承壓富水砂土地層樁洞法施工變形控制研究

宋戰(zhàn)平，張丹鋒，曲建生，宋云財(cái)

（1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院 陜西 西安710055；2. 中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司 天津 300300 ）

在城市地鐵的建設(shè)中，工程施工方法的選取受工程周邊的建（構(gòu)）筑物、工程區(qū)域內(nèi)的地面交通狀況、工程所處區(qū)域的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件以及建設(shè)資金、施工隊(duì)伍水平和施工機(jī)械等多項(xiàng)條件因素的限制，因此，不同城市乃至同一城市的不同地段地鐵工程施工不盡相同．地鐵車站施工在世界范圍內(nèi)的主要工法有[1-2]：明挖法、蓋挖法、暗挖法(盾構(gòu)法、暗挖法)、沉管法以及混合法等．在以上幾種方法中，明挖法及蓋筑法受工程周邊建筑物的拆遷，工程范圍內(nèi)的地下管線等的影響，且在工程施工過程中，工程區(qū)域內(nèi)的地面交通需要中斷，因此在城市中心區(qū)域內(nèi)施工中明挖法和蓋挖法受到很大的限制．而地鐵車站的暗挖法可避免工程周邊建（構(gòu)）筑物以及管線的大量拆遷改移工作，并且能將施工對(duì)地面交通的干擾減少到最小的程度，因此在城市中心地區(qū)，當(dāng)?shù)孛娼ㄖ锉姸啵孛婀芫€較多且施工場(chǎng)地較小，無法進(jìn)行大面積的改遷，移動(dòng)，且地面交通必須保持通暢，甚或城市立交橋下眾多橋樁的影響時(shí)可優(yōu)先考慮采用暗挖法進(jìn)行車站的施工[3-6]．地鐵車站的樁洞法施工方法（PileBeam Arch，簡(jiǎn)稱為PBA法)的基本思想是利用先開挖的小導(dǎo)施作結(jié)構(gòu)柱（稱為樁），在地下形成梁與柱縱向的支撐體系，以此支撐體系扣拱形成縱向和橫向的空間框架支撐體系結(jié)構(gòu)；在該支撐體系結(jié)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行站廳與站臺(tái)層的開挖[7-9]．目前該工法已應(yīng)用于北京地鐵、大連地鐵等城市地鐵車站的施工中．

北京地鐵7號(hào)線6標(biāo)雙井車站總長度L=236.7 m，建筑面積A=22 203.25 m2，車站底板入土深度b=31.5 m，為北京市標(biāo)高最低的車站；此段車站區(qū)域地下水含量較為豐富，承壓水壓力較大，水頭高度為17 m，車站底板下侵其中，車站中板下侵承壓水；工程地質(zhì)、土建施工條件較差，施工方法采用“8導(dǎo)洞的PBA法”施工時(shí)，在砂卵石地層進(jìn)行扣拱施工和車站導(dǎo)洞的施工，層間水最容易造成施工塌方后果；再者，車站位于核心區(qū)，周圍建筑物較多，交通流量較大，車站附近管線等其他構(gòu)物較多，同時(shí)，施工穿越既有線次數(shù)較多．因此，該車站被北京市列為“五個(gè)最難車站之一”，為變形控制要求高的高承壓富水砂土互層地層中的“8導(dǎo)洞PBA”法施工工程，目前國內(nèi)外尚無高承壓富水地層中的“PBA”法施工的案例．為之，文章以北京地鐵 7號(hào)線6標(biāo)雙井車站PBA工法為例，對(duì)上下導(dǎo)洞開挖順序、上導(dǎo)洞和小導(dǎo)洞中的4導(dǎo)洞的不同開挖順序以及車站主體工程開挖引起的土體的變形及其變形特征進(jìn)行了系統(tǒng)的分析．基于變形分析結(jié)果建議了經(jīng)濟(jì)、合理的“8導(dǎo)洞PBA”施工方案，指導(dǎo)了該工程的施工．

