砂質(zhì)黃土地下車站分幅施工變形規(guī)律研究

陳志敏， 藺鵬臻， 馮亞松

(1. 蘭州交通大學甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室， 甘肅 蘭州 730070；2. 蘭州交通大學道橋工程災害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，甘肅 蘭州 730070； 3. 東南大學巖土工程研究所， 江蘇 南京 210096)

砂質(zhì)黃土地下車站分幅施工變形規(guī)律研究

陳志敏1, 2， 藺鵬臻1, 2， 馮亞松3

(1. 蘭州交通大學甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室， 甘肅 蘭州 730070；2. 蘭州交通大學道橋工程災害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，甘肅 蘭州 730070； 3. 東南大學巖土工程研究所， 江蘇 南京 210096)

目前尚無地下車站主體結(jié)構(gòu)分幅施工的先例，也沒有此種情況下明確的不均勻沉降控制標準。蘭州中川機場地下車站采取主體結(jié)構(gòu)分幅施工，通過調(diào)研相關(guān)規(guī)范與文獻，制定該地下車站不均勻沉降控制標準。采用FLAC3D軟件，分析不考慮結(jié)構(gòu)頂部回填土和考慮結(jié)構(gòu)頂部回填土2類共7種工況下的地基不均勻沉降變形潛勢及車站結(jié)構(gòu)受力情況。結(jié)果表明： 蘭州中川機場地下車站變形潛勢可分為安全、單指標預警、雙指標預警、臨界(一指標達到即可)、超限(一指標達到即可)等5個級別； 對不均勻沉降而言，設(shè)后澆帶左右半幅施工在施工期和長期均有利。對結(jié)構(gòu)受力而言，設(shè)后澆帶左右半幅施工在施工期有利，但對長期受力不利，推薦采用不設(shè)后澆帶左右半幅施工方案； 砂質(zhì)黃土條件下地下車站主體結(jié)構(gòu)不同施工工況變形潛勢差異明顯，左右半幅2種工況分別出現(xiàn)雙指標預警和單指標預警的變形潛勢等級。

砂質(zhì)黃土； 地下車站； 分幅施工； 不均勻沉降； 控制標準

0 引言

在黃土地區(qū)進行地下工程建設(shè)時，對地基沉降和主體結(jié)構(gòu)變形要求較高；但由于砂質(zhì)黃土具有結(jié)構(gòu)疏松、節(jié)理和孔隙發(fā)育等特性，使得地基基礎(chǔ)容易產(chǎn)生不均勻沉降,目前國內(nèi)外關(guān)于地基、基礎(chǔ)不均勻沉降的研究，多集中在不均勻沉降預測、原因和機制分析、沉降計算理論及處理措施等方面。在預測方面，通常是利用經(jīng)驗公式，復雜情況下結(jié)合模糊數(shù)學、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法[1]； 關(guān)于最終沉降的計算方法，現(xiàn)行GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[2]采用半理論半經(jīng)驗的修正分層總和法進行計算，但因地層土性和結(jié)構(gòu)荷載等因素復雜多變，按照規(guī)范進行沉降計算的結(jié)果往往與真實情況有較大出入； 文獻[3]通過分析沉降計算方法和研究進展，指出沉降計算是地基基礎(chǔ)工程中的3大難題之一； 文獻[4]對黃土地區(qū)施工時常出現(xiàn)的工程問題進行總結(jié)，結(jié)合大同至西安客運專線黃土的地貌、分布等特征及黃土的物理力學性質(zhì)進行分析，并提出相應控制措施； 文獻[5-7]深入分析了黃土地區(qū)建筑物沉降機制及處理措施； 文獻[8-9]對濕陷性黃土地區(qū)地下工程建設(shè)進行了全面的研究； 文獻[10-12]探討了黃土地區(qū)重大工程中的不均勻沉降問題及其處理措施。但目前尚無地下車站主體結(jié)構(gòu)分幅施工的先例，也沒有此種情況下明確的不均勻沉降控制標準，更無針對砂質(zhì)黃土地下車站工程分幅施工進行不均勻沉降預測的研究報道。本文針對蘭州中川機場砂質(zhì)黃土地下車站工程分幅施工實際情況，制定該車站主體結(jié)構(gòu)不均勻沉降控制標準，并分析地下車站不均勻沉降的變形潛勢及其結(jié)構(gòu)受力。

