明暗挖结合分离岛式车站临近高架桥桩施工的沉降变形控制技术

明暗挖结合分离岛式车站临近高架桥桩施工的沉降变形控制技术

李振华谢伦胜

广州轨道交通建设监理有限公司广州510010

摘要：高架桥和轨道交通同为解决我国大城市交通堵塞问题的重要手段，当两种手段在同一条道路上重叠时，明暗挖结合分离岛式的新型车站结构类型在这种复杂的环境中被广泛应用，本文通过对西安市地铁三号线石家街车站施工中的重难点分析，并根据本站具体情况，结合车站周边环境等控制因素从施工、监理的角度探讨了临近高架桥的地下车站，如何在施工中确保安全、质量，以期对今后的类似地铁车站施工、监理有所启发。

关键词：明暗挖结合；分离岛式；沉降控制；高架桥

1前言

随着城市轨道交通建设的发展,越来越多的地铁车站需要建在城市高架桥、立交桥下,以便更合理利用城市的空间。但在施工中由于桥桩的影响,使得在桥下修建地铁车站变得非常困难,基坑开挖需要长期降水，这样累计变形较大，但解决办法无非是增大建设投资，施做止水帷幕或地连墙、咬合桩等进行封闭式降水施工，在砂层中一旦止水效果不好，对建筑物的安全就构成威胁，石家街车站基坑临近高架桥桩仅1.5m，对保护这样近接的既有建筑的安全经验还是比较少，施工起来风险高，且工序复杂，投资成本大，存在一定的局限性。

2工程概况及地质、水文情况

2.1工程概况

西安地铁D3TJSG-13标段石家街站为明暗挖结合的地下分离岛式车站。标段位于东二环与含元路交叉路口的交通环岛处，车站沿东二环南北向设置。车站设置3个出入口及2组风亭、一处区间风井和一个紧急疏散出入口。其中1、2号风亭为主体结构顶出地面风亭，与主体结构同步实施，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号出入口及区间风井为明暗挖结合施工，3个出入口为地下单层框架结构。

车站总长度为165.5米，设两侧明挖基坑，左线明挖西基坑长123m，宽33.85～33.6m，底板埋深18.8m，为地下两层三跨箱型框架结构；右线明挖东基坑长39.04m，宽11.5m，开挖深度为22.6m，为地下三层单跨箱型框架结构。车站中心处顶板覆土约4.20米，车站有效站台中心处轨面埋深约17.15m（绝对标高386.5)。局部垂直电梯处宽度为36.35m暗挖隧道有以下断面：左右线站台隧道：初支400mm,二衬600mm；斜通道、横通道、风道断面：初支350mm，二衬500mm；联络通道断面：初支300mm,二衬400mm。东二环道路坡度南低北高，车站坡度（2‰）与地面道路成逆坡关系，车站中心处顶板覆土约4.20米。车站有效站台中心处轨面埋深约17.15m（绝对标高386.5），底板底埋深约18.8m。

本标段施工区紧邻东二环高架桥—东元桥，左右线岛式站台紧邻桥桩，东侧左线基坑距离桥柱最近处8米，右线基坑距离桥柱最近处2.0米，桥桩基距离暗挖站台最近处2.23米。连接两侧站台的7个暗挖通道在桥下东西向穿过，施工便道临近桥柱。东元桥为简支梁结构形式，桥面宽18.5m，单跨跨度30米，基为摩擦桩基础，桩长约40米，桩径1.3米，承台下四根桥桩。桩顶设“工”字型承台，承台尺寸为a×b×h=11.7m×5.8m×2m，承台上设置2根Φ1600mm的桥桩。车站西侧明挖站厅外墙距桥桩外侧约8.2米，东侧明挖站厅外墙距桥桩外侧约3米；西侧暗挖站台隧道初支外边线距桥桩外侧约11米，东侧暗挖站台隧道初支外边线距桥桩外侧约2.23米。车站与桥桩基、桥柱位置关系。

车站主体采用明挖顺作法施工，隧道采用矿山法施工。车站主体围护结构采用φ1000@1400的钻孔桩+内支撑体系，第一道采用600×1000mm钢筋混凝土支撑，水平间距6m，冠梁采用钢筋砼结构，截面尺寸为1400×1000mm；第二、三、四道采用壁厚δ=16、D=600钢管支撑，水平间距3m，钢围檩采用2I45C组合钢围檩。

2.2工程地质情况

石家街车站位于含元路与东二环交汇盘道处，车流量大。拟建车站场地地面较平坦，勘探点地面高程介于402.63~405.98m，地貌单元属劳动公园黄土梁。拟建石家街车站场地内地层为：地表均分布有厚薄不均的全新统人工填土（Q）；其下为上更新统风积（Q）新黄土及残积（Q）古土壤，再下为中更新统风积（Q）老黄土，冲积（Q）粉质粘土、中砂及粗砂。