1 工程概況

北京地鐵7號(hào)線雙井車站總長L=229.6 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度B=23.1 m，高度H=16.25 m，結(jié)構(gòu)入土深b=30.3 m，頂板覆土厚度d=13.89 m．該車站的主要施工難點(diǎn)體現(xiàn)為[10-12]：①雙井車站的結(jié)構(gòu)埋深大，其底板的入土深度達(dá)31.5 m，為當(dāng)前北京市在建的標(biāo)高最低的車站；②此段車站區(qū)域地下水含量較為豐富，承壓水壓力較大，水頭高度達(dá)17 m之高，車站中板下侵承壓水；③雙井車站為砂土互層地層，該車站的工程地質(zhì)條件差，因此車站采用了“8導(dǎo)洞的PBA法”施工；④雙井車站地下建筑物較多，并且有3次穿越既有線10號(hào)線雙井車站； ⑤車站周邊地形條件較為復(fù)雜，位于核心區(qū)域，車流量較大；⑥車站地表之下的地下管線較為繁雜，同時(shí)管線位于車站結(jié)構(gòu)之上，并且存在較多老管線，施工對(duì)其影響極容易產(chǎn)生安全問題．

雙井車站的“8導(dǎo)洞PBA法”工法中，8個(gè)導(dǎo)洞均位于中粗砂、粉土、細(xì)砂以及砂卵石等地層中，地層信息紛繁復(fù)雜；勘測(cè)資料顯示，上層4導(dǎo)洞已被潛水層覆蓋，同時(shí)承壓水覆蓋下層4導(dǎo)洞．開挖難度大，影響支護(hù)體系．施工中的涌水、涌砂以及塌方極為容易發(fā)生，控制施工安全成為施工的關(guān)鍵．且在車站主體結(jié)構(gòu)施工過程中，一旦沉降變形過大，極易導(dǎo)致上述管線出現(xiàn)滲漏，對(duì)車站施工帶來不利的影響，增加了施工的風(fēng)險(xiǎn)．因此，車站的“8導(dǎo)洞PBA法”施工中，砂土互層地層的沉降控制是施工的關(guān)鍵．為之，確定了如下數(shù)值分析方案：

（1）考慮“8導(dǎo)洞”開挖的引起的“群洞效應(yīng)”，優(yōu)化上下層導(dǎo)洞的開挖次序，模擬不同導(dǎo)洞開挖次序時(shí)車站地層的位移變化，確定承壓富水砂土層“8導(dǎo)洞PBA法”施工的工藝；（2）承壓富水地層的“8導(dǎo)洞PBA法”中同層導(dǎo)洞的開挖次序優(yōu)化，確定上層4導(dǎo)洞和下層4導(dǎo)洞的開挖工藝；（3）車站主體工程施工的影響．

2 “8導(dǎo)洞PBA”施工影響模擬

2.1 上導(dǎo)洞和下導(dǎo)洞開挖順序影響的分析

北京地鐵雙井車站數(shù)值模擬分析中，取車站中軸線為Y方向，也是導(dǎo)洞的開挖方向，重力方向?yàn)閆軸方向，車站軸線的水平垂直方向?yàn)閄軸方向．車站模型尺寸設(shè)定為121×50×60 m，三維計(jì)算模型如圖1所示．

圖1 三維數(shù)值計(jì)算模型Fig.1 The numerical computation model

雙井車站“8導(dǎo)洞PBA法”施工模擬分析中，地層及工程加固措施條件下的圍巖物理、力學(xué)性能參數(shù)等，根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的地質(zhì)勘察資料，并參考《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》確定．計(jì)算分析中涉及的圍巖的物理、力學(xué)性能參數(shù)見表1、2所示．根據(jù)確定的數(shù)值模擬方案，雙井車站“8導(dǎo)洞PBA法”施工模擬步序如下：