1 中川機場地下車站主體結(jié)構(gòu)分幅施工與不均勻沉降控制標準

1.1 工程分幅施工概況

新建蘭州至中川機場鐵路中川機場站為地下一層工程，全長550.135 m，底板埋深13～15.5 m。原設(shè)計基坑支護方案采用鉆孔灌注樁+鋼支撐結(jié)構(gòu)，框架主體采用縱向12～18 m分節(jié)，橫向整體一次澆筑。因工期緊張和基坑右側(cè)縱向布置電力隧道未及時遷改，并考慮到周邊場地開闊，采用放坡開挖和車站框架結(jié)構(gòu)分幅施工方案。兩級放坡，坡率為1∶0.5，中部設(shè)置一定寬度分級平臺。車站框架結(jié)構(gòu)分幅施工，即先施工已開挖的左半幅框架結(jié)構(gòu)，待電力隧道遷改完成后，再開挖右半幅土方進行右半幅框架結(jié)構(gòu)施工，如圖1所示。

1.2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)概況

圖1 車站結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 中川機場地下車站主體結(jié)構(gòu)不均勻沉降控制標準

鑒于目前尚無地下車站主體結(jié)構(gòu)分幅施工的先例，也沒有明確此種情況下的不均勻沉降控制標準，可借鑒類似建筑工程和地鐵鄰近施工等的相關(guān)控制標準制定本工程中的不均勻沉降控制標準?，F(xiàn)行GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》要求框架結(jié)構(gòu)和單層排架結(jié)構(gòu)應由相鄰柱基的沉降差控制。對于中、低壓縮性地基土，框架結(jié)構(gòu)的工業(yè)與民用建筑相鄰柱基的允許沉降差為0.002l，單層排架結(jié)構(gòu)(柱距為6 m)柱基的允許沉降量為120 mm; 文獻[13]指出北京地區(qū)地鐵隧道鄰近建(構(gòu))筑物施工時，一般建(構(gòu))筑物地表沉降按30 mm、傾斜按3‰控制，重要建(構(gòu))筑物地表沉降按15～20 mm、傾斜按1‰控制，特別重要的建(構(gòu))筑物地表沉降按10 mm、差異沉降按5 mm 控制。鄰近橋梁施工時，預應力混凝土簡支T梁順橋向和橫橋向差異沉降控制基準分別為20 mm和5 mm，其他橋梁結(jié)構(gòu)類型順橋向和橫橋向差異沉降均控制為5 mm; 文獻[14]對國內(nèi)外幾十年來沉降理論和觀測成果進行分析，結(jié)合我國地基規(guī)范和其他相關(guān)規(guī)范給出了儲罐地基變形控制標準的建議值; 文獻[15]總結(jié)了目前各種建(構(gòu))筑物沉降和差異沉降的控制標準，如表1所示。

表1 建(構(gòu))筑物的允許沉降量和差異沉降量[15]

中川機場地下車站的基層主要為無水砂質(zhì)黃土層，屬于中、低壓縮性土，按照GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》，則沉降差按照0.002l(即77 mm)控制，總沉降可參照體型簡單的高層建筑基礎(chǔ)的平均沉降量200 mm控制； 按照文獻[13]，則地表沉降按30 mm(30 mm不是基底沉降)、建筑物傾斜按3‰(即116 mm)控制； 按照文獻[15]，砂土鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)筏板基礎(chǔ)最大沉降量為5.0～8.0 cm、差異沉降量為2.0～3.0 cm。由于文獻[15]中砂土鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)筏板基礎(chǔ)控制標準最符合中川機場地下車站的地質(zhì)和結(jié)構(gòu)類型，且比現(xiàn)行GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》指標嚴格；因此，參照表1和文獻[15]制定中川機場地下車站主體結(jié)構(gòu)沉降控制標準，如表2所示。根據(jù)表2中的沉降控制標準，可將變形潛勢分為安全、單指標預警、雙指標預警、臨界(只要一指標達到即可)、超限(只要一指標達到即可)等5個級別。

表2 中川機場地下車站主體結(jié)構(gòu)沉降控制標準

Table 2 Settlement control standards for main structure of Zhongchuan Airport Underground Station mm

2 計算工況與計算模型

為全面比較與分析放坡開挖及車站框架結(jié)構(gòu)施作分為左右半幅2步時，主體結(jié)構(gòu)施工期間及長期的變形和受力狀況，分別擬定7種不同工況進行建模計算和對比分析。

