卵石-泥巖復(fù)合地層中淺埋車(chē)站暗挖逆作施工引起地表沉降規(guī)律

文/新疆城建試驗(yàn)檢測(cè)有限公司 李天華 白文英 孟效成

烏魯木齊市地層條件主要為上部卵石與下伏泥巖的復(fù)合地層，地質(zhì)條件比較特殊。同時(shí)1號(hào)線大多數(shù)車(chē)站采用“洞-樁-墻”淺埋暗挖法的施工方式（Pile-Beam-Arch，簡(jiǎn)稱PBA施工工法），而復(fù)合地層條件下淺埋車(chē)站施工對(duì)環(huán)境的影響一直是工程界關(guān)心的核心問(wèn)題。

因此本文以烏魯木齊地鐵1號(hào)線八樓站為背景，通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析研究卵石與泥巖復(fù)合地層條件下地鐵車(chē)站PBA工法施工對(duì)地表沉降的影響，研究PBA工法各施工階段地表沉降規(guī)律，復(fù)合地層條件下地表沉降槽寬度參數(shù)，地表最大沉降量等內(nèi)容，為類似地鐵車(chē)站建設(shè)起指導(dǎo)作用。

工程概況

八樓站工程簡(jiǎn)介

烏魯木齊市軌道交通1號(hào)線八樓站為換乘站。1號(hào)線車(chē)站沿新醫(yī)路東西方向，新醫(yī)路與友好北路、鯉魚(yú)山南路交口設(shè)站，車(chē)站總長(zhǎng)329.4m，其中小里程暗挖段198m，設(shè)3座工作豎井，暗挖車(chē)站中心里程覆土高度約為10.67m，小里程端覆土高度為10.9m，小里程端與盾構(gòu)區(qū)間相接。暗挖主體橫斷面為雙柱三拱直墻平底斷面，采用暗挖類PBA工法施工。

設(shè)計(jì)概況

暗挖車(chē)站主體為地下兩層島式明暗挖結(jié)合車(chē)站，車(chē)站中心里程為YDK11+302.515。明暗挖分界里程為YDK11+397.115，標(biāo)準(zhǔn)段寬為23.3m，車(chē)站高度為16.68m。初期支護(hù)采用格柵鋼架加噴射混凝土支護(hù)體系，主體斷面采用4導(dǎo)洞形式開(kāi)挖，上層中間一個(gè)大導(dǎo)洞3，兩側(cè)各一個(gè)小導(dǎo)洞1和2，下層中間一個(gè)大導(dǎo)洞4。兩側(cè)邊導(dǎo)洞采用上下臺(tái)階法開(kāi)挖，上下中導(dǎo)洞采用“CD”法開(kāi)挖。

車(chē)站開(kāi)挖步驟

臺(tái)階法施工主體兩側(cè)小導(dǎo)洞1和2，施做圍護(hù)邊樁及樁頂縱梁，初期支護(hù)；CD法施工上下中導(dǎo)洞3和4，初期支護(hù)；施做頂部扣拱及初期支護(hù)；開(kāi)挖上層土體，施做頂部二襯、中板及中縱梁；開(kāi)挖下層土體，施做結(jié)構(gòu)底板。待底板達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后施做下部側(cè)墻，完成主體結(jié)構(gòu)施工。

圖1 暗挖車(chē)站結(jié)構(gòu)示意圖

地質(zhì)條件

本車(chē)站詳細(xì)地層分布及地層特征如下：

第四系全新統(tǒng)（Q4）

人工填筑土（Q4ml）：①-1雜填土；

第四系沖洪積（Q4al+pl）：②-10卵石（Q4al+pl）。

侏羅系（J）

⑤-1-2強(qiáng)風(fēng)化泥巖（J2+3Ms)，⑤-1-3中風(fēng)化泥巖（J2+3Ms)，⑤-2-2強(qiáng)風(fēng)化砂巖（J2+3Ss）；

