地面施工荷載對地鐵暗挖車站影響分析

陳　達,秦輝輝,趙　京

(1.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京　100055；2.中交路橋技術(shù)有限公司,北京　100011)

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地面施工荷載對地鐵暗挖車站影響分析

陳達1,秦輝輝2,趙京1

(1.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京100055；2.中交路橋技術(shù)有限公司,北京100011)

摘要：針對北京地鐵7號線廣渠門內(nèi)站施工場地限制,施工中車站上方安置施工機械及堆載土體,造成較大的地面附加施工荷載的情況,建立地面施工荷載對地鐵車站的影響分析計算模型,并采用有限元法進行求解分析。研究不同地面施工荷載下地鐵車站施工引起地層變形及支護結(jié)構(gòu)受力情況,并對地基承載力進行驗算。針對地面施工荷載導(dǎo)致車站地基承載力不足情況,提出采用注漿方案加固地基。

關(guān)鍵詞：地鐵車站；地面施工荷載；地基承載力；注漿加固

1工程概況

1.1　車站概況

北京地鐵7號線廣渠門內(nèi)站呈東西走向，為一般車站(非換乘站)。該車站雙層三跨三連拱全暗挖島式車站，設(shè)2條風(fēng)道，均為雙層單跨暗挖結(jié)構(gòu)；除風(fēng)道外，車站設(shè)3個出入口1個疏散通道、2部地面垂直電梯。附屬結(jié)構(gòu)跨路部分全部采用暗挖施工。

該地鐵車站計算有效站臺中心里程為右K10+467.000，車站右線起點處二襯外皮里程為右K10+382.300，右線終點處二襯外皮里程為右K10+617.700，總長235.4 m，站臺寬12 m，車站采用PBA法施做，共分8個小導(dǎo)洞開挖，車站開挖總寬度23.3 m，總高度15.65 m，主體隧道拱頂覆土厚度6.1～7.5 m，為粉質(zhì)黏土層，拱頂圍巖Ⅵ級。

車站基底地層為粉質(zhì)黏土層，厚度6 m，粉質(zhì)黏土層修正前承載力特征值為220 kPa。由于場地限制，該站采用在車站頂梁處設(shè)臨時豎井方法，圖1為車站1號豎井斷面。

圖1　車站1號豎井斷面(單位：mm)

1.2　地面施工荷載介紹

由于周邊建筑物限制，施工場地需設(shè)置在車站上方，并安置施工機械及存放開挖土體等，堆土倉及存料倉等造成較大的地面附加施工荷載，需要考慮其對施工的影響。

圖2為地面施工場地布置示意。

圖2　1號豎井周邊場地平面(單位：m)

2數(shù)值模型

2.1　計算說明

計算對比地面場地附加荷載，1號豎井左側(cè)土堆所在地面附加荷載最大，堆土場均布壓力

堆土場斯太爾重車重450 kN，軸距取3.5 m，輪距1.83 m，按照45°向下傳遞，相當于作用均布壓力

p2=2.1kN/m2

提升架總重350kN，抓斗及土重取100kN，共8個支座，相當于支座作用均布壓力

p3=0.23 kN/m2

則相當于地面均布壓力值：

p=45+2.1+0.23=47.33kN/m2

考慮到其他可能的荷載作用，計算中分別考慮地面附加荷載40，60kN/m2[1-4]。

2.2　計算工況

為分析地面施工荷載對PBA車站施工結(jié)構(gòu)受力及變形影響，共計算以下工況。

工況1：車站上方地面不施加荷載。

工況2：車站上方施加均布荷載20kN/m2。

工況3：在小導(dǎo)洞開挖前車站上方地面中間部分施加40kN/m2兩側(cè)施加20kN/m2均布壓力荷載(圖3)。

圖3　荷載施加示意

工況4：在小導(dǎo)洞開挖前車站上方地面中間部分施加60 kN/m2兩側(cè)施加20 kN/m2均布壓力荷載。

工況5：在小導(dǎo)洞開挖前車站上方施加均布荷載20 kN/m2，開挖完成后車站上方地面中間部分變?yōu)?0 kN/m2，兩側(cè)保持20 kN/m2均布壓力荷載。