2.1 計算工況

7種計算工況見表3。為分析車站主體框架結(jié)構(gòu)施工期間整體施工、單一縱向施工縫和預留后澆帶3種施工方法對框架結(jié)構(gòu)變形和受力的影響，不考慮放坡后的回填土和主體結(jié)構(gòu)上覆土層及上部荷載，擬定前3種工況進行分析； 在前3種工況的基礎(chǔ)上，進一步考慮主體結(jié)構(gòu)兩側(cè)回填土、上覆土層及上部荷載，擬定后4種工況，分析放坡開挖回填土壓力及左右半幅施工對結(jié)構(gòu)的影響。

2.2 模型建立

采用FLAC3D軟件進行數(shù)值模擬，計算斷面如圖2所示。建立數(shù)值計算模型，如圖3所示。模型尺寸為120 m (長) ×1 m (寬)× 60 m (高)，整個計算域共劃分為3 462個節(jié)點和1 660個單元。

土體為彈塑性材料，摩爾-庫侖本構(gòu)模型主要用來模擬松散或膠結(jié)的粒狀材料，比如土體、巖石、混凝土等，故地層采用彈塑性模型，屈服條件采用摩爾-庫侖準則。模型底部施加X、Y和Z方向的約束，側(cè)面及頂面施加法向約束。根據(jù)地質(zhì)勘察報告，將相近的地層物理力學參數(shù)進行分組以便于建模計算，具體取值如表4所示，土層參數(shù)歸納為埋深2 m以上部分、2 m以下部分和回填土層3部分， 還有混凝土墊層和框架結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表3 計算工況匯總

圖2 計算斷面(單位： mm)

圖3 數(shù)值模擬計算模型

項目密度/(kg/m3)變形模量/MPa泊松比內(nèi)摩擦角/(°)黏聚力/kPa土層2m以上165060.4222192m以下175070.42520回填土1780230.382722墊層2300310000.3323250框架結(jié)構(gòu)2800300000.2406000

3 計算結(jié)果分析

3.1 框架施工期間前3種工況對比分析

為分析車站主體框架結(jié)構(gòu)施工期間整體施工、單一縱向施工縫和預留后澆帶3種施工方法對框架結(jié)構(gòu)變形和受力的影響，首先對前3種工況進行分析比較。前3種工況施工期間基底沉降對比曲線如圖4所示，水平坐標原點位于左右分幅縱向施工縫位置(下同)。由圖4可知： 工況1(整體施工)基底沉降最大為12.39 mm，最小為11.04 mm，不均勻沉降為1.35 mm，沉降差很小，可忽略不計； 工況2(單一縱向施工縫)基底沉降最大為19.32 mm，最小為9.83 mm，不均勻沉降為9.49 mm； 工況3(預留后澆帶)基底沉降最大為16.29 mm，最小為5.55 mm，先施工左部分沉降差較大，不均勻沉降為10.74 mm，左右框架間出現(xiàn)8.3 mm 的錯臺。故分左右半幅施工均會產(chǎn)生一定量的不均勻沉降，預留后澆帶則會使不均勻沉降稍微增加，并使左右框架間出現(xiàn)錯臺。

圖4 不考慮頂部回填土下3種工況施工期間基底沉降曲線

Fig. 4 Curves of foundation settlement under 3 working conditions without consideration of top roof backfill

前3種工況施工期間框架結(jié)構(gòu)受力情況分別為：工況1(整體施工)車站框架結(jié)構(gòu)的豎向最大拉應力和最大壓應力分別為0.110 MPa和0.104 MPa，水平最大拉應力和最大壓應力分別為0.218 MPa和0.215 MPa，受力較??； 工況2(單一縱向施工縫)車站框架結(jié)構(gòu)的豎向最大拉應力和最大壓應力分別為3.77 MPa和4.54 MPa，水平最大拉應力和最大壓應力分別為4.57 MPa和4.62 MPa，受力相對較大； 工況3(預留后澆帶)車站框架結(jié)構(gòu)的豎向最大拉應力和最大壓應力分別為2.15 MPa和1.43 MPa，水平最大拉應力和最大壓應力分別為2.73 MPa和2.66 MPa，相對工況2，結(jié)構(gòu)受力明顯減小，說明預留后澆帶能有效改善結(jié)構(gòu)受力。

