新型洞樁法暗挖地鐵車(chē)站施工階段地表變形研究

張 磊

（中國(guó)電建集團(tuán)鐵路建設(shè)有限公司，北京 100044）

1 工程及工法概況

哈爾濱地鐵省政府站采用新型單層四導(dǎo)洞PBA工法，其工藝原理如下：（1）采用礦山法施作垂直運(yùn)輸通道及水平運(yùn)輸通道，其中水平運(yùn)輸通道施作4個(gè)小導(dǎo)洞；（2）待4個(gè)小導(dǎo)洞完全貫通后，在兩個(gè)邊導(dǎo)洞內(nèi)施作圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊樁、兩個(gè)中導(dǎo)洞內(nèi)施作中柱樁基及鋼管柱；（3）在邊樁上端施作樁頂冠梁，在鋼管柱上端施作頂拱縱梁；（4）在樁頂冠梁與邊導(dǎo)洞另側(cè)預(yù)留連接件形成初支扣拱，并回填混凝土；（5）開(kāi)挖導(dǎo)洞之間的洞間土、架立頂部格柵、噴射混凝土、鋪設(shè)防水層、施作頂縱梁與頂縱梁之間中部以及頂縱梁與邊樁頂冠梁之間邊部的二襯扣拱。地鐵車(chē)站上部荷載通過(guò)拱形結(jié)構(gòu)傳至樁頂冠梁及頂縱梁，再通過(guò)邊樁及鋼管柱樁基傳至下部地層。邊樁、樁基、樁頂冠梁、頂縱梁、拱結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成樁（Pile）、梁（Beam）、拱（Arc）支撐框架體系，最后采用逆做法施工，完成車(chē)站側(cè)墻、中板、底板，最終形成由初支和二襯共同受力的框架支撐結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者對(duì)地鐵車(chē)站施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中車(chē)站的基底承載力、結(jié)構(gòu)變形能力開(kāi)展了大量研究工作。文章基于哈爾濱省政府地鐵站，對(duì)PBA工法進(jìn)行數(shù)值模擬分析，進(jìn)而對(duì)梁拱柱結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中體系轉(zhuǎn)換的力學(xué)行為進(jìn)行研究。主要的研究?jī)?nèi)容為沉降分析（基于各施工階段），即地層沉降分析、地表沉降規(guī)律、地表水平位移值；主體結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析（基于各施工階段），即初始地應(yīng)力分析、車(chē)站主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析、鋼管柱應(yīng)力分析。

2 施工階段的有限元模型

PBA工法是一種較為復(fù)雜的工法，部分工序在有限元分析中需要進(jìn)行簡(jiǎn)化，具體包括超前小導(dǎo)管注漿加固、邊樁和鋼管柱。

2.1 施工階段的模擬思路

為模擬開(kāi)挖導(dǎo)洞的施工過(guò)程，土體開(kāi)挖采用施工階段程序中的“鈍化”命令，同時(shí)對(duì)于站臺(tái)層和站廳層的開(kāi)挖過(guò)程，可采用荷載釋放系數(shù)定義，根據(jù)實(shí)際施工情況模擬荷載釋放的過(guò)程，以使計(jì)算結(jié)果更加精確。此外，對(duì)于開(kāi)挖結(jié)束后的導(dǎo)洞支護(hù)、冠梁和頂縱梁的施工、混凝土回填澆筑，這些工序可以通過(guò)施工階段程序中的“激活”命令進(jìn)行模擬，但是“激活”只是在空單元組的位置上激活網(wǎng)格組，而這些工序還伴隨著材料的變化，因此需要設(shè)置改變屬性的邊界條件，使相對(duì)應(yīng)的材料屬性在施工過(guò)程中被激活。假定各土層是平整、均勻的，地下水的滲流作用對(duì)土層的影響不予考慮。模擬時(shí)的荷載設(shè)置主要為結(jié)構(gòu)上覆土的自重、地鐵車(chē)站的結(jié)構(gòu)自重及地面荷載，本構(gòu)設(shè)置均在材料彈塑性范圍內(nèi)。

2.2 模型建立及邊界條件

地鐵車(chē)站模型結(jié)構(gòu)頂部的覆土厚度取8m，結(jié)構(gòu)底部厚度取15.3m，模型總高度為40m。考慮到有限元分析的精確度及計(jì)算效率，車(chē)站左右土層的寬度各取車(chē)站的2.5倍寬距，模型總寬為162m。在劃分網(wǎng)格時(shí)，為使模擬更加精細(xì)、高效，車(chē)站結(jié)構(gòu)及內(nèi)部土體采用1m的網(wǎng)格尺寸，車(chē)站周?chē)馏w采用1～4m的線性梯度方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。整個(gè)模型的尺寸為162m×6.5m×40m，模型節(jié)點(diǎn)的總數(shù)為10334個(gè)，單元的總數(shù)為9124個(gè)。有限元模型是一個(gè)正六面體，地鐵車(chē)站上部為地表，無(wú)約束邊界。模型由上下左右前后六個(gè)面組成，其中上表面為地表，為自由邊界。左、右邊界上受到X方向上的約束，前、后側(cè)面受到Y(jié)方向上的約束，底部受到Z方向上的約束。

