東大橋站群洞施工開挖面距的優(yōu)化分析

供稿|曹德更，馮志耀，潘旦光 / CAO De-geng, FENG Zhi-yao, PAN Dan-guang

內(nèi)容導(dǎo)讀

以北京地鐵17號(hào)線東大橋站標(biāo)準(zhǔn)段為工程背景，研究PBA工法中小導(dǎo)洞開挖面距對(duì)地表沉降的影響。由5、10、15、20 m四種開挖面距下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：隨著小導(dǎo)洞開挖面距的增加，地表沉降減少，但兩者之間呈非線性變化關(guān)系；當(dāng)開挖面距小于15 m時(shí)，增大開挖面距將顯著減少地表沉降，當(dāng)開挖面距大于15 m時(shí)，繼續(xù)增大開挖面距對(duì)地表沉降的影響很小。實(shí)測(cè)結(jié)果表明當(dāng)開挖面距為15 m時(shí)，滿足工程沉降控制要求。

淺埋暗挖法因其拆遷占地少，對(duì)城市環(huán)境及周邊居民、交通等影響小，已成為目前城市地鐵車站修建的主要施工方法之一[1]，其中洞樁法(PBA法)利用預(yù)先開挖的小導(dǎo)洞施作樁、梁、拱、柱，使之形成主受力的空間框架體系，然后再進(jìn)行主體斷面的開挖，在大斷面地鐵車站施工中得到廣泛應(yīng)用[2，3]。

在洞樁法施工過程中，由于導(dǎo)洞多且相鄰較近，各工作面相互干擾，容易產(chǎn)生群洞效應(yīng)，是引起地表沉降的主要工序之一。王暖堂[4]采用有限元法研究了北京地鐵復(fù)—八線王府井至東單區(qū)間隧道施工中，洞群施工順序?qū)Φ乇沓两档挠绊?；吳波[5]根據(jù)動(dòng)態(tài)規(guī)劃最優(yōu)原理，以地表沉降作為目標(biāo)函數(shù)，建立了城市地鐵區(qū)間隧道群洞開挖順序優(yōu)化分析數(shù)學(xué)模型；白紀(jì)軍[6]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)結(jié)果，對(duì)淺埋暗挖群洞施工引起的沉降進(jìn)行了分析，并從施工技術(shù)的角度出發(fā)，提出了控制地表沉降的有效方法；劉成偉[7]通過對(duì)地表沉降的監(jiān)測(cè)來了解在施工時(shí)地層的力學(xué)狀態(tài)和穩(wěn)定情況，分析了群洞施工時(shí)群洞之間的相互影響情況；胡國(guó)偉[8]結(jié)合施工全過程的非線性仿真及施工信息反饋，研究了群洞隧道開挖引起的地表沉降、拱頂下沉的規(guī)律；D. M. Potts和T. I.Addenbrook[9]用二維有限元研究了相鄰隧道開挖的相互影響，對(duì)倒高斯函數(shù)曲線沉降槽進(jìn)行了分析；潘旦光等[10]利用三維數(shù)值模擬，詳述了地表沉降隨導(dǎo)洞的施工順序、工法、施工間隔和臺(tái)階長(zhǎng)度的變化規(guī)律。

已有的研究表明影響群洞效應(yīng)的因素很多，其中不同導(dǎo)洞工作面之間的距離(簡(jiǎn)稱開挖面距)是一個(gè)重要的影響因素。合理的開挖面距與土體性質(zhì)、地質(zhì)條件等有關(guān)，本文以北京地鐵17號(hào)線東大橋站南側(cè)標(biāo)準(zhǔn)段施工為背景，針對(duì)東大橋站具體的地質(zhì)條件和導(dǎo)洞施工方案，研究開挖面距對(duì)地表沉降的影響，以降低群洞效應(yīng)導(dǎo)致的地表沉降。

工程概況

工程簡(jiǎn)介

東大橋站位于東大橋路、工人體育場(chǎng)東路與朝陽門外大街、朝陽北路相交的五叉路口，該地段為成熟社區(qū)和商業(yè)區(qū)，地面車流量大，交通繁忙。西北象限為工人體育場(chǎng)東路小區(qū)，西南象限為藍(lán)島大廈，東北象限有百富國(guó)際大廈、公交站場(chǎng)，東南象限為東大橋東里小區(qū)。車站主體沿東大橋路、工人體育場(chǎng)東路南北向設(shè)置，與既有的6號(hào)線東大橋站呈“T型通道換乘，并與規(guī)劃APM線換乘。車站為島式車站，15 m島式站臺(tái)，有效站臺(tái)長(zhǎng)186 m，車站總長(zhǎng)336.8 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為28.9 m，車站結(jié)構(gòu)高19.67 m，中心里程處單層結(jié)構(gòu)的覆土厚度約15.18 m，車站有效站臺(tái)中心處底板埋深約33.6 m，車站工程平面圖如圖1所示。

工程地質(zhì)