2.3水文地质条件

场地内地下潜水位埋深7.90～12.00m之间，高程为393.11～396.44m。根据西安长期水位观测资料，勘察时接近平水位期。地下水年变幅2m左右。拟建场地地下水赋存于更新统黄土、古土壤层、粉质粘土、砂层中，含水层的厚度为降水井（降水井底部在粉质粘土层）在地下水水位以下的长度，以下粉质粘土层按相对隔水层考虑。本车站的砂层顶面标高介于379.11m～382.31m，是主要含水层。

拟建场地的地下水主要接受大气降水、侧向地下水径流补给；潜水排泄方式主要为侧向径流排泄为主。

根据本试验场地揭露的中砂层厚度为2.95～3.30m，而石家街车站场地范围内，中砂层揭露的厚度1.20～8.80m，中砂为主要的含水层与透水层，综合考虑车站的综合渗透系数K值取15.0m/d。

根据初勘报告，本车站抗浮水位高程为399m，抗渗水位为高程397m。

根据初勘结果，在本工点场地环境类型为III类。本车站范围内的地下水对混凝土结构和钢结构具有微腐蚀性，在干湿交替条件下对钢筋混凝土结构中钢筋具有微腐蚀性。本车站范围内的地基土对混凝土结构具有微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具有微腐蚀性。

2.4不良地质作用

2.4.1区域地面沉降

本车站位于胡家庙沉降槽和辛家庙沉降槽中间，地面沉降量约830mm，西安市区域地面沉降是宏观的，历史原因形成的，经多年采取措施后，沉降已趋缓。建议禁止开采地下水、进行地面沉降监测，地铁沿线的地面沉降对地铁的影响及工程措施进行科研工作。

2.4.2局部降水沉降

地铁降水均易引起地面沉降，这种沉降对施工过程影响大，在施工过程中采取有效措施是可控的。设计施工应予高度重视。降水根据具体结构埋深和施工期水位埋深确定。

2.4.3湿陷性黄土

根据勘察结果，场地属非自重湿陷性黄土场地。湿陷图层厚度小于10.5m，实现土层埋深小于11.0m。建议地基湿陷等级按Ⅱ级（中等）设防。

2.4.4饱和软黄土

本车站场地有饱和新黄土（软）3-1-3层分布，是本车站场地软弱土层，设计时应予以考虑其可能产生的不利影响。可采用灰土换填。可不可虑饱和软黄土震陷问题。

2.4.5人工填土

本车站场地均有人工填土分布，其厚度不均，最大厚度达6.2m，其土质结构松散不均，水位以上一般含量较低，但在地下排污管道渗漏处及地下水位附近其具有较高含水量。基坑开挖过程应做好边坡支护，加强对地面及周边管线监测。

2.4.6高压缩性土

本车站场地分布有3-1-1新黄土层，3-1-3饱和新黄土层，具有近高压缩性。设计时予以充分重视其对地铁工程尤其是附属工程影响。

3难点及相关设计参数

3.1难点分析

3.1.1区域地面沉降

本工点位于胡家庙沉降槽和辛家庙沉降槽中间。根据1960-1995年监测资料，胡家庙沉降槽沉降中心最大沉降量为2000mm，最大坡率为1:250；辛家庙沉降槽沉降中心最大沉降量为900mm，最大坡率为1:1000；本工点地面沉降量约830mm。

3.1.2局部降水沉降

地铁明挖基坑降水均易引起地面沉降，这种沉降是局部的，但对周边环境和施工过程影响大，这种因降水引起的沉降，采取有效措施是可控的，并且措施是保证邻近建（构）筑物、地下管线和施工安全的关键，应予以高度重视。

3.1.3饱和软黄土

分布在场区内的饱和软黄土3-1-3层，属高压缩性土，软塑、局部流塑，压缩系数av1-2=0.56MPa-1，土层性质差，自稳性差，层厚0.30～3.20m，层底深度8.20～13.20m。降水易引起的地面沉降，造成对东元桥桩基的承载力的影响，在编制降水方案时需要重点考虑。

3.1.4高压缩性土

本工点场地内分布有3-1-1新黄土（水上）层、为中压缩性，局部具高压缩性；3-1-3饱和软黄土具有高压缩性，属场地软弱土层。

3.1.5本场区地下水位高（7.9～12.0m），地层中分布有中粗砂层，渗透系数大（15.0m/d），含水层厚度达24～28m，水量丰富，西基坑估算涌水量：在降水初期为21400m3/d（稳定期10200m3/d）。