（1）“8導(dǎo)洞”中的上層4個(gè)導(dǎo)洞先行方案，第一步先進(jìn)行上層的4個(gè)導(dǎo)洞開挖，在上層4個(gè)導(dǎo)洞全部開挖完成后，接著進(jìn)行下部的4個(gè)導(dǎo)洞的開挖．上層4個(gè)導(dǎo)洞中，各導(dǎo)洞錯(cuò)開10 m施工．即總體的施工開挖順序?yàn)棰?③-④-②-⑤-⑦-⑧-⑥，導(dǎo)洞編號(hào)示意圖如圖2所示．

表1 各層圍巖物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1The rock of each layer for physical and mechanical properties index

表2 初期支護(hù)及加固區(qū)物理力學(xué)指標(biāo)Tab.2 The Initial support and reinforcement of physical index

（2）“8導(dǎo)洞”中的下層4個(gè)導(dǎo)洞先行方案，第一步先進(jìn)行下層的4個(gè)導(dǎo)洞開挖，在下層導(dǎo)洞全部開挖完成后，接著進(jìn)行上部的4個(gè)導(dǎo)洞的開挖．即總體的施工開挖順序?yàn)棰?⑦-⑧-⑥-①-③-④-②，導(dǎo)洞編號(hào)示意圖如圖2所示．

圖2 導(dǎo)洞編號(hào)示意圖Fig.2 The heading Number Schematic diagram

為直觀地表現(xiàn)導(dǎo)洞開挖對(duì)于地表沉降的影響大小，選取1個(gè)典型的施工工序進(jìn)行分析．在上層4個(gè)導(dǎo)洞先行方案中，選取導(dǎo)洞⑤施工至模型中部位置時(shí)，此時(shí)Y軸方向上，開挖斷面處的坐標(biāo)為25.0 m．在下層4個(gè)導(dǎo)洞先行方案中，選取導(dǎo)洞①施工至模型中部位置時(shí)，此時(shí)Y軸方向上，開挖斷面處的坐標(biāo)為25.0 m．

圖3（a）給出了上層導(dǎo)洞先行中，導(dǎo)洞⑤開挖至25.0 m處時(shí)的地層變位云圖．從圖3給出的數(shù)值模擬結(jié)果可見，在上層導(dǎo)洞⑤開挖至車站中部時(shí)，開挖引起的地層變形范圍較小，此時(shí)開挖引起的地表沉降變形最大位置位于導(dǎo)洞①和導(dǎo)洞②的中間位置，該處的地表累計(jì)沉降的最大值為-0.20 cm．

圖3（b）給出了下層導(dǎo)洞先行中，導(dǎo)洞①開挖至25.0 m處時(shí)的地層變位云圖．從圖3（b）給出的數(shù)值模擬結(jié)果可見，在上層導(dǎo)洞①開挖至車站中部時(shí)，開挖引起的地層變形范圍較上層先行開挖小；此時(shí)開挖引起的地表沉降變形最大位置同樣位于導(dǎo)洞①和導(dǎo)洞②的中間位置，該處的地表累計(jì)沉降的最大值為?0.18 cm．

圖3 導(dǎo)洞1和導(dǎo)洞5開挖至中部時(shí)地表變形云圖Fig.3 The different excavation images for surface deformation

圖4 給出了上下層導(dǎo)洞均施工完成后兩種方案地表沉降的變形對(duì)比曲線，由圖4給出的對(duì)比曲線可見：上層4個(gè)導(dǎo)洞先行開挖同下部4個(gè)導(dǎo)洞先行開挖引起的地表變形曲線的形態(tài)和變形數(shù)值基本一致，即在不考慮承壓水影響下兩個(gè)方案引起的地表變形相當(dāng)；但考慮到承壓水引起的施工耦合效應(yīng)，以及承壓水對(duì)地層的上浮影響，建議施工中宜先開挖下層小導(dǎo)洞．