工況6：在小導(dǎo)洞開挖前車站上方施加均布荷載20 kN/m2，開挖完成后車站上方地面中間部分變?yōu)?0 kN/m2，兩側(cè)保持20 kN/m2均布壓力荷載。

2.3　計算模型及計算參數(shù)

計算采用車站設(shè)計斷面及地層參數(shù)，根據(jù)圣維南原理和實際需要，采用二維計算模擬，取計算模型寬160 m，高80 m，整個模型共劃4 098個單元和3 511個節(jié)點。采用位移邊界作為邊界條件，除上表面外其余各外表面均約束法線方向的位移，通過釋放率模擬支護時機，本次模擬取釋放率0.25，即施加支護時地應(yīng)力釋放了25%，圖4為計算模型網(wǎng)格。

車站PBA工法開挖簡化模擬，分以下9步，小導(dǎo)洞編號見圖5。

①施工(5)、(7)導(dǎo)洞；地應(yīng)力釋放25%后施加支護。

②施工(6)、(8)導(dǎo)洞；地應(yīng)力釋放25%后施加支護。

③施工(2)、(4)導(dǎo)洞；地應(yīng)力釋放25%后施加支護。

④施工(1)、(3)導(dǎo)洞；地應(yīng)力釋放25%后施加支護。

⑤施作條基，邊樁，中柱；

⑥扣拱；

⑦拆除臨時支撐；

⑧開挖站廳層并施作二襯；

⑨開挖站臺層并施作二襯。

圖4　模型網(wǎng)格劃分

圖5　小導(dǎo)洞編號示意

根據(jù)現(xiàn)場勘查，采用計算物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1　地層物理力學(xué)參數(shù)

3計算結(jié)果

3.1　地表沉降分析

圖6～圖12為不同工況下地表沉降槽曲線，從圖中可以看出：伴隨著施工過程進行，地表相應(yīng)產(chǎn)生一定變形。

圖6　下導(dǎo)洞開挖完成后地表沉降槽

圖7　2、4導(dǎo)洞開挖完成后地表沉降槽

圖8　上導(dǎo)洞開挖完成后地表沉降槽

圖9　施作中柱后地表沉降槽

圖10　中跨開挖支護后地表沉降槽

圖11　站廳層開挖支護后地表沉降槽

圖12　站臺層開挖支護后地表沉降槽

通過工況1地表不施加荷載時來研究不同施工步對地表變形的影響，可以看出中柱施工完成后地表沉降達15 mm，而拆除支撐開挖站廳層及站臺層后地表變形發(fā)生一定程度隆起，最終地表沉降為8 mm左右，分析認為車站下部位于土層物性參數(shù)較弱的粉質(zhì)黏土層，站廳層及站臺層開挖面積大，開挖后對土層產(chǎn)生卸載作用，導(dǎo)致地層發(fā)生回彈，地表表現(xiàn)一定程度的回隆。

對比各種工況下各個施工步下地表沉降槽曲線可以看出，從工況1至工況6施工過程中產(chǎn)生最大地表沉降分別為15、37、58、80、50、66 mm，即工況4在小導(dǎo)洞開挖前車站上方地面中間部分施加60 kN/m2兩側(cè)施加20 kN/m2均布壓力荷載下地表沉降最大，從各種工況下地表變形可以看出車站上方臨時施工荷載對地表變形影響較大，應(yīng)當引起注意。

3.2　支護結(jié)構(gòu)及中柱受力

表2、表3為不同工況下最大彎矩及其對應(yīng)軸力，表中正負規(guī)定如下：彎矩方向結(jié)構(gòu)外側(cè)受拉為負，內(nèi)側(cè)受拉為正，軸力方向結(jié)構(gòu)受壓為負，受拉為正。

