Study on Key Construction Technology of Connection Section of Open-Underground
Excavation in Subway Station
李桩 LI Zhuang；王博军 WANG Bo-jun
（中铁电气化局集团有限公司，北京 100036）
（China Railway Electrification Engineering Group Co.，Ltd.，Beijing 100036，China）
摘要：本文以明挖-暗挖结合段地表沉降、围护体系风险状态为分析重点，通过Flac3D数值模拟同时结合现场监测数据，对比分析不同开挖方案下明-暗挖结合段地表沉降、支撑轴力、桩侧位移以及工期情况，得出了明、暗挖结构同期施工—暗挖边桩分两期施工、中桩一期施工的施工方案，较传统施工方法可大大缩短施工工期。
Abstract: This paper focuses on the analysis of surface settlement and the risk status of the enclosure system in the connection section of open-underground excavation. Through the Flac3D numerical simulation combined with the field monitoring data, the surface settlement, supporting axial force, pile side displacement and construction period of the combined section of open-underground excavation under different excavation schemes are compared and analyzed. The construction scheme of simultaneous construction of open-underground excavation structure, two-phase construction of side pile of underground excavation and one-phase construction of middle pile is obtained, which can greatly shorten the construction period compared with the traditional construction method.
关键词：明-暗挖结合；数值模拟；地表沉降；支撑轴力；桩侧位移；工期
Key words: open-underground excavation；numerical simulation；surface settlement；supporting axial force；pile side displacement；construction period
中图分类号：U231.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2021）01-0108-04
0 引言
PBA工法具有可根据站址周边环境及构建筑物调整结构埋深、施工场地条件要求较低、对既有交通影响较小等优势，并在地铁施工中被广泛应用[1-3]。而在区间施工中，盾构法由于具有安全开挖和衬砌同步，掘进速度快，推进、出土、拼装衬砌等全过程自动化，施工劳动强度低，对地面交通与构筑物影响小的特点，被广泛使用，而盾构法施工必须提供用于盾构始发及接收明挖工法的结构；在此背景下，PBA法和明挖结合法施工车站完美的解决了区间盾构施工和车站主体施工条件问题，目前越来越多的被用于大中型城市地铁站施工[4，5]。而现有对明-暗挖结合地铁车站施工关键技术研究较少，因此开展复杂敏感环境条件下明、暗挖结合地铁修建关键技术研究十分具有必要性，可为今后的城市轨道交通领域复杂敏感环境条件下明、暗挖结合地铁车站修建提供宝贵的技术经验的支持。
1 工程概况
地铁车站主体为洞柱逆作法暗挖双层，局部明挖三层结构，全长267.553m，站台宽度14m。车站暗挖段主体结构为三跨拱形直墙结构，结构长234.403m、结构宽23.3m（局部23.75m）、高16.90m，中心里程处覆土约10.7m；明挖段结构长33.15m、宽32.5m（局部34.5m）、高23.13m，基坑采用桩-撑支护型式，围护桩为φ1000与φ1200钻孔灌注桩，间距为1.4~1.6m，采用1道混凝支撑+5道钢管支撑，钢支撑全部采用斜撑形式。该车站平面位置关系如图1所示。
2 研究方案
为研究不同开挖方案下对明、暗挖法衔接段地表沉降、支撑轴力、桩侧位移以及工期等情况的影响，选取以下3种方案进行分析：①方案一：明暗挖同期施工，暗挖结构边桩及中柱均分两期施工（暗挖一期施工中导洞、边导洞均预留10m）；②方案二：明暗挖同期施工，暗挖结构边桩分两期、中柱分一期施工，（暗挖一期施工边导洞预留10m、中导洞预留2m）；③方案三：明暗挖结构非同期施工，明挖结构施工完成后开始暗挖结构施工。
通过对比数值计算及现场监测数据，综合分析得出最佳方案。
3 数值模拟研究
3.1 明-暗挖交接段数值模型建立
采用有限差分软件FLAC3D对问题进行分析，模型沿PBA横截面总长110m，沿PBA开挖方向长80m，高70m，模型单元总数为86811，总结点数为15468。PBA二衬扣拱拱顶覆土厚度10m。模型底部固定水平方向、竖向方向（X、Y、Z3个方向）；模型两侧固定水平方向，即左右固定X方向，前后固定Y方向；模型上部不采取固定措施，保持为自由面。