本工程位于北京市區(qū)東部的朝陽區(qū)，屬平原地貌，地形較為平坦，地面高程約為39.2～38.4 m，勘察揭露地層最大深度為64 m。根據(jù)鉆探資料及室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果，按地層沉積年代、成因類型，將本工程場(chǎng)地勘探范圍內(nèi)的土層劃分為人工填土層(Qml)、第四紀(jì)全新世沖洪積層()、第四紀(jì)晚更新世沖洪積層()三大類。人工填土層包括素填土層和雜填土層；第四紀(jì)全新世沖洪積層包括黏質(zhì)粉土層、粉質(zhì)黏土層、粉砂層、細(xì)砂層；第四紀(jì)晚更新世沖洪積層卵石層、中砂層、粉細(xì)砂層、粉質(zhì)黏土層、黏土層、黏質(zhì)粉土層、細(xì)砂層、砂質(zhì)粉土層。車站拱頂位于粉質(zhì)黏土、卵石層，底板位于卵石層、黏土層。

車站主體導(dǎo)洞設(shè)計(jì)與施工

車站主體段采用洞樁法施工，無水暗挖作業(yè)，車站標(biāo)準(zhǔn)段為暗挖雙層雙柱三跨結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)寬24.5 m，高19.57 m，各導(dǎo)洞間距及洞徑尺寸如圖2所示。采用“先邊后中，先上后下，錯(cuò)洞開挖”的開挖順序，具體開挖順序?yàn)椋簩?dǎo)洞1、4—導(dǎo)洞3—導(dǎo)洞2—導(dǎo)洞5、8—導(dǎo)洞7洞—導(dǎo)洞6。開挖前用φ3.2 m×2.8 m小導(dǎo)洞對(duì)拱頂以外0.5 m范圍內(nèi)的土體進(jìn)行預(yù)注漿加固，加固范圍超前開挖面2 m，注漿漿液為水泥-水玻璃，注漿壓力控制在0.2～0.5 MPa，采用上下臺(tái)階開挖，臺(tái)階長(zhǎng)度控制在3～5 m，采用C20網(wǎng)噴混凝土加鋼格柵與鋼筋網(wǎng)片進(jìn)行初支。針對(duì)既定的導(dǎo)洞施作方法和特定的地質(zhì)條件，下文主要研究開挖面距對(duì)地面沉降的影響。

群洞施工開挖面距影響

模型建立

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)段群洞施工區(qū)域的尺寸，考慮到施工過程中的空間效應(yīng)及模型的邊界影響[11]，建立的模型尺寸為120 m×60 m×65 m，如圖3所示。在土體本構(gòu)模型方面，地層采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，開挖采用null單元模擬[12]。邊界條件為頂面為自由邊界，模型左右兩側(cè)面約束x方向水平位移，模型前后兩側(cè)面約束y方向水平位移，底面約束z方向位移[13]。

土層參數(shù)取值以《北京地鐵17號(hào)線東大橋站巖土工程勘察報(bào)告》給出的巖土參數(shù)值為依據(jù)，其中內(nèi)摩擦角和粘聚力是通過三軸試驗(yàn)(固結(jié)不排水)獲得的。根據(jù)所給的土體壓縮模量ES，由推導(dǎo)出初始彈性模量E0，并以初始彈性模量為基礎(chǔ)，進(jìn)行多次試算，通過反演的方式確定合理的彈性模量。依據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)部分性質(zhì)相近的土層進(jìn)行合并，合并后的土層共分為7層，各土層的力學(xué)參數(shù)如表1所示，各層土的構(gòu)成如下。

1層土，29.5～38.5 m，由雜填土、素填土、粘質(zhì)粉土構(gòu)成；

2層土，22～29.5 m，由粉細(xì)砂、細(xì)中砂、圓礫構(gòu)成；

3層土，16～22 m，由粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土構(gòu)成；

4層土，6.5～16 m，由中砂、圓礫構(gòu)成；

5層土，3 ～6.5 m，由粉質(zhì)黏土構(gòu)成；

6層土，-7～3 m，由中砂、卵石構(gòu)成；

7層土，-26.5～-7 m，由粉砂、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、中砂構(gòu)成。

表1 土層的力學(xué)參數(shù)

模擬開挖

在計(jì)算過程中，臺(tái)階長(zhǎng)度設(shè)置為3 m，每次開挖進(jìn)尺長(zhǎng)度為1 m，依次分析5、10、15、20 m四種開挖面距下地表沉降的變化規(guī)律。

每個(gè)開挖面距下的具體計(jì)算分為以下幾個(gè)步驟：①在重力作用下，計(jì)算地應(yīng)力，形成初始地應(yīng)力場(chǎng)，進(jìn)一步將初始位移歸零，并假定現(xiàn)有地層的固結(jié)已經(jīng)完成；②對(duì)將要開挖的小導(dǎo)洞拱頂輪廓線0.5 m以外的土體進(jìn)行超前預(yù)注漿加固，注漿超前開挖面2 m；③采用null單元來模擬開挖，依次向前開挖上、下臺(tái)階；④采用shell單元來模擬襯砌結(jié)構(gòu)，封閉步驟③中開挖的區(qū)段，形成初支結(jié)構(gòu)。重復(fù)步驟②～④，當(dāng)導(dǎo)洞開挖超前下一待挖導(dǎo)洞的距離等于設(shè)定的面距時(shí)，采用相同步驟使下一導(dǎo)洞同步跟進(jìn)，直至全部導(dǎo)洞完成。其中注漿后的土體參數(shù)為：彈性模量60 MPa，泊松比0.28，粘聚力60 kPa，內(nèi)摩擦角35°；C20網(wǎng)噴混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的彈性模量為20 GPa，泊松比為0.2。