2.2 導(dǎo)洞錯(cuò)開開挖順序的影響分析

根據(jù)以上在數(shù)值分析基礎(chǔ)上考慮承壓地下水影響的分析，建議雙井車站“8導(dǎo)洞PBA法”施工中宜優(yōu)先進(jìn)行“8導(dǎo)洞”中的下層4導(dǎo)洞開挖，待下層導(dǎo)洞開挖結(jié)束后再進(jìn)行上層的4個(gè)導(dǎo)洞的開挖．以上方案施工可將“群洞效應(yīng)”的影響降低到最小，但該方案施工時(shí)間過長．為加快施工的進(jìn)度，需要在確保變形可控前提下研究，上下導(dǎo)洞錯(cuò)開開挖的技術(shù)方案．為之，對(duì)雙井車站“8導(dǎo)洞”的上下層及同層開挖的錯(cuò)開距離進(jìn)行數(shù)值模擬分析．分析中的計(jì)算模型采用同圖1的模型，計(jì)算參數(shù)采用表1和表2參數(shù)．?dāng)?shù)值模擬分析的方案如下：

(1）上層4導(dǎo)洞和下層的4導(dǎo)洞在平面上和立面上均錯(cuò)開一定的距離，具體的施工組織為：首先進(jìn)行小導(dǎo)洞⑤的開挖，在導(dǎo)洞⑤開挖超過10 m后接著進(jìn)行小導(dǎo)洞⑦的開挖；在導(dǎo)洞⑦開挖8 m后接著進(jìn)行導(dǎo)洞⑧的開挖，并在導(dǎo)洞⑧開挖8 m后進(jìn)行導(dǎo)洞⑥的開挖．在下層導(dǎo)洞開挖推進(jìn)32 m后接著進(jìn)行上層4個(gè)導(dǎo)洞的開挖，即開挖順序?yàn)椋孩?⑦-⑧-⑥-①-

圖4 模型中間斷面區(qū)地表沉降曲線Tig.4 Surface settlement curve of middle section after all headings completed

（2）下層導(dǎo)洞和上層導(dǎo)洞錯(cuò)開距離開挖方案，各導(dǎo)洞間的施工安排為：首先進(jìn)行下層4個(gè)導(dǎo)洞中的導(dǎo)洞⑤和導(dǎo)洞⑧的開挖，在⑤導(dǎo)洞和⑧導(dǎo)洞開挖8 m后進(jìn)行上層4個(gè)導(dǎo)洞中①導(dǎo)洞和④導(dǎo)洞開挖．在同層的下層導(dǎo)洞中，在導(dǎo)洞⑤和導(dǎo)洞⑧開挖8 m后進(jìn)行⑦導(dǎo)洞的施工，在⑦導(dǎo)洞開挖超過8 m后接著進(jìn)行⑥導(dǎo)洞的開挖；在同層的上層導(dǎo)洞中，在①導(dǎo)洞和④導(dǎo)洞開挖8 m后進(jìn)行②導(dǎo)洞的開挖，②導(dǎo)洞進(jìn)行8 m后進(jìn)行③導(dǎo)洞的開挖．各導(dǎo)洞均采用短臺(tái)階法開挖，其上下臺(tái)階的錯(cuò)開距離為3 m，導(dǎo)洞開挖循環(huán)進(jìn)尺取1 m，隨挖隨支護(hù)．整體的開挖順序?yàn)椋孩?⑧-④-①-⑦-⑥-②-③．

分析中為減少邊界對(duì)計(jì)算的影響，選取模型中間斷面進(jìn)行分析．圖5（a）給出了上層4導(dǎo)洞和下層的4導(dǎo)洞在平面上和立面上均錯(cuò)開一定的距離施工時(shí)地層的位移變化云圖，圖5（b）給出了上層導(dǎo)洞和下層導(dǎo)洞錯(cuò)開距離開挖方案時(shí)地層的位移云圖，表3給出了兩種方案的不同施工階段位移的最值表．由圖5和表3給出的數(shù)值分析結(jié)果可見：上層4導(dǎo)洞和下層的4導(dǎo)洞在平面上和立面上均錯(cuò)開一定的距離開挖方案和下層導(dǎo)洞和上層導(dǎo)洞錯(cuò)開距離開挖方案最終獲得的地表沉降量基本一樣，但上、下導(dǎo)洞平面上跳挖錯(cuò)距的開挖方案引起的地表沉降最大值較先外后內(nèi)的導(dǎo)洞錯(cuò)距開挖方案大．