⑤-2-3中風(fēng)化砂巖（J2+3Ss）；

⑤-3-2強(qiáng)風(fēng)化礫巖，⑤-3-3中風(fēng)化礫巖；

⑤-4煤。

圖2 八樓站暗挖車(chē)站地質(zhì)斷面圖

車(chē)站開(kāi)挖數(shù)值模擬

數(shù)值模型

根據(jù)設(shè)計(jì)資料使用midas軟件建立模型，考慮邊界效應(yīng)的影響，土體寬度為80m，高度為40m，開(kāi)挖方向長(zhǎng)度為80m，地鐵車(chē)站以及導(dǎo)洞的模型尺寸及埋深按照設(shè)計(jì)資料進(jìn)行建模，建立的數(shù)值模型如圖3所示，模型左右、前后邊界水平位移約束，下表面豎向位移約束，隧道各斷面開(kāi)挖通過(guò)施工過(guò)程中單元的激活和鈍化功能完成。

導(dǎo)洞的噴射混凝土和車(chē)站結(jié)構(gòu)的混凝土采用面單元進(jìn)行模擬，車(chē)站內(nèi)部的中柱以及車(chē)站側(cè)墻外部的圍護(hù)樁均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，土體分為四層，從上到下分別是雜填土、卵石層、強(qiáng)風(fēng)化泥巖層和中風(fēng)化泥巖層。

圖3 車(chē)站數(shù)值模型

參數(shù)選取

土體采用摩爾-庫(kù)倫模型，土體參數(shù)如表1所示。

車(chē)站襯砌及其他梁、板、柱等結(jié)構(gòu)的參數(shù)按照相應(yīng)的混凝土等級(jí)進(jìn)行選取使用。

模擬開(kāi)挖過(guò)程

根據(jù)實(shí)際施工情況，在開(kāi)挖過(guò)程中以2米為一個(gè)施工步進(jìn)行模擬，地鐵車(chē)站的整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程分為4步：

形成初始重力場(chǎng)；開(kāi)挖導(dǎo)洞，施做初期支護(hù)；施做圍護(hù)樁、中柱以及車(chē)站頂拱，開(kāi)挖上層土體并施做車(chē)站中板；開(kāi)挖下層土體，施做底板、側(cè)墻，完成開(kāi)挖。

計(jì)算結(jié)果及分析

地鐵車(chē)站采用PBA工法，土體開(kāi)挖主要分為三部分：導(dǎo)洞開(kāi)挖；車(chē)站上層土體開(kāi)挖；車(chē)站下層土體開(kāi)挖。

以車(chē)站中間斷面分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，在導(dǎo)洞開(kāi)挖后，地面最大沉降量為2.98mm，即由于導(dǎo)洞開(kāi)挖面積比較小，對(duì)地層的擾動(dòng)影響小，因此地表沉降量較小。車(chē)站上層土體開(kāi)挖后，地面最大沉降為10.1mm，沉降量明顯大于導(dǎo)洞開(kāi)挖施工階段，這說(shuō)明在PBA工法施工過(guò)程中，車(chē)站上層土體的開(kāi)挖對(duì)地層的擾動(dòng)遠(yuǎn)大于導(dǎo)洞開(kāi)挖，土體加固措施在此施工階段應(yīng)當(dāng)予以重視，但其沉降總量依然比較小，這是因?yàn)榈罔F車(chē)站開(kāi)挖地層上方是卵石層，在擾動(dòng)較小的情況下，具有一定的承載能力，因此其地表沉降量也小于軟土地區(qū)。車(chē)站下層土體開(kāi)挖后，其地面沉降量幾乎保持不變，這是因?yàn)镻BA工法中，車(chē)站下層土體開(kāi)挖前，進(jìn)行了圍護(hù)樁以及頂拱二襯等車(chē)站結(jié)構(gòu)的施做，在下層土體開(kāi)挖前形成了良好的支撐體系，因此車(chē)站下層土體開(kāi)挖后不會(huì)引起地面進(jìn)一步沉降。圖4為各施工階段后地面沉降曲線圖，從中可以看出地表沉降主要發(fā)生在車(chē)站上層土體開(kāi)挖階段，導(dǎo)洞開(kāi)挖階段與車(chē)站上層土體開(kāi)挖階段的地表沉降量大致為3∶7。