計(jì)算結(jié)果分析

圖4為5、10、15、20 m四種開挖面距下，距模型邊緣15 m處的最終沉降云圖，從圖中可以看出導(dǎo)洞上方呈漏斗狀沉降，中心軸上方沉降最大，越遠(yuǎn)離中心軸沉降越小，導(dǎo)洞下方為底鼓區(qū)域，最大沉降值發(fā)生在2號(hào)導(dǎo)洞右上方。

導(dǎo)洞開挖過程中地表最大沉降值隨施工階段的變化如圖5所示。從圖5中可以看出，開挖面距為15 m和20 m時(shí)，各導(dǎo)洞貫通時(shí)測(cè)點(diǎn)沉降量較小，說明引起的群洞效應(yīng)較??；而開挖面距為5 m和10 m時(shí)，各導(dǎo)洞貫通時(shí)測(cè)點(diǎn)的沉降量較大，這是由于導(dǎo)洞開挖面距過小，引起的群洞效應(yīng)較大。

圖6為距模型邊緣15 m處地表的沉降分布圖，圖7為地表最大沉降值隨開挖面距的變化。從計(jì)算結(jié)果可知：地表沉降值與開挖面距有較大的相關(guān)性，隨著小導(dǎo)洞開挖面距的增加，地表沉降減少，但兩者之間的變化是非線性的；開挖面距為15 m和20 m的計(jì)算沉降槽曲線基本重合，這意味著當(dāng)開挖面距達(dá)到15 m以上時(shí)，再增加開挖面距對(duì)減小地表沉降的作用較小，而當(dāng)開挖面距小于15 m時(shí)，增加開挖面距，地表沉降將顯著減少?？紤]地表沉降、施工時(shí)間兩個(gè)因素，開挖面距控制在15 m左右時(shí)，對(duì)本工程最有利。

開挖面距為15 m時(shí)各階段的地表沉降分布曲線如圖8所示。沉降曲線表明地表正下方的導(dǎo)洞施工是該處沉降的主要原因，而且其相鄰的導(dǎo)洞的施工會(huì)引起該導(dǎo)洞上方的土體進(jìn)一步沉降。就車站中心線上方地表沉降而言，上層導(dǎo)洞開挖引起的沉降占總沉降的58.1%；開挖導(dǎo)洞3引起的沉降占上層導(dǎo)洞開挖總沉降的35.6%，開挖導(dǎo)洞2引起的沉降占上層導(dǎo)洞開挖總沉降的41.7%；開挖導(dǎo)洞7引起的沉降占下層導(dǎo)洞開挖總沉降的29.8%，開挖導(dǎo)洞6引起的沉降占下層導(dǎo)洞開挖總沉降的51.2%，這表明開挖上、下層中間兩個(gè)導(dǎo)洞是引起車站上方地表沉降的主要工序。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果分析

為驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步增加數(shù)值分析結(jié)論的說服力，在施工過程中對(duì)地表沉降進(jìn)行監(jiān)控測(cè)量是一項(xiàng)重要的內(nèi)容，車站主體監(jiān)控量測(cè)平面測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖9所示，通過監(jiān)控測(cè)量還能夠及時(shí)了解前一步施工工藝的合理性，進(jìn)而對(duì)下一步施工工藝進(jìn)行優(yōu)化。通過實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬得到的A-A斷面地表沉降槽曲線如圖10所示，兩條曲線形狀基本吻合，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值比數(shù)值模擬值要偏大一些，這是由于數(shù)值模擬過程中未考慮地層降水引起的沉降而造成的。實(shí)測(cè)與數(shù)值計(jì)算所得到的地表最大沉降值均滿足施工要求。

結(jié)束語

通過對(duì)北京地鐵17號(hào)線東大橋站群洞施工中開挖面距對(duì)地表沉降影響的分析，根據(jù)數(shù)值計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果可得出以下結(jié)論：

1) 開挖面距越小，群洞效應(yīng)越明顯。隨著小導(dǎo)洞開挖面距的增加，地表沉降減少，但兩者之間的變化是非線性的。

2) 當(dāng)開挖面距小于15 m時(shí)，增大開挖面距將顯著減少地表沉降；當(dāng)開挖面距大于15 m時(shí)，繼續(xù)增大開挖面距對(duì)減小地表沉降的作用較?。?/p>

3) 數(shù)值計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果表明當(dāng)開挖面距為15 m時(shí)，滿足工程沉降控制要求。

攝影 安孟輝