對(duì)比分析不同施工階段地層位移的變化情況，在先挖層導(dǎo)洞施工完成后，施工引起的地表沉降量約占總累計(jì)沉降量的57%左右，后完層導(dǎo)坑的施工引起的地層變位占總施工累計(jì)變形量的43%左右，因此，上下層的選取對(duì)位移的影響較大，而同層間的開挖影響較?。?/p>

圖5 導(dǎo)洞全部貫通時(shí)地表變形云圖Fig.5 The different excavation method in heading all through time of surface deformation

表3 各開挖步地表最大沉降量統(tǒng)計(jì)表Tab.3 The different excavation of maximum settlement value statistics

2.3 車站主體工程施工的影響

分析雙井車站主體施工時(shí)地層的位移變化，車站小導(dǎo)洞圍巖和隧道注漿加固圍巖的物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)提供的地勘報(bào)告及《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》確定，其物理力學(xué)指標(biāo)見表1和表4所示．圖6給出了車站主體結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)澐謭D．計(jì)算中考慮到邊界效應(yīng)，此處僅取模型的中間斷面（Y=25 m）處作為研究對(duì)象進(jìn)行分析．

雙井車站主體施工完成后地層位移分布見圖7所示，表5給出了車站“8導(dǎo)洞PBA法”施工中不同施工步序時(shí)地表最大沉降值的統(tǒng)計(jì)值．由圖7和表5給出的數(shù)值計(jì)算分析可知，當(dāng)樁梁拱的結(jié)構(gòu)施做完成后開始車站主體結(jié)構(gòu)的開挖，即使卸荷量較大，對(duì)地表位移基本不受影響，地表沉降基本無變化．而在車站扣拱結(jié)束時(shí)，拱部最大沉降值達(dá)到了4.03 cm，此時(shí)車站地表沉降值達(dá)到了3.84 cm．

圖8給出了雙井車站縱向中心斷面位置處的地表在各施工階段的地表沉降槽曲線，以車站中線為0位置，分析施工引起的地表沉降變化．由表5和圖8給出的計(jì)算結(jié)果分析可知，地表沉降槽曲線基本與peck公式[13-14]相一致，影響范圍在距離車站中線左右35 m．在“8導(dǎo)洞”施工完成時(shí)，地表沉降最大沉降量為1.78 cm，約為施工總累計(jì)沉降量的46%；在車站扣拱完成時(shí)，地表最大沉降量達(dá)到了3.72 cm，約為施工總累計(jì)沉降量的93%，即扣拱和導(dǎo)洞施工引起的沉降量基本相同，是承壓富水砂土互層車站“8導(dǎo)洞PBA法”施工變形控制的關(guān)鍵．

表4 車站結(jié)構(gòu)模型材料參數(shù)表Tab.4 The model station for structure material parameters

圖6 車站結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)澐謭DFig.6 The map for station structure unit division

圖7 車站主體完工階段時(shí)地層的位移云圖Fig.7 The construction of the main structure completed stage station stratum vertical displacement diagram

基于以上雙井車站在扣拱、主體開挖及二次襯砌施工的不同施工階段砂土互層地層變形變化的數(shù)值模擬分析，考慮“8導(dǎo)洞”開挖引起的“群洞效應(yīng)”影響，建議雙井承壓富水砂土互層地層中“PBA”工法開挖宜按：“先下導(dǎo)后上導(dǎo)、導(dǎo)洞間相互交錯(cuò)”的導(dǎo)洞施工順序組織施工；同時(shí)，同一層的4個(gè)導(dǎo)洞之間錯(cuò)開距離10 m施工，上下層導(dǎo)洞之間錯(cuò)距15 m進(jìn)行施工，以減少導(dǎo)洞間施工的相互影響．在各小導(dǎo)洞施工中，宜采用“超短臺(tái)階”的二臺(tái)階法快速施工，且盡量減小支護(hù)的封閉成環(huán)時(shí)間和距離，以滿足施工變形控制的要求．根據(jù)雙井車站“8導(dǎo)洞PBA法”數(shù)值模擬分析結(jié)果，在整個(gè)施工過程中，小導(dǎo)洞和扣拱施做階段引起的地層變形在總沉降量當(dāng)中占了較大比例，約為45%，這兩步序在施工過程當(dāng)中十分關(guān)鍵，需要加以控制，為之建議采取一定超前措施限制該兩階段的變形．