表2　不同工況下最大負彎矩及對應(yīng)軸力

從表中可以看出：施工過程中導(dǎo)洞支護結(jié)構(gòu)比施工完成后車站結(jié)構(gòu)彎矩大，導(dǎo)洞受力較為不利，對比不同工況下支護結(jié)構(gòu)受力，可以看出地表臨時施工荷載對支護結(jié)構(gòu)受力影響較大，對比最大負彎矩(即結(jié)構(gòu)外側(cè)受拉)，工況4導(dǎo)洞及車站結(jié)構(gòu)均為最不利，彎矩最大，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生偏心受壓，易導(dǎo)致破壞。對比最大正彎矩(即結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)受拉)，工況6導(dǎo)洞及車站結(jié)構(gòu)均為最不利，彎矩最大，而軸力相對小，產(chǎn)生偏心受壓，易導(dǎo)致破壞[5-9]。

表3　不同工況下最大正彎矩及對應(yīng)軸力

綜上可以看出：地表附加臨時施工荷載對車站導(dǎo)洞支護及車站結(jié)構(gòu)受力影響較大，應(yīng)予以注意。

表4為不同工況下中柱最大豎向軸力，從表中可以看出：工況1(不施加地面荷載)中柱最大軸力11 467.2 kN；工況2(導(dǎo)洞開挖前施加20 kN/m2均布荷載)中柱最大軸力11 659.2 kN，較工況1增加1.7%；工況6(導(dǎo)洞開挖前施加20 kN/m2，導(dǎo)洞開挖完成后地表施工封閉區(qū)域荷載變?yōu)?0 kN/m2)中柱最大軸力11 980.8 kN，較工況1增加4.5%。對比分析可以得出地面臨時施工荷載對中柱軸力有一定影響，應(yīng)予以注意。

表4　不同工況下中柱最大軸力　kN

4地基驗算及處理

4.1　地基承載力驗算

該車站結(jié)構(gòu)基底地層為粉質(zhì)黏土層，土層厚度約6 m，修正前地基承載力特征值220 kPa，按照相關(guān)規(guī)范需對地基承載力進行驗算，以下僅列出施工過程中中柱及邊柱下地基承載力驗算過程。

(1)中柱地基承載力驗算

中柱承載力計算根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007—2011)。車站主體結(jié)構(gòu)最深處(弧頂)埋深7.5 m，頂覆土按7.5 m考慮，平均重度為20 kN/m3，地面超載按20 kN/m2考慮(計入覆土荷載中)，縱向取6 m，橫向取左右各半跨寬度共6.7 m，中板施工荷載按10 kN/m2考慮。中柱荷載計算結(jié)果見表5。

表5　中柱荷載　kN

平均基底應(yīng)力

Pk=11 168/(6×4)=465kPa

地基承載力特征值

fa=220+0.5×20.4×1.0+2×20.4×0.7=

259 kPa

Pk=465 kPa>fa=259 kPa

不滿足承載力要求。

(2)邊柱下承載力計算

邊柱承載力計算根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007—2011)。車站主體結(jié)構(gòu)最淺處(弧頂)埋深7.5m，頂覆土按7.5m考慮，平均重度為20kN/m3，地面超載按20kN/m2考慮，縱向取6m，橫向取左右各半跨寬度共5.25m，中板施工荷載按10kN/m2考慮。邊柱荷載計算結(jié)果見表6。

