PBA法導(dǎo)洞施工引起的地表沉降規(guī)律分析

王冰琰，董志航

（1.中鐵十五局集團(tuán)有限公司，上海 200000；2.蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070）

PBA法導(dǎo)洞施工引起的地表沉降規(guī)律分析

王冰琰1，董志航2

（1.中鐵十五局集團(tuán)有限公司，上海 200000；2.蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070）

結(jié)合北京地鐵16號(hào)線達(dá)官營站的工程施工實(shí)踐，研究了地鐵車站主體結(jié)構(gòu)在PBA法地下洞室施工時(shí)的地表沉降規(guī)律。分析了不同導(dǎo)洞開挖面通過地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)的地表沉降特點(diǎn)；使用Peck模型對(duì)地表沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得出了PBA法多導(dǎo)洞施工對(duì)地表沉降影響的一般規(guī)律；并提出了PBA法洞室施工控制地表沉降的輔助措施，以期為今后類似工程的施工提供參考和借鑒。

PBA；地表沉降；Peck；沉降控制

地鐵車站一般位于城市繁華地段，交通繁忙，地表環(huán)境復(fù)雜[1]。在這種施工環(huán)境下，洞樁法（PBA）已成為目前地鐵車站工程的主要施工方法[2]。PBA法結(jié)合了暗挖法與蓋挖法的優(yōu)勢(shì)，利用導(dǎo)洞施作樁﹑梁﹑柱，從而形成主要受力框架體系，對(duì)地層擾動(dòng)次數(shù)較少，能有效控制地層變形[3]；且具有結(jié)構(gòu)受力明確﹑工序轉(zhuǎn)換少等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的認(rèn)可與應(yīng)用。但是，PBA法施工步驟復(fù)雜，開挖面多，易引發(fā)群洞效應(yīng)，因此在施工過程應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)地表沉降的監(jiān)測(cè)。

1 工程概況

北京地鐵十六號(hào)線達(dá)官營站主體采用“8導(dǎo)洞PBA法”施工。達(dá)官營站位于廣安門外大街與三里河南延路交叉路口以北，沿三里河南延路路下敷設(shè)，為二層三跨地下島式車站，有效站臺(tái)寬為14 m，車站主體總長為209 m，覆土厚度為13.8～15.5 m。車站大體呈南北向布置，與在建的7號(hào)線達(dá)官營站呈L型換乘，北端接礦山法區(qū)間，南端接盾構(gòu)法區(qū)間。

車站主體結(jié)構(gòu)包括L1﹑L2和L33個(gè)施工豎井，豎井采用倒掛井壁法施工，豎井連接橫通道，自橫通道進(jìn)洞，由橫通道向兩側(cè)臺(tái)階法開挖導(dǎo)洞，臺(tái)階長度為3～5 m。開挖導(dǎo)洞時(shí)，按先挖上層后挖下層導(dǎo)洞，先挖邊導(dǎo)洞后挖中導(dǎo)洞的順序，開挖步距同格柵間距，相鄰導(dǎo)洞間錯(cuò)一倍洞徑施工，減小群洞效應(yīng)，保證施工安全[4]。

車站頂部位于雜填土和粉細(xì)砂層，中部位于粉質(zhì)粘土和卵石層，底部位于礫巖層。車站主體結(jié)構(gòu)鄰近國家話劇院﹑廣源小區(qū)等多座重要建筑物，且施工影響范圍內(nèi)有多座高壓塔和地下管線，都增加了施工難度，所以應(yīng)在施工過程中及時(shí)掌握地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降狀態(tài)，對(duì)施工過程進(jìn)行全面監(jiān)控[5]。

2 地下洞室施工引起的地表沉降規(guī)律

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置

以L1施工豎井監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的布置為例，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目以地表沉降位移監(jiān)測(cè)為主，觀測(cè)點(diǎn)主要布置在L1豎井橫通道北側(cè)里程K10+375至南側(cè)K10+455處。具體布置情況為：間隔5 m分別與隧道左﹑右線路中線平行，與橫通道中線垂直布置7條縱向斷面，依次為DG﹑SG﹑YG1﹑YG2﹑DB1﹑DB2﹑DB3，其中SG和DB2斷面布置在左﹑右線路中線上；同時(shí)在7條縱向斷面上，間隔5 m布置橫向監(jiān)測(cè)斷面，以了解地表沉降的橫向影響范圍，導(dǎo)洞與橫通道連接處需適當(dāng)加密[6-8]，地表測(cè)點(diǎn)具體布置如圖1所示。