数值计算中，12个监测点布置如图2（b）所示：自基坑边缘沿横通道中心轴线方向布置6个测点，此外平行于此6个测点沿PBA轴向方向布置6个测点。12个测点中主要关注A、B、C三测点。其中A测点位于横通道与PBA交界处正上方，B测点临近基坑边缘，C测点位于PBA中心线正上方远离横通道位置。在A、B、C三点沿地层深度布置深部地层变形测线，监测基坑、横通道以及PBA施作过程中引起的地层扰动。
3.2 数值模拟结果
对于A点，方案一与方案二的地表沉降值分别为31.5mm、26.5mm，方案二相比方案一地表沉降值减小了15.9%；对于B点，方案一与方案二的地表沉降值分别为15.6mm、10.7mm，方案二相比方案一地表沉降值减小了30.8%；表明方案二的预留边导洞10m与中导洞2m的施工方法对PBA中间断面及靠近基坑围护结构断面的地表沉降均有一定的控制作用，但沉降值均满足设计文件中地表沉降应控制在60mm以内的要求。
方案一与方案二的监测点A、B处的地层深部变形规律具有一致性，由于地表覆土较薄，深部地层沉降值与地表沉降值几乎相同，仅下层扣拱注浆区域由于注浆层重度较大与导洞开挖直接扰动的缘故沉降值相对大一些。表明无论是采用方案一还是方案二施工，地层中都无明显的地层拱效应作用，地下结构受结构上方全覆土作用。
对于PBA暗挖引起的沉降槽范围，在中间监测断面，方案一施工引起的影响范围为地下车站外轮廓5m左右的范围，方案二施工引起的影响范围为地下车站外轮廓6m左右的范围；在靠近基坑围护结构断面，方案一施工引起的影响范围为地下车站外轮廓2m左右的范围，而方案二由于预留10m边导洞与2m中导洞，使得此断面的地表沉降影响范围未超过车站的外轮廓线。由此可看到，方案一与方案二均能满足地表沉降控制要求，两者有微小差别。
方案一与方案二中PBA开挖对于基坑支撑轴力的影响规律具有一致性，对远离暗挖段的钢支撑轴力几乎没有影响，对靠近暗挖段的钢支撑轴力有一定影响。由于PBA开挖，靠近暗挖段的钢支撑轴力有增大的趋势，整个开挖过程轴力增加60~80kN。
4 监测数据分析
4.1 地表沉降
监测点DB-03-04、DB-04-04地表沉降累计值，从第一次下层导洞完成至站厅层施工完成，由图7可知，随着施工进度的进行，两点的地表累计沉降逐渐增大，变化规律基本一致，DB-04-04、DB-03-04最大累计沉降值分别为48.87mm、39.63m。截止站厅层施工完毕，第二阶段上层导洞开挖完成后，DB-04-04累计沉降值为23.79mm，去除明挖土方开挖影响，导洞开挖阶段地表沉降占比为70.07%；DB-04-04累计沉降值为20.65mm，去除明挖土方开挖影响，导洞开挖阶段地表沉降占比为76.48%。由此可见，暗挖施工过程中，沉降主要发生在导洞开挖阶段，导洞开挖阶段应采取注浆加固、加强监测频率等有效措施。
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4.2 监测数据与数值模拟对比分析
数值模拟点A、B，与之对应的监测点DB-04-04、DB-03-04，如图8所示，随施工进度的进行，地表沉降累计值逐渐增大，在第二阶段桩柱施工完成后，累计沉降值达到最大，分别为26.53mm、10.77mm、48.35mm、39.55mm；其中监测值均略大于数值模拟值，第二阶段桩柱施工完毕后检测数值与数值模拟差值分别为21.82mm、28.78mm，但整体变化规律基本一致。
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5 工期对比分析
PBA-8导洞工法施工进度控制关键线路在于暗挖桩柱体系的形成，而明暗法结合车站常在暗挖衔接段设置变形缝结构，这就使得明暗挖衔接段PBA暗挖桩柱体系为控制车站施工工期的关键节点，明暗挖结合段暗挖与明挖同期施工可以将中柱体系底纵梁、钢管柱及顶纵梁结构施工提前，虽然边桩体系分为二期施工，但是整体工期较传统工筹缩短206天。
明暗挖结合车站结构设计中明挖结构端墙壁柱与暗挖结构第一根钢管柱净间距不大于4m，为加快工期选用明挖暗挖结构同期施工组织设计时，暗挖导洞一期施工中导洞预留长度应具备暗挖钢管柱只进行一期施工，中导洞预留长度宜选明暗挖结合端墙处相邻中柱净距的一半。（图9~图11）
6 结语
本文以某明挖-暗挖结合地铁车站施工为工程背景，采用Flac3D数值模拟方法，结合现场监测数据，分析了不同开挖方案下明挖-暗挖结合段地表沉降、支撑轴力、桩侧位移以及工期情况。
①方案二的预留边导洞10m与中导洞2m的施工方法对PBA中间断面及靠近基坑围护结构断面的地表沉降均有一定的控制作用，沉降值满足设计文件中地表沉降应控制在60mm以内的要求。
②明暗挖结合段暗挖与明挖同期施工可以将中柱体系底纵梁、钢管柱及顶纵梁结构施工提前，虽然边桩体系分为二期施工，但是整体工期较传统工筹缩短206天。
参考文献：
[1]梁发云，殷晟泉，周玮.开挖方案对紧邻地铁深基坑施工风险影响分析[J].地下空间与工程学报，2012，8（3）：590－595．
[2]王梦恕.隧道与地下工程技术及其发展[M].北京交通大学出版社，2004.
[3]贺少辉.地下工程[M].北京交通大学出版社，清华大学出版社，2006.
[4]麻凤海.明暗挖结合施工地铁车站地表沉降研究[J].大连大学学报，2015（03）：41-46.
[5]于富才.地铁车站明挖-暗挖交接处开挖方案优化研究[J].北京交通大学学报，2015（06）：69-74. |