表5 各典型施工階段地表最大沉降值統(tǒng)計(jì)表Tab.5 The typical construction phase of the maximum surface settlement value statistics

圖8 各施工階段地表沉降槽曲線Fig.8 The construction phase of surface settlement curve

由于計(jì)算中未能考慮高承壓地下水的影響，為確保施工的安全，根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，建議在小導(dǎo)洞施工中采取“深孔補(bǔ)償注漿”的技術(shù)措施,即在施工過程中每完成一次導(dǎo)洞開挖、支護(hù)后，對(duì)周邊土體及掌子面前方土體進(jìn)行補(bǔ)充深孔注漿，以加固開挖擾動(dòng)土體，減少開挖造成的地層損失，即所謂的反復(fù)超前深孔注漿補(bǔ)償位移方法．考慮到導(dǎo)洞開挖處于承壓水層內(nèi)，為有效降低地下水引起的危害，暗挖工程施工前在車站周圍打設(shè)間距6 m，深40 m的降水井，通過抽排降形成區(qū)域降水，從而疏干結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)地層積水，并從總體上切斷外圍地下水和結(jié)構(gòu)范圍地層的聯(lián)系．對(duì)通過降水井無法疏干的層間滯水，采取局部真空抽排或小導(dǎo)管注漿的方法治理．

3 結(jié)論

針對(duì)北京地鐵7號(hào)線雙井車站砂土互層地層“8導(dǎo)洞PBA”工法施工對(duì)周邊地層及建筑物的影響，通過數(shù)值模擬探討了“8導(dǎo)洞”中不同的開挖層序和導(dǎo)洞不同的開挖次序引起的車站地層變形特點(diǎn)，分析了“8導(dǎo)洞PBA法”在扣拱、主體開挖及二次襯砌施工的不同施工階段砂土互層地層變形特點(diǎn)．論文的研究可得出如下結(jié)論：

（1）承壓砂土地層的“8導(dǎo)洞PBA”工法施工中，上導(dǎo)洞施工引起的地表變形占總變形量的50%以上，下導(dǎo)洞施工引起的地表變形占總變形量的40%左右．考慮導(dǎo)洞上方管線變形控制的要求，建議承壓富水砂層中導(dǎo)洞宜優(yōu)先開挖下導(dǎo)洞．

（2）基于“8導(dǎo)洞”施工數(shù)值模擬分析，并考慮開挖引起的“群洞效應(yīng)”，建議按“先下導(dǎo)后上導(dǎo)、導(dǎo)洞間相互交錯(cuò)；同一層導(dǎo)洞錯(cuò)距10 m，上下層導(dǎo)洞錯(cuò)距15 m”的承壓砂土地層PBA施工方法．

（3）承壓砂土地層“8導(dǎo)洞PBA工法”施工引起的地表沉降變形曲線同peck公式預(yù)測(cè)曲線基本一致．車站開挖影響范圍分布于工程中線左右30 m范圍內(nèi)；但就PBA工法各工序開挖影響而言，導(dǎo)洞施工引起的地表沉降量約為18 mm，占總累計(jì)沉降量的45%左右，扣拱完成后地表的最大沉降量達(dá)37 mm 以上，約占總累計(jì)沉降量的46%．

由于計(jì)算中未能考慮高承壓地下水的影響，為確保施工的安全，建議在小導(dǎo)洞施工中采取“深孔補(bǔ)償注漿”、降水疏干以及局部真空抽排和小導(dǎo)管注漿的綜合治理措施．

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