圖1 地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置平面圖

2.2 地表沉降一般規(guī)律

地層變形是從洞室周圍逐漸向地表延伸發(fā)展的，隧道開挖引起的底層變形并不是瞬間達(dá)到最終值的，而是一個(gè)逐漸累積的過程，一般把這個(gè)過程分為3 個(gè)階段[4]，如圖2所示。

1）先行沉降。當(dāng)掌子面距測(cè)點(diǎn)1B～2B（B為隧道跨度）時(shí)，隧道開挖開始對(duì)地表產(chǎn)生一定影響，造成一定范圍內(nèi)的沉降，不過影響較小，沉降量占總變形量的一小部分，主要是由于工作面的開挖導(dǎo)致前方地層應(yīng)力發(fā)生變化引起的。

圖2 地表沉降一般規(guī)律

2）通過沉降。隨著掌子面的向前推進(jìn)，當(dāng)距測(cè)點(diǎn)-1B～3B時(shí)，地表沉降速率加大。這一過程的沉降包括開挖面通過初期支護(hù)結(jié)構(gòu)閉合成環(huán)并能對(duì)周圍的土體變形提供有效阻力為止的時(shí)間過程，當(dāng)初期支護(hù)能夠阻止圍巖變形時(shí)，地表沉降開始收斂，這一時(shí)間段的沉降量是整個(gè)施工過程的主要部分。

3）后期沉降。當(dāng)掌子面距測(cè)點(diǎn)大于3B后，地表沉降就會(huì)趨于穩(wěn)定，這一時(shí)間段的沉降量占整個(gè)施工過程的很小一部分，但持續(xù)時(shí)間較長。

2.3 PBA法多導(dǎo)洞對(duì)地表沉降影響的分析

多洞室施工引起的地表沉降規(guī)律與單孔隧道基本一致，都會(huì)產(chǎn)生地表沉降的疊加[9]，該疊加為多種因素共同作用的結(jié)果。本文地表沉降分析中使用的數(shù)據(jù)來源于2015-08-06第一個(gè)導(dǎo)洞——北A#上洞開挖到2016-01-21的累計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。以1#主斷面為例進(jìn)行典型斷面分析，以車站主體結(jié)構(gòu)的幾何中心線作為基準(zhǔn)線繪制橫向沉降槽曲線，如圖3所示。

1#主斷面距離橫通道中線約為35 m，隧道結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，基準(zhǔn)線兩側(cè)15 m內(nèi)，即隧道A#﹑D#導(dǎo)洞之間累計(jì)沉降量較大。由于隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)各導(dǎo)洞的間距較小，其橫向沉降規(guī)律與單線大跨徑隧道基本一致。

圖3 地表橫向沉降曲線圖

Peck R B提出了隧道開挖引起的地表沉降槽呈近似正態(tài)分布的概念，并認(rèn)為在不排水的情況下，隧道開挖所形成地表沉降槽的體積應(yīng)等于地層損失的體積，其相應(yīng)的地表沉降位移預(yù)測(cè)模型為：

式中，s(x)為距離隧道結(jié)構(gòu)中軸線x處地表累計(jì)沉降值；smax為隧道中線處最大沉降量；i為沉降槽寬度[10]。

使用Origin8.0軟件對(duì)1#主斷面橫向沉降量進(jìn)行Peck模型回歸分析（圖4），得出的模型卡方值為：R2=0.969，其沉降曲線可描述為：

式中，i=17.738 m；smax=11.990 mm。

圖4 累計(jì)沉降Peck曲線回歸圖

施工過程中，沉降槽中線位于-1.871 m處，B#導(dǎo)洞上方，可能是由于B#上導(dǎo)洞的施工進(jìn)度較快首先通過1#主斷面所引起的。由于導(dǎo)洞群先后通過斷面，在其對(duì)地層擾動(dòng)的非線性疊加作用下，1#主斷面最終形成的沉降槽為：沉降槽中心距車站中線-1.871 m（位于B#導(dǎo)洞上方），累計(jì)沉降為-11.990 m，拐點(diǎn)距沉降槽17.738 m，沉降分布范圍約為車站結(jié)構(gòu)中心左右兩側(cè)50 m之內(nèi)。

歷時(shí)曲線是指某一測(cè)點(diǎn)從開始沉降到地表沉降基本穩(wěn)定全過程的沉降規(guī)律，反映的是整個(gè)施工過程對(duì)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的影響。將2015-08-06～2016-01-21的1#主斷面8個(gè)導(dǎo)洞開挖過程的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制為一組沉降歷時(shí)曲線圖，如圖5所示。