基坑最深达24.3m，而且距东元桥最小距离仅3.25m，基坑围护桩采用φ1000@1400，未封闭地下水，基坑降水产生的地层沉降削弱了东元桥桩承载力，影响桥梁安全，是本项目一级风险源。必须对基坑降水予以高度重视，采取必要的工程措施，确保安全。

根据场地地质条件及基坑周边环境，参考西安地铁#1、#2号线施工经验，通过征询西安降水专家意见，对设计文件和基坑降水有了新的认识和理解：

①本工程基坑外降水（最大降深约16～18m）造成周边地层的沉降量一般在20mm左右，地层不会产生显著沉降，而且东元桥φ1300桩基深达42m，有较强的承载力，同时上部为简支梁，因此降水产生的地面沉降对其安全性影响不大。

②只要确保按设计要求将地下水位控制在基底以下，基坑内不会发生涌水漏砂事故。

3.2设计参数

3.2.1明挖基坑第一道支撑采用钢筋混凝土支撑形式来加强刚度及稳定性，混凝土支撑b×h为600x1000，间距6米。保证基坑开挖时不会对桥桩产生影响。暗挖隧道须在明挖主体结构施工完成后再破洞，暗挖隧道加强超前支护措施，站台隧道侧向打设超前小导管改良土体，弥补隧道开挖引起的桩身侧磨阻力损失，注浆小导管斜向45°打设，纵向间距1米，竖向间距1米。

3.2.2车站基坑开挖后，由于侧压力的变动，容易引起桩身侧摩擦力损失，使桥产生不均匀沉降，为了安全考虑，车站远离桥桩，根据规范按照2.5倍桩径控制，尽量满足安全距离的要求。

4实施阶段关键工序控制技术

4.1实际施工工期情况：

4.2围护桩施工技术控制

4.2.1钻孔桩施工时为减小对桥桩的振动及干扰，选用成孔快、扰动小、燥音低的YZ200旋挖钻机成孔，由于围护桩桩间距过小，距桥桩较近，为防塌孔，在桥桩附近的钻孔桩采用隔三打一的方法，而且造浆选用地大华科复合型聚合物泥浆。

4.2.2复合聚合物泥浆是一种高分子量的人工合成聚合物，它可在较低的浓度条件下，创造极佳的黏度环境。它极长的分子链呈卷状无序地分散于泥浆中，穿过不同的层面形成连接桥，这种表面吸附和桥接作用，在钻进过程中保证了周围地层的稳定。同时可以帮助泥浆最大限度的黏结钻屑，提高了钻进效率，进而可以减少对周围环境影响时间。

4.2.3泥浆的配制顺序为：注水-加碱-聚合物-机器搅拌-性能测试。配置前，先用PH试纸测试水源的PH，根据情况添加纯碱（现场测试结果添加的量为0.5kg/m3左右），将泥浆体系的PH值调节到8~10，减少因水源问题对泥浆性能的影响。注入聚合物和水溶液初步混合，随着搅拌，聚合物溶液中的高分子充分溶解，黏度不断提高，取泥浆进行性能测试，满足要求后即可正常使用。

4.2.4聚合物泥浆的性能指标（表）：

4.3土方开挖施工技术控制

4.3.1基坑开挖前认真做好坑内外及施工废水的降排水工作，开挖提前20天进行预降水。同时基坑四周地面设宽30×深40cm的截排水沟，排截地面水和基坑降水排水，基坑明沟设于基坑四周坡脚处，排水沟底比基底低约0.5m，坑内的临时集水井抽排到地面经沉淀后排入地面雨污水系统中。因地下水位线在地面8～10米位置（目前为枯水期，开挖前实测降水井水位为10m。），浅层土可在不降水的情况下作业。