表6　邊柱荷載　kN

平均基底應(yīng)力

Pk=10 188/(6×3.5)=485kPa

地基承載力特征值

fa=220+0.5×20.4×1.0+

2×20.4×0.7=259 kPa

Pk=485 kPa>fa=259 kPa

不滿足承載力要求。

4.2　地基處理

針對該車站結(jié)構(gòu)基底地層為粉質(zhì)黏土層，地基承載力不足情況，設(shè)計采用注漿加固方案加固地基。

注漿參數(shù)如下：(1)注漿管長度7 m，注漿鋼管穿透車站基底粉質(zhì)黏土層。(2)鋼管規(guī)格：φ50×4 mm熱軋無縫鋼管，間距150 cm×150 cm，梅花形布置，注漿花管前端做成尖椎狀，尾部焊接φ6 mm加筋箍，管壁四周鉆8 mm壓漿孔，鋼管尾部50 cm處設(shè)置止?jié){環(huán)。(3)漿液材料：42.5級硅酸鹽水泥漿液，水灰比1∶1。施工中具體漿液的選用可根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)情況及地下水富水程度進行確定。(4)注漿壓力：初壓0.2～0.3 MPa，終壓0.4～0.6 MPa，注漿壓力結(jié)合現(xiàn)場注漿試驗進行調(diào)整。(5)注漿工作面：封堵初始注漿段采用30 cm厚噴混凝土止?jié){墻。

通過對車站結(jié)構(gòu)基底地層注漿施工精心組織，取得了良好的注漿效果，車站結(jié)構(gòu)基底承載力不足的問題得到有效解決。

5結(jié)論

(1)通過數(shù)值分析可以看出，最終狀態(tài)下地表變形并非整個施工過程中最大地表變形，工況1在中柱施工完成后地表變形達15 mm，而拆除支撐開挖站廳層及站臺層后地表變形發(fā)生一定程度回隆，最終地表變形為8 mm左右。分析認為，車站下部位于土層物性參數(shù)較弱的粉質(zhì)黏土層，站廳層及站臺層開挖面積大，開挖后對土層產(chǎn)生卸載作用，導(dǎo)致地層發(fā)生回彈，地表表現(xiàn)一定程度的隆起。

(2)通過數(shù)值分析所得地表沉降、支護結(jié)構(gòu)受力及中柱軸力，可以得出車站地表臨時施工荷載對地表變形、支護結(jié)構(gòu)受力及中柱軸力影響較大，施工中應(yīng)采取相應(yīng)措施。

(3)通過數(shù)值分析可知，工況4地表變形最為不利，工況6支護結(jié)構(gòu)及中柱軸力最為不利，2種工況下最終狀態(tài)地表附加荷載一致，但地表附加荷載施加時機不同4地層變形得到較大釋放，從而結(jié)構(gòu)受力相對較小，工況6地層變形釋放較小，結(jié)構(gòu)受力相對較大。

(4)通過驗算，施工過程中車站基底粉質(zhì)黏土層地基承載力不滿足承載力要求，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，采用注漿加固地基的方案，取得了良好效果，可為類似工程提供參考[10-12]。

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Research on Influences of Ground Construction Loads on Underground Subway Station CHEN Da1, QIN Hui-hui2, ZHAO Jing1

(1.China Railway Engineering Consulting Group Co., Ltd., Beijing 100055, China;

2.CCCC Road and Bridge Consultants Co., Ltd., Beijing 100011, China)

Abstract：Due to the restrictions of the construction site space of Beijing subway line 7, construction machines and big amount of soil are placed on top of Guangqumen subway station, which causes great additional construction loads. A numerical model is established to study the influence of the ground loads on the subway station, the ground deformation and the structure stress caused by the subway station construction under different ground loads. Bearing capacity of foundation is calculated and checked. The grouting program is proposed to deal with the deficiency of bearing capacity of foundation.

Key words：Subway Station; ground construction loads; subway station; foundation bearing capacity; grouting reinforcement

中圖分類號：U231+.4

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.022

文章編號：1004-2954(2016)02-0105-05

作者簡介：陳達(1982—)，男，工程師，2006年畢業(yè)于北京建筑大學(xué)(原北京建筑工程學(xué)院)土木工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：chen_da_1982@163.com。

收稿日期：2015-04-22； 修回日期：2015-05-24