圖4 車(chē)站各施工階段開(kāi)挖后地表沉降曲線

隧道施工引起的地表沉降曲線與Peck公式或一系列修正的Peck公式所給出的地表沉降曲線吻合較好，沉降曲線可近似為正態(tài)分布曲線，Peck橫向分布公式為∶

式中：s為距離車(chē)站中心軸線x處地表沉降值；smax為地表最大沉降量；i為地表沉降槽寬度系數(shù)，可通過(guò)回歸求得。

地表沉降槽反彎點(diǎn)距離i反映開(kāi)挖對(duì)地表影響的范圍，不同地層條件下車(chē)站開(kāi)挖的地表沉降槽參數(shù)一般不同，本文通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行擬合得到了在該復(fù)合地層條件下的地表沉降槽參數(shù)i=5.86m。

選取車(chē)站正上方處節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到不同施工階段地表沉降隨開(kāi)挖掌子面位置的關(guān)系，如圖5、圖6所示。從結(jié)果中可以看出，在導(dǎo)洞開(kāi)挖階段，當(dāng)開(kāi)挖掌子面經(jīng)過(guò)地表測(cè)點(diǎn)斷面位置時(shí)，地表沉降量為該施工階段總沉降量的25%作用，掌子面遠(yuǎn)離后，地表還會(huì)有比較大的沉降量，體現(xiàn)了地表沉降具有一定的時(shí)效特性。在上層土體開(kāi)挖階段，發(fā)現(xiàn)在掌子面距離監(jiān)測(cè)斷面較遠(yuǎn)時(shí)，地面雖然開(kāi)始發(fā)生沉降，但沉降趨勢(shì)比較緩慢，當(dāng)掌子面達(dá)到監(jiān)測(cè)斷面附近時(shí)，地表沉降速率明顯增加，當(dāng)掌子面遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)斷面并達(dá)到一定距離后，地表沉降量趨于收斂。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

圖5 導(dǎo)洞開(kāi)挖階段地表沉降與掌子面位置關(guān)系曲線

圖6 車(chē)站上層土體開(kāi)挖階段地表沉降與掌子面位置關(guān)系曲線

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

測(cè)點(diǎn)布置

沿車(chē)站開(kāi)挖方向總共有20個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，斷面編號(hào)為DB-50到DB-69，其中6個(gè)斷面為主要監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量為7或10個(gè)，地表沉降測(cè)點(diǎn)的具體布置如下圖7所示。

地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

圖7 車(chē)站地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

圖8 DB-55斷面1號(hào)測(cè)點(diǎn)車(chē)站上層土體開(kāi)挖階段地表沉降時(shí)程曲線

圖8和圖9分別為DB-55斷面1號(hào)測(cè)點(diǎn)和2號(hào)測(cè)點(diǎn)在車(chē)站土體整體開(kāi)挖過(guò)程的地表沉降時(shí)程曲線，根據(jù)地表沉降時(shí)程曲線可以看出，在車(chē)站土體開(kāi)挖過(guò)程中，當(dāng)掌子面靠近監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面地表收到地層擾動(dòng)影響，產(chǎn)生輕微沉降現(xiàn)象，當(dāng)掌子面經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，地表發(fā)生明顯沉降，且沉降速率較快。其中1號(hào)測(cè)點(diǎn)的地表沉降量為4.7mm，2號(hào)測(cè)點(diǎn)的沉降量為5.53mm。2號(hào)測(cè)點(diǎn)的沉降量大于1號(hào)測(cè)點(diǎn)，并且2號(hào)測(cè)點(diǎn)地表沉降速率也大于1號(hào)測(cè)點(diǎn)，分析原因是其測(cè)點(diǎn)位置更靠近車(chē)站中軸線，受土體開(kāi)挖的影響更大造成的。通過(guò)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)地表沉降主要發(fā)生在車(chē)站上層土體開(kāi)挖階段，其規(guī)律與數(shù)值計(jì)算分析得到的結(jié)果相吻合。

選取DB-56斷面、DB-58斷面、DB-60斷面地表測(cè)點(diǎn)與數(shù)值計(jì)算得到的地表沉降槽曲線進(jìn)行對(duì)比分析如圖10所示，可以看出地表測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本符合數(shù)值計(jì)算擬合的地表沉降槽曲線，即該地表沉降槽參數(shù)可以比較精確地刻畫(huà)卵石-泥巖復(fù)合地層條件下淺埋地鐵車(chē)站PBA工法開(kāi)挖的地表沉降規(guī)律。

圖10 地表沉降槽曲線