3.2 兩側(cè)回填土和上覆荷載對結(jié)構(gòu)長期變形的影響分析

兩側(cè)回填土產(chǎn)生的土壓力主要影響結(jié)構(gòu)的水平方向位移，尤其是水平方向位移差對側(cè)墻和中間柱體的結(jié)構(gòu)安全有明顯影響。為此，通過對比后4種工況下車站框架結(jié)構(gòu)水平方向的變形來分析兩側(cè)回填土對結(jié)構(gòu)的影響。

采用工況4時，框架結(jié)構(gòu)豎向最大水平位移差約為0.5 mm，變形較小； 采用工況5時，框架結(jié)構(gòu)豎向最大水平位移差約為10 mm； 采用工況6時，框架結(jié)構(gòu)豎向最大水平位移差約為10 mm； 采用工況7時，框架結(jié)構(gòu)豎向最大水平位移差約為0.7 mm。由此可見，兩側(cè)回填土產(chǎn)生的土壓力對結(jié)構(gòu)的水平方向位移有一定影響。若采用左右半幅施工，預留后澆帶可以明顯減小沿框架結(jié)構(gòu)豎向的最大水平位移差，與整體施工相差不大，明顯改善了結(jié)構(gòu)受力。

3.3 兩側(cè)回填土和上覆荷載條件下左右半幅施工對基底長期沉降的影響分析

后4種工況施工完成后的基底沉降對比曲線如圖5所示。由圖5可知： 采用工況4時，車站框架結(jié)構(gòu)的基底沉降在40 mm以內(nèi)，最大為38.53 mm，最小為35.39 mm，不均勻沉降為3.14 mm，沉降差較??； 采用工況5時，基底沉降也在40 mm之內(nèi)，最大為38.85 mm，最小為35.8 mm，不均勻沉降為3.05 mm，沉降差較小，并且后期兩側(cè)基坑土回填對框架結(jié)構(gòu)兩側(cè)地基的沉降稍有影響，促進了基坑坡腳處沉降值的增加，對結(jié)構(gòu)的整體均勻沉降有一定的促進作用； 采用工況6時，基底沉降已經(jīng)超過40 mm，最大為47.52 mm，最小為34.62 mm，不均勻沉降為12.9 mm，且長期沉降曲線從左到右呈線性連續(xù)下降，斜率約為0.3‰； 采用工況7時，基底沉降最大為44.4 mm，最小為36.74 mm，且長期沉降曲線呈兩端大中間小的規(guī)律。左半幅不均勻沉降為3.83 mm，斜率約為0.2‰。右半幅不均勻沉降為7.97 mm，斜率約為0.4‰。由此可見，兩側(cè)回填土和上覆荷載共同作用下，雖然采用預留后澆帶措施后基底不均勻沉降值有一定減小，但由于設(shè)后澆帶后長期沉降曲線呈兩端大中間小的規(guī)律，使得右半幅沉降斜率大于工況6中的沉降斜率。

圖5 考慮結(jié)構(gòu)頂部回填土下4種工況施工完成后的基底沉降曲線

Fig. 5 Curves of foundation settlement under 4 working conditions considering top roof backfill

3.4 兩側(cè)回填土和上覆荷載條件下左右半幅施工對結(jié)構(gòu)長期受力的影響分析

采用工況4時，車站框架結(jié)構(gòu)的豎向最大拉應力和最大壓應力分別為4.18 MPa和4.10 MPa，水平最大拉應力和最大壓應力分別為5.53 MPa和5.59 MPa； 采用工況5時，車站框架結(jié)構(gòu)的豎向最大拉應力和最大壓應力分別為3.65 MPa和3.60 MPa，水平最大拉應力和最大壓應力分別為5.34 MPa和6.33 MPa； 采用工況6時，車站框架結(jié)構(gòu)的豎向最大拉應力和最大壓應力分別為4.13 MPa和4.18 MPa，水平最大拉應力和最大壓應力分別為3.27 MPa和4.91 MPa。施工縫處拉應力為0.4 MPa，壓應力為0.2 MPa； 采用工況7時，車站框架結(jié)構(gòu)的豎向最大拉應力和最大壓應力分別為3.28 MPa和3.96 MPa，水平最大拉應力和最大壓應力分別為4.21 MPa和4.86 MPa。施工縫處拉應力為3 MPa，壓應力為1 MPa。由此可見，后4種工況的車站框架結(jié)構(gòu)最大拉應力和最大壓應力差別不大。不設(shè)后澆帶的工況6長期沉降曲線從左到右呈線性連續(xù)下降； 設(shè)后澆帶后的工況7長期沉降呈兩端大中間小的規(guī)律，施工縫處拉應力較大。

