洞樁法導洞施工地層響應及施工參數(shù)優(yōu)化

呂國旗， 李 斌

(武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430063)

0 引 言

隨著科學技術的發(fā)展，暗挖法作為地鐵車站的一種修建方法，由于對地面交通的影響小、沉降控制相對較為容易等優(yōu)點，越來越受到人們的青睞。洞樁法作為暗挖法的一種，由于其施工效率高、結構形式靈活等優(yōu)點，正逐漸成為修建地鐵車站時的首選[1]，因此，有越來越多的國內(nèi)外學者對洞樁法的施工過程進行了研究。黃生根等[2]通過對四洞三跨結構洞樁法施工過程的研究得出了導洞同時開挖可造成群洞效應，造成地層沉降增大，同時通過對洞樁法各施工階段的研究，得出了對地表沉降影響最大的施工階段是導洞開挖、初襯施工以及扣拱施工,最后研究了拱部土體水平位移的變化規(guī)律。王明勝[3]結合北京地區(qū)的水文地質條件對洞樁法的施工工藝進行了初步研究,他結合前人經(jīng)驗總結了洞樁法施工中豎井設置、橫通道設置、導洞的設計、鋼管樁的設計、扣拱的設計等一系列工作,并得出了洞樁法施工中應該滿足的應用邊界條件，進一步發(fā)掘了洞樁法施工中關鍵的施工技術以及重難點問題。 Guan Yongping等[4]以沈陽中街地鐵站為例，研究了其關鍵施工技術以及樁-梁-拱(PBA)開挖方法對周邊環(huán)境的影響,研究探討了影響環(huán)境安全的主要風險因素，總結了在人口密集的城市地區(qū)采用PBA開挖法進行地鐵車站建設的相應風險緩解措施和關鍵技術。

上述研究表明，在PBA工法施工過程中,控制地層沉降尤為重要。本文以北京地鐵7號線某車站洞樁法施工為背景，依據(jù)現(xiàn)場勘測的水文地質資料，運用FIAC 3d軟件建立模型，對洞樁法導洞的開挖順序進行數(shù)值模擬，并對比了不同工況下的地層沉降。本研究對減少地鐵車站暗挖施工中地層的沉降具有一定的借鑒意義。

1 工程概況

車站采用地下兩層雙柱三跨的形式，車站主體長度237.6 m，標準段寬23.1 m，總高16.15 m，結構底板埋深約31 m，頂板覆土厚約13.99 m。島式站臺寬度14 m。

雙井地形呈西高東低，自然地面標高在37.0～37.8 m。采用暗挖法施工，車站開挖深度范圍內(nèi)主要包括以下土層：粉土填土層、粉質黏土層、圓礫層、圓礫卵石層、中風化泥質砂巖層。

2 建立模型及模擬

2.1 模擬假設和參數(shù)

實際工程情況遠復雜于模擬情況，因此采用部分假定[5]：①將巖土體視為連續(xù)、均勻、各向同性介質，采用摩爾-庫侖屈服準則；②僅考慮圍巖自重應力場，不考慮構造應力的影響。

模擬參數(shù)：根據(jù)北京地鐵7號線地質勘查報告和現(xiàn)行“鐵路隧道設計規(guī)范”，工程模擬的參數(shù)具體見表 1。

表1 地層材料參數(shù)

2.2 模型的建立

如圖 1所示，模型采用FIAC 3d中的extrusion橫拉形成，模型X向長120 m，Y向長60 m，Z向長60 m。X方向和Y方向均每隔2 m設置一個網(wǎng)格，模型總共有175 274個節(jié)點、171 360個單元，模型的約束條件除了地表為自由邊界外，其余各表面均沿其法向方向約束。

圖1 數(shù)值計算模型

2.3 監(jiān)測點的布設

考慮到邊界效應[6]，因此選擇Y=30 m處作為監(jiān)測截面。車站橫向監(jiān)測范圍為120 m,沿地表設置47個監(jiān)測點。在X=28 m到X=92 m處，每隔2 m設置一個監(jiān)測點。在X=0 m到X=28 m和X=92 m到X=120 m處每隔4 m設置一個監(jiān)測點。另外，在每個導洞的洞頂設置一個監(jiān)測點。

2.4 模擬工況的選擇

車站采用洞樁法八導洞施工，拱分上下兩排，從上到下從左到右按序從小到大排列。小導洞寬4 m，高4.5 m，上下間距8.15 m。根據(jù)某車站主體小導洞的實際情況，研究對比分析先開挖上導洞跳躍錯挖法(工況一)、先開挖下導洞跳躍錯挖法(工況二)、先開挖上導洞先外后內(nèi)錯挖法(工況三)和先開挖下導洞先外后內(nèi)錯挖法(工況四)的不同開挖順序的影響。

2.5 施工步驟的說明

導洞開挖過程：由于導洞的同時開挖會導致群洞效應使得地層沉降加大[7]，因此8個導洞需要錯距開挖。施工采用先開挖上導洞跳躍錯距開挖工況、先開挖下導洞跳躍錯距開挖工況、先開挖上導洞先外后內(nèi)開挖工況和先開挖下導洞先外后內(nèi)開挖工況，開挖順序如下：