2.3 材料的本構(gòu)模型

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告可知，該處的主要地層分布為粉質(zhì)黏土、細(xì)中砂、粗砂，其中粉質(zhì)黏土的內(nèi)摩擦角為14.2°，黏聚力為23.6kPa，屬于內(nèi)摩擦角較小的軟土，細(xì)中砂、粗砂的內(nèi)摩擦角和黏聚力分別為33°、36°和2kPa、3kPa，屬于摩擦力較大的土體。根據(jù)以上描述，此模型中的粉質(zhì)黏土選擇德魯克-普拉格本構(gòu)關(guān)系，細(xì)中砂和粗砂選擇修正的莫爾-庫(kù)倫本構(gòu)關(guān)系。除此之外，其他結(jié)構(gòu)材料的本構(gòu)模型均采用各向同性—彈性本構(gòu)關(guān)系。結(jié)構(gòu)及材料的本構(gòu)模型見(jiàn)表1。

表1 結(jié)構(gòu)及材料的本構(gòu)模型表

2.4 材料參數(shù)

從上到下分布的地層類(lèi)型較多，文章在計(jì)算時(shí)對(duì)地層進(jìn)行了簡(jiǎn)化。對(duì)鋼管柱和邊樁利用等效剛度的原理進(jìn)行了折減，地層土體的基本參數(shù)如表2所示。注漿加固采用在地層實(shí)體單元基礎(chǔ)上改變材料屬性進(jìn)行模擬，注漿材料選用、注漿加固及車(chē)站結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表3所示。

表2 地層參數(shù)表

表3 注漿加固及車(chē)站結(jié)構(gòu)材料表

3 施工過(guò)程變形情況

3.1 地表沉降規(guī)律

坐標(biāo)原點(diǎn)選取在模型地表中心處。地表監(jiān)測(cè)斷面為模型縱向方向3.25m處的橫切面，記錄此斷面在地鐵車(chē)站施工過(guò)程的地表沉降，結(jié)果如圖1所示。

圖1 主要施工階段地表沉降槽

從圖1中可以看出，在地鐵車(chē)站修建過(guò)程中，地表的沉降值在中線位置最大，并且地表沉降量分布關(guān)于車(chē)站中線對(duì)稱(chēng)；在車(chē)站中線左右各0～20m的地表沉降量有明顯變化，距車(chē)站中線20～40m的沉降變得越來(lái)越不明顯；隨著車(chē)站的施工逐漸完成，地表沉降變化越來(lái)越明顯。主要施工階段地表沉降匯總?cè)绫?所示。

表4 主要施工階段地表沉降表

由表4可知，在地鐵車(chē)站的施工過(guò)程中，導(dǎo)洞開(kāi)挖階段（Cave）引起地表最大沉降約占總體沉降量的55%，邊樁、中柱體系的施工階段（P-B）引起的地表最大沉降約占總體沉降的5%，扣拱施工階段（Arc）引起的地表最大沉降約占總體沉降的30%，主體結(jié)構(gòu)施工階段（SC、SP）引起的地表最大沉降約占總體沉降的10%。

在地鐵車(chē)站主要的施工階段中，導(dǎo)洞開(kāi)挖階段（Cave）和扣拱施工階段（Arc）地表沉降所占比例最大，為85%；而邊樁、中柱體系的施工（P-B）所引起的地表沉降所占比例最小，為5%。這是因?yàn)樵趯?dǎo)洞開(kāi)挖階段及扣拱階段地鐵車(chē)站主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性低，在扣拱施工階段完成前，車(chē)站的主體結(jié)構(gòu)尚不穩(wěn)定，且兩個(gè)階段的土方開(kāi)挖量大、開(kāi)挖次數(shù)多，對(duì)地表的擾動(dòng)較大，因此導(dǎo)洞開(kāi)挖階段和扣拱施工階段地表的沉降較大。

3.2 地層水平位移

隨著地鐵車(chē)站施工逐漸完成，地層水平位移值逐漸增大，并在SP階段達(dá)到最大值，且地層水平位移關(guān)于車(chē)站中線對(duì)稱(chēng)分布，但位移方向相反。同理，地表監(jiān)測(cè)斷面為模型縱向方向3.25m處的橫切面，記錄此斷面在地鐵車(chē)站施工過(guò)程的地表水平位移，繪制成散點(diǎn)圖如圖2所示。

圖2 不同施工階段地表水平位移變化曲線

由圖2可知，在地鐵車(chē)站施工過(guò)程中，車(chē)站兩側(cè)的土體向車(chē)站中心壓縮，在距車(chē)站中線0～12m處，地表水平位移逐漸增大；距車(chē)站中線大于12m處，地表位移逐漸減小。地表水平位移隨著車(chē)站施工進(jìn)展而逐漸增大，最終水平位移為12.5mm。

4 結(jié)論

（1）文章基于有限元軟件Midas GTS對(duì)哈爾濱省政府站采用新型洞樁法暗挖的施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出車(chē)站各個(gè)施工階段地表沉降相互比例為Cave∶P-B∶ Arc∶ SC（SP）=11∶1∶ 6∶ 2，最終地表沉降總量為-34.9mm。（2）在地鐵車(chē)站修建過(guò)程中，其地表沉降分布寬度主要為車(chē)站中線左右20m內(nèi)，距車(chē)站中線20～40m的地表沉降逐漸變小，且各個(gè)施工階段的地表沉降趨勢(shì)相同。（3）地鐵施作的各個(gè)階段，地表的水平位移在距車(chē)站中線左右0～12m逐漸增大，距車(chē)站中線大于12m則逐漸減小，且隨著車(chē)站施工的進(jìn)度推進(jìn)，地表的水平位移逐漸增大，地表的最終水平位移為12.5mm。