圖5 1#主斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表沉降歷時(shí)曲線

PBA洞室施工對(duì)地表沉降的影響具有集中效應(yīng)，即某一監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降主要受離該點(diǎn)最近的導(dǎo)洞開挖情況影響，而其他導(dǎo)洞對(duì)該點(diǎn)沉降情況的影響較小，且影響隨距離的增大而減弱。

由圖5可以看出，累計(jì)沉降曲線較大的幅度變化主要發(fā)生在上下層各導(dǎo)洞開挖面通過地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的階段，洞內(nèi)后續(xù)施工對(duì)地層變位影響較小。由于上層A#﹑B#﹑C#﹑D#4個(gè)先行導(dǎo)洞的先行施工擾動(dòng)了土體，破壞了土體結(jié)構(gòu)既有的平衡體系，在先行導(dǎo)洞擾動(dòng)區(qū)域內(nèi)施工會(huì)使周圍土體應(yīng)力變得更加復(fù)雜，導(dǎo)致地表沉降的疊加，因此后續(xù)施工的4個(gè)下層導(dǎo)洞引起的地表沉降變化幅度明顯大于上層導(dǎo)洞，表現(xiàn)為下層A#﹑B#﹑C#﹑D#4個(gè)導(dǎo)洞開挖時(shí)沉降曲線的斜率大于上層導(dǎo)洞開挖時(shí)的斜率，在8個(gè)導(dǎo)洞全部通過地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)后，沉降曲線趨于穩(wěn)定。

3 結(jié) 語

3）提高格柵鋼架焊接和安裝合格率。重點(diǎn)控制格柵鋼架焊接的一次合格率，確保每一個(gè)連接節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)確到位且連接安全可靠，滿足設(shè)計(jì)圖紙要求，將格柵鋼筋和超前小導(dǎo)管互相焊接形成整體，形成聯(lián)合支護(hù)體系，有效抑制圍巖變形。

4）提高工程管理水平，隧道開挖嚴(yán)格按施工組織設(shè)計(jì)進(jìn)行，嚴(yán)格遵守 “管超前﹑嚴(yán)注漿﹑短進(jìn)尺﹑強(qiáng)支護(hù)﹑早封閉﹑勤量測(cè)”的方針。對(duì)車站施工影響范圍內(nèi)（平面范圍為結(jié)構(gòu)外輪廓外放一倍地板埋置深度）的所有建筑物和地下管線制定詳細(xì)的保護(hù)措施與應(yīng)急預(yù)案。

針對(duì)城市地鐵暗挖車站的淺埋﹑結(jié)構(gòu)復(fù)雜﹑底層軟弱等缺點(diǎn)，采用PBA法施工可有效控制地表沉降。在施工過程，為了減少開挖﹑初支等工序引起的群洞疊加效應(yīng)，導(dǎo)洞的開挖應(yīng)嚴(yán)格按照施工步驟要求進(jìn)行，做到先開挖上導(dǎo)洞，后開挖下導(dǎo)洞，同層導(dǎo)洞先開挖邊導(dǎo)洞，后開挖中導(dǎo)洞，且前后錯(cuò)開不小于10 m。同時(shí)，在施工過程中，應(yīng)采取輔助措施來控制地表沉降：

1）加強(qiáng)地層改良工作。做好詳盡的地質(zhì)描述，加強(qiáng)對(duì)開挖工作面的地質(zhì)觀察和記錄，判斷其穩(wěn)定性并預(yù)報(bào)開挖面前方地質(zhì)情況。施作施工導(dǎo)洞拱部超前支護(hù)結(jié)構(gòu)，超前小導(dǎo)管注漿加固圍巖，特殊地段可擴(kuò)大注漿范圍，及時(shí)進(jìn)行初支和二襯背后注漿，嚴(yán)格控制注漿壓力，必要時(shí)進(jìn)行多次補(bǔ)漿，防止開挖面的松弛﹑變形和坍塌。

2）合理安排作業(yè)工序。合理確定各導(dǎo)洞的開挖順序，采用先上后下，先邊后中的順序進(jìn)行小導(dǎo)洞工程的開挖，減少圍巖擾動(dòng)次數(shù)，減小群洞效應(yīng)。合理控制并行導(dǎo)洞開挖掌子面的距離，避免兩相鄰導(dǎo)洞同時(shí)開挖，采用預(yù)留核心土的開挖方式，減小開挖段面尺寸，縮短循環(huán)作業(yè)時(shí)間，使結(jié)構(gòu)盡早封閉成環(huán)。

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P258

B

1672-4623（2017）09-0097-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.09.029

2016-05-10。

項(xiàng)目來源：蘭州交通大學(xué)青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2013006）。

王冰琰，碩士，研究方向?yàn)楣こ虦y(cè)量與變形監(jiān)測(cè)。