工況一：①-③-④-②-⑤-⑦-⑧-⑥；

工況二：⑤-⑦-⑧-⑥-①-③-④-②；

工況三：①-④-②-③-⑤-⑧-⑥-⑦;

工況四：①-④-②-③-⑤-⑧-⑥-⑦。

相鄰開挖的導洞之間掌子面相隔8 m，導洞采用臺階法開挖，上下臺階之間相隔4 m，每2 m一個開挖步距。

3 計算結果分析

3.1 橫向地表沉降分析

選取四種工況次排導洞貫通時在Y=30 m截面的地層沉降模擬云圖，如圖 2所示。

圖2 四種工況地層沉降云圖

由圖2可知，四種工況下，當導洞全部貫通時地表最大沉降點回歸到模型中線，沉降槽中線出現(xiàn)在2號與3號導洞之間，最大地表沉降點出現(xiàn)在模型的中線附近[8]。從圖2還可以看出,在此階段四種工況的沉降趨勢基本相同，地表沉降方面，先開挖下導洞均大于先開挖上導洞。而在最大沉降方面，四種工況的最大沉降均在2號導洞與3號導洞之間，分別是17.57 mm、20.11 mm、18.20 mm、21.57 mm。

提取四種工況下導洞貫通時模型Y=30 m處地表沉降數(shù)據(jù)繪圖，如圖 3所示。從圖3可以看出，下層導洞開挖完成時，四種工況的地表沉降槽曲線大致相同，最大地表沉降均出現(xiàn)在模型中線處，但是最大地表沉降差距較大，工況一、工況二、工況三、工況四分別為15.10 mm、17.80 mm、16.30 mm、19.21 mm。其中先開挖上層導洞的地表沉降小于先開挖下層導洞，這說明在地表沉降控制方面先開挖上層導洞要優(yōu)于先開挖下層導洞[9]。同時，工況一、二的地表沉降分別小于工況三、四，這說明在地表沉降控制方面，跳躍錯挖開挖優(yōu)于先外后內(nèi)開挖。

圖3 地表沉降圖

3.2 拱頂歷時沉降分析

提取模型Y=30 m處各拱頂?shù)哪M計算數(shù)據(jù)繪圖，如圖4所示。

圖4 四種工況導洞拱頂歷時沉降圖

根據(jù)圖4，我們可以得出以下結論：

(1)工況一和工況三各導洞拱頂?shù)某两第厔荽笾孪嗤．斏蠈訉Ф撮_挖時，上層導洞的拱頂會出現(xiàn)沉降，且沉降速率較大，下層導洞拱頂則會出現(xiàn)隆起[10]。當下層導洞開挖時，下層導洞拱頂出現(xiàn)較大幅度的沉降，上層導洞出現(xiàn)較為和緩的沉降。對于工況二和工況四，下層導洞開挖時，上層和下層導洞頂均出現(xiàn)沉降，但下層導洞的沉降速率大于上層導洞。當上層導洞開挖時，上層導洞頂?shù)某两邓俾始哟?，而下層導洞頂由于土體卸荷沉降小幅減小。

(2)對比工況一和工況二，工況二的各導洞沉降均大于工況一，這說明在拱頂沉降控制方面，先開挖上層導洞工況優(yōu)于先開挖下層導洞工況。對比工況一和工況三，二者的各導洞頂?shù)某两迪嗖畈淮?，說明跳躍錯距開挖和先外后內(nèi)開挖對導洞頂?shù)某两涤绊懖淮蟆?/p>

(3)在四種工況中，上層導洞中2號和3號導洞的拱頂沉降最大，下層導洞中6號和7號導洞的拱頂沉降最大，這是因為2號、3號、6號、7號導洞位于各層導洞的中間，受到各層導洞開挖的土體擾動較大[11]。

4 結 論

本章依托北京地鐵7號線某車站工程，對PBA工法施工過程進行模擬，提出了先開挖上導洞跳躍錯距開挖、先開挖下導洞跳躍錯距開挖、先開挖上導洞先外后內(nèi)開挖、先開挖下導洞先外后內(nèi)四種工況，并對開挖完成后的地表和地層沉降進行分析，之后對拱頂歷時沉降進行了分析，得出以下結論：

(1) 先開挖上導洞工況地表最終沉降均小于先開挖下導洞工況。同時，由于群洞效應的影響，后開挖導洞拱頂沉降大于先開挖導洞。因此在施工過程中應優(yōu)先考慮先開挖上導洞方案，并做好后開挖導洞的拱頂沉降的控制。

(2)對比工況一和工況二，工況二的各導洞沉降均大于工況一，這說明在拱頂沉降控制方面，先開挖上層導洞工況優(yōu)于先開挖下層導洞工況。對比工況一和工況三，二者各導洞頂?shù)某两迪嗖畈淮?，說明跳躍錯距開挖和先外后內(nèi)開挖對導洞頂?shù)某两涤绊懖淮蟆?/p>

(3)在四種工況中，上層導洞中2號和3號導洞的拱頂沉降最大，下層導洞中6號和7號導洞的拱頂沉降最大，這是因為2號、3號、6號、7號導洞位于各層導洞的中間，受到各層導洞開挖的土體擾動較大。