3.5 不同工況變形潛勢等級分析

為方便和中川機場地下車站主體結(jié)構(gòu)不均勻沉降控制標準進行比較，確定其變形潛勢等級，匯總7種工況的最大應力、變形和變形潛勢等級，如表5所示。可以看出： 所有工況均滿足中川機場地下車站主體結(jié)構(gòu)沉降控制標準。對不均勻沉降而言，設(shè)后澆帶在施工期和長期均有利； 但對結(jié)構(gòu)受力而言，設(shè)后澆帶左右半幅施工在施工期有利，但對長期受力不利。不設(shè)后澆帶左右半幅施工不均勻沉降遠小于規(guī)范要求，且對結(jié)構(gòu)長期變形和受力有利；因此推薦采用不設(shè)后澆帶左右半幅施工方案。

表5 7種工況下車站結(jié)構(gòu)應力及變形潛勢對比

4 結(jié)論與建議

1)中川機場站變形潛勢可分為安全、單指標預警、雙指標預警、臨界(一指標達到即可)、超限(一指標達到即可)等5個級別； 數(shù)值模擬的所有工況均滿足中川機場地下車站主體結(jié)構(gòu)沉降控制標準。砂質(zhì)黃土條件下地下車站主體結(jié)構(gòu)不同施工工況變形潛勢差異明顯，左右半幅2種工況分別出現(xiàn)雙指標預警和單指標預警的變形潛勢等級。

2)左右半幅單一縱向施工縫施工會產(chǎn)生一定量的不均勻沉降，預留后澆帶則會使不均勻沉降稍微增加，并使左右框架間出現(xiàn)錯臺，設(shè)后澆帶在施工期和長期均有利； 預留后澆帶可明顯改善結(jié)構(gòu)在施工期的受力情況，但對長期受力不利，推薦采用不設(shè)后澆帶左右半幅施工方案。

3)本文對砂質(zhì)黃土地下車站分幅施工變形規(guī)律進行了研究，可為類似工程控制不均勻沉降和指定合理的施工方案提供參考。今后遇到類似問題時，建議在本研究的基礎(chǔ)上，考慮工程地質(zhì)條件的復雜性和結(jié)構(gòu)類型的多變性，適度修正不均勻沉降控制標準與施工措施。

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Study of Deformation Rules of Underground Station in Sandy Loess Constructed by Semi Construction Method

CHEN Zhimin1, 2, LIN Pengzhen1, 2, FENG Yasong3

(1.KeyLaboratoryofRoad&BridgeandUndergroundEngineeringofGansuProvince,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,Gansu,China; 2.NationalandProvincialJointEngineeringLaboratoryofRoad&BridgeDisasterPreventionandControl,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,Gansu,China;3.InstituteofGeotechnicalEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,Jiangsu,China)

At present, there is no semi construction experience and settlement control standard for main structure of underground station. The main structure of Lanzhou Zhongchuan Airport Underground Station is constructed by semi construction method; and the uneven settlement standards for the underground station should be settled according to relevant standards and documents. The uneven deformation rules of the foundation and the stress of the station structure are analyzed under 7 conditions of the station structure with and without top roof backfill by software FLAC3D. The study results show that: 1) The deformation potentials can be classified into 5 levels, i.e. safety, single index warning, double index warning, critical state (as long as one index reached) and ultralimit (as long as one index reached). 2) The semi construction with post-cast strip is good for uneven settlement control during construction period and following long term. It is also good for structural stress during construction period but not for structural stress in long term. As a result, the semi construction without post-cast strip is recommended. 3) The deformation potentials of underground station in sandy loess under different working conditions vary obviously. The double index warning and single index warning occur under working conditions of semi construction.

sandy loess; underground station; semi construction; uneven settlement; control standard

2017-03-10;

2017-06-27

國家自然科學基金(11662007)； 甘肅省建筑節(jié)能和建設(shè)科技專項(JK2014-15)； 長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃滾動資助(IRT_15R29)

陳志敏(1979—)，男，河北臨城人，2012年畢業(yè)于蘭州交通大學，巖土工程專業(yè)，博士，副教授，主要從事巖土與地下工程方面的教學與科研工作。E-mail： chenzhimin0523@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.08.008

U 45

A

1672-741X(2017)08-0966-07