4.3.2基坑降水速度与土方开挖速度相匹配，保持水位在开挖面以下1m左右，避免过多降水引起的地面沉降过大而导致的周边建筑物及管线破坏。

4.3.3基坑开挖在围护结构、桩顶冠梁及砼支撑梁达到设计强度后进行。

4.3.4每段从土方开挖到架设支撑施加预应力不得超过16小时，严禁在一个工作条件下一次开挖到底。

4.3.5因基坑土方开挖为防大暴雨或雨期，土方开挖前做好防洪措施：

4.3.5.1基坑周边的砼挡土墙高于地面20cm，作为挡水台，避免地面雨水返流至基坑内；

4.3.5.2现场地面硬化时做排水横坡，基坑周边设排水沟，横坡方向朝排水沟。

4.5.5.3基坑开挖后，及时设置坑内排水沟和集水井，防止坑底积水。并尽快施作垫层和底板砼浇筑，减少基底暴露时间，增强基坑的稳定性。

4.3.6在基坑开挖过程中，对西基坑内的通信光缆管线采取悬吊保护措施。

4.3.7基坑开挖前做好应急预案。特别是本明挖基坑内有砂层，为防涌水涌砂引起基坑失稳和危及东元桥的安全，及时对漏砂部位采用注浆或封钢板堵塞以保安全。

4.4钢支撑安装技术控制

4.4.1钢支撑进入施工现场后做全面的检查验收，特别是对用于第二、第三道支撑的钢支撑，要保证质量，进行试拼装，不符合要求的坚决不用。

4.4.2钢支撑两端设可靠支托或吊挂措施，严防因围护桩变形或施工撞击产生脱落事故。

4.4.3支撑安装完毕后，其端面与围檩侧面、围檩侧面与围护墙面要平行，各接触面间密贴，如有缝隙用钢板或细石混凝土充填。

4.4.4采用人工开挖支撑附近土方，防止机械碰撞支撑。

4.4.5加强对钢支撑轴力监测，根据支撑轴力监测情况，决定是否加强支撑。

4.4.6对施加支撑轴向预应力的液压装置要经常检查，使之运行正常，使施加的预应力值准确，每根支撑施加的预应力值要记录备查。

5实施阶段沉降监测控制

5.1东元桥监测原件埋设情况

以东元桥为主要监测对象，目前为止，已完成桥墩沉降监测、桥墩水平位移监测、地表沉降监测及地下水位监测等测试元件的埋设。

5.1.1桥墩沉降监测点

已完成施工范围内每个桥墩上布设一个沉降监测点，用以监控基坑施工过程中对桥墩的沉降影响。

5.1.2桥墩水平位移监测点

已完成施工范围内每个桥墩上布设一个水平位移监测点，用以监控基坑施工过程中对桥墩倾斜的影响。

5.1.3地表沉降监测点

已完成施工范围内每个桥墩附近布设一组地表沉降监测点，用以监控基坑施工过程中对桥墩附近土体沉降的影响。

5.1.4地下水位监测点

已完成施工范围内按施工方案布设地下水位监测点，用以监控地下水对土质及土层沉降的影响。

5.2沉降监测控制措施：

5.2.1制定监测反感，经审批后，严格按照方案实施监测。

5.2.2设定控制值，采用三级监测管理，当发现监测物理量接近或超过警戒控制值时，立即报告监理，并向监理报送应急补救措施。

5.2.3测点布置力求合理，应能反映出施工过程中结构的实际变形和应力情况及对周围环境的影响程度。

5.2.4测试元件及监测仪器必须是正规厂家的合格产品,测试元件要有合格证，监测仪器要定期校核、标定。

5.2.5测点应按设计图纸布设，达到设计要求的质量。并做到位置准确，安全稳固，设立醒目的保护标志。制定各监测点位的保护措施，定期对使用的基准点或工作基点进行稳定性检测。

5.2.6初测采用增加测回数的措施，保证初始值的准确性。

5.2.7监测数据及时整理分析，及时报送。监测报告包括阶段变形值、变形速率、累计值，并绘制沉降槽曲线、历时曲线等，作必要的回归分析，及对监测结果进行评价。

5.2.8如发现监测数据异常，立即复测，并检查监测仪器、方法及计算过程，确认无误后，立即上报给甲方、监理及项目主管，以便采取措施。

5.2.9雨季是明挖基坑施工的不利情况，也给监测工作带来一定的困难。因此雨季在保证正常的监测频率的情况下，应加强那些受雨水影响大项目的量测频率，如沉降、倾斜等，同时，应根据监测结果，加强一些不利区域的监测，以保证整个基坑工程始终处于监控状态。

5.3东元桥监测成果分析：

根据监测情况，东元桥桥桩沉观测点11个，沉降监测最大值为-7.53mm，允许最大值10mm，东元桥桩倾斜观测点9个，监测最大偏移值为4.9mm，允许最大值10mm，基坑地表沉降监测点21个，沉降最大值为-13.2，允许最大值20mm。

6结语

监测结果表明，在整个临近东元高架桥的基坑施工过程中，高架桥墩最大变形控制在7.53mm以内，符合变形控制标准10mm，东元桥桩倾斜移值为4.9mm，符合变形控制标准10mm，基坑地表沉降最大值为-13.2，符合变形控制标准20mm。显示基坑施工对高架桥产生影响可控，基坑地表沉降也在控制范围之内，基坑完全处于安全可控状态，有效的保护了周边复杂环境，本工程成功实施，对明暗挖结合分离岛式车站近接建筑物施工提供借鉴和参考。

参考文献：

[1]《地下铁道工程施工及验收规范》（GB50299-1999）（2003年版）；

[2]《建筑地基基础工程施工质量验收规范》（GB50202-2002）；

[3]《建筑变形测量规范》(JGJ8-2007)；

[4]《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-1999）；

[5]《城市轨道交通测量规范》（GB50308-2008）。