制的重要依据；②最终变形量为预估变形量，需二衬完全施工完成后进行进一步验证；③通过比对，有限元理论计算与现场实测数据相互验证，本次研究对地下工程（地铁车站）PBA暗挖工法初支强支护条件下的变形规律真实可信，可作为未来同类项目设计、施工重要依据。

2.2 临时支撑体系转变

2.2.1 支撑体系转换施工时，存在以下难点问题

①随着洞门开挖时土体由稳定状态逐渐转变为应力重分布状态，马头门易受力而产生非弹性形变；②马头门施工完成后，重量大，若无有效支撑，有塌落风险；③导洞初支侧壁拆除由原临时初支拱架结构受力，跳跃式转变为拱顶、两个中导洞内柱顶纵梁及两个边导洞内围护桩冠梁四个纵向支点支撑体系受力，对顶部扰动大，施工风险大；④管幕接头焊接处在长期渗透作用下无法验证是否满足设计强度，存在脱落风险。

2.2.2 导洞洞门开挖

通过有限元软件创建力学模型进行理论分析，依据力学结构计算模型（重点是体系转换时及理论最大变形量位置），预埋应变片、变形监测点，采集实际数据验证理论计算的准确性，为导洞洞门开挖施工提供数据支撑。

使用有限元软件建立模型，门式支架尺寸按1∶1同尺寸建模，各构件材料特性按实际赋值，约束条件按实际施工情况约束水平及竖向位移。依据设计，将洞门开挖荷载折算为单元荷载，加载到模型之上。洞门一次开完成三榀拱架，间距300mm，开挖长度约为1m，故纵向取1m长土体荷载加载至门式支架上部。门式支架立柱设计为∟160*16等肢角钢加工而成的格构柱，实际使用截面特性相似的I45b双拼工字钢代替。

根据计算结果，变形最大发生于第二跨横梁段跨中位置，最大变形量为6.02mm，小于施工控制允许变形值L/1000即8mm，处于安全范围。

分析对门式支架立柱及横梁进行监测点位布置，应力最大位置为立柱上部两根I22a斜撑，横梁位移最大位置为每跨跨中位置，在每根立柱及上部斜撑位置焊接固定应力计，立柱应力监测点位布置共计5个，立柱上部斜撑应力监测点位布置共计6个。上部横梁每跨中布置一个挠度监测反光测点，共计4挠度测点。

导洞洞门从开挖到施工完成共计8天的门式支架立柱应力监测情况，应力大小基本与有限元模型分析结果相似，且施工过程中无应力突变及结构变形情况，整个体系转换过程中总体安全可控，保障了施工进度及安全。

2.2.3 导洞初支侧壁拆除

依据力学结构计算模型（重点是体系转换时及理论最大变形量位置），预埋应变片、变形监测点，采集实际数据验证理论计算的准确性，为导洞洞门开挖施工提供数据支撑。根据计算结果，变形最大发生于每跨支架跨中位置，最大变形量为8.03mm，小于施工控制允许变形值L/400即12.5mm，变形处于安全范围。

导洞侧壁拆除时，对待拆除侧壁立柱安装应力计，在相邻侧壁立柱拆除前后的应力变化进行监测，若应力出现突变现象，应及时对拱顶进行支架回顶施工，避免因侧壁拆除无有效受力点而造成导洞拱顶出现沉降，造成严重安全隐患，导洞拱顶每隔2m布置一个拱顶沉降监测点位，在导洞侧壁拆除前、拆除过程中及拆除完成后分部连续进行监测并及时对数据进行整理分析，以指导施工。施工扣接顶板时采用分段跳仓施工，避免集中拆除侧壁立柱过多且扣接顶板未及时施工造成导洞拱顶沉降出现安全隐患。通过13天的导洞侧壁立柱拆除应力监测情况发现，应力大小基本与有限元模型分析结果相似，施工过程中无应力突变及结构变形情况，体系转换过程安全可控。

图3 暗挖门式支架Midas变形分析图

2.2.4 新增临时型钢支撑

在整个体系转换过程中，管幕接头焊接质量是导洞拆除方案成败的关键，根据现场施工的实际情况，在拆除拱架阶段增设了I45b门型支架体系对结构进行补强，并通过跳槽破除导洞，及时根据监测反馈数据动态调整施工步序的方式，针对体系支撑转换在管幕接头处新增了临时型钢支撑。使用Midas civil有限元软件建立模型，门式支架尺寸按1∶1同尺寸建模，各构件材料特性按实际进行赋值，约束条件按实际施工情况约束水平及竖向位移。依据设计，将导洞间土体开挖荷载折算为单元荷载，加载到模型之上。导洞间土体一次开完成三榀拱架，间距300mm，开挖长度约为1m，故纵向取1m长土体荷载加载至门式支架上部。根据计算结果，变形最大发生于第七跨横梁段跨中位置，最大变形量为2.44mm，小于施工控制允许变形值L/1000即8mm，变形处于安全范围。

3 现场施工过程中应注意的事项

3.1 导洞初支侧壁拆除施工

①由测量人员现场放样出侧壁需破除范围，并做标记，每段拆除长度严格控制在6m，并跳段拆除；②施工人员使用风镐由上而下对侧壁混凝土进行破除，破除时注意不要对拱架造成破坏，破除过程中要对拱顶沉降进行全程监控，若沉降值大于8mm时应及时停止破除施工；③拱架间混凝土破除完成后，经现场监测人员对拱顶沉降监测完成并得出结论符合要求时可逐榀进行拱架拆除，连接板位置可将螺栓拧开拆除，若螺栓无法拧动可使用氧气对拱架进行切割，拱架立柱拆除过程应尽量减少对邻近拱架立柱的影响，拱架拆除过程严禁人员靠近，应全程进行拱顶沉降监测。

3.2 施工过程变形监测

①地表沉降监测点标志采用窖井测点形式，采用人工开挖或钻具成孔的方式进行埋设，要求穿透路面结构层。测点加保护盖，孔径不得小于150mm。道路、地表沉降监测测点应埋设平整，防止由于高低不平影响人员及车辆通行，同时，测点埋设稳固，做好清晰标记，方便保存。②监测点需设置测点连接杆，连接杆一端头设置测点，另一端头需牢固定位，焊接在初支骨架上，连接杆长度自定，以不影响施工，且导洞初喷混凝土后要外露为原则，以便后期监测。

4 现场实际效果

10号线医学院站暗挖段施工具有工期紧张、施工作业空间狭小、软弱地层高敏感易沉降、周边环境敏感的特点。通过对高风险施工环节应用Midas civil软件进行跟踪辅助计算，提出了加强体系转换阶段监控量测、优化支撑体系加快扣拱封闭施工等措施，解决了暗挖结构临时支撑体系转变过程工程风险较大、狭小空间扣拱作业工效较低等实际问题。

5 结论

国内轨道交通土建施工时，PBA工法以其独特的优势，在市内繁华区域地铁车站施工时被越来越多地采用。其施工过程的工序衔接和沉降控制成为工程质量控制及安全控制的关键。通过本项目的研究及实践经验，可以得出以下结论：①工序转换可通过引入临时型钢桁架作为支撑受力体系，有受力安全、现场操作方便的优点，此方法可应用到其他结构施工中。②保障施工整体过程的安全可靠，可通过应用仿真计算、结构设计与工程实际相结合，有效控制施工过程中地表沉降、管线沉降、导洞沉降收敛等各工序施工技术、质量控制，并借助预埋的测量仪器（应变片、变形监测点）作为监测沉降控制效果的保证措施。