北京地鐵粉細砂層PBA車站沉降規(guī)律研究

吳精義，葉新豐，*，余 鵬，田騰躍

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068；2.城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點實驗室，北京 100068；3.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055；4.中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600)

0 引言

PBA工法是建立在淺埋暗挖法理論基礎(chǔ)上，結(jié)合蓋挖法的理念發(fā)展起來的用于修建大型地下車站的工法。因其對地面交通干擾小、適合大規(guī)模開挖、結(jié)構(gòu)安全度高等優(yōu)點[1-4]，目前已成為北京地鐵暗挖車站主流的施工方法。經(jīng)統(tǒng)計，北京地鐵往期線路礦山法PBA車站建設(shè)總數(shù)為55座(含明暗結(jié)合車站)，目前正在建設(shè)的礦山法PBA車站有56座(含明暗結(jié)合車站)；自2008年以來的18條線路中暗挖車站共計88座(含明暗結(jié)合車站)[5]，其中采用PBA工法的暗挖車站有73座，占83%。可見，PBA工法在北京地鐵應(yīng)用非常廣泛。

地下車站的修建必然會產(chǎn)生地表沉降，采用PBA工法施工的車站多位于繁華城區(qū)，道路交通繁忙，建(構(gòu))筑物林立，周邊環(huán)境復(fù)雜，風險源等級高，因此，對于采用PBA工法的地下車站提出了更為嚴苛的沉降變形控制要求。自該工法誕生并廣泛應(yīng)用以來，國內(nèi)開展了一系列針對PBA工法的沉降控制研究。王霆等[6]采用統(tǒng)計分析方法對地鐵車站淺埋暗挖法施工引起的地表沉降規(guī)律進行研究，研究表明洞樁法地表沉降槽寬度參數(shù)為0.61～0.82；何海建[7]采用數(shù)值模擬輔以現(xiàn)場實測的方法，研究了北京地鐵10號線國貿(mào)站兩導洞洞樁法施工對地層沉降的影響規(guī)律，研究認為洞樁法施工沉降主要包含導洞開挖支護，邊樁、冠梁、拱腳施作和導洞回填，主洞開挖支護以及主洞二次襯砌4個典型階段；羅富榮等[8]針對北京地區(qū)6、7號線PBA工法施工暗挖地鐵車站的地表沉降進行分析，得出PBA工法施工所引起的地表沉降主要發(fā)生在導洞施工及扣拱施工階段，所發(fā)生的沉降約占總沉降的90%。這些研究成果對PBA車站施工起到了指導性作用，對淺埋暗挖技術(shù)進行了有效的補充。

以往針對PBA車站沉降變形的研究基本上是基于單條線路、按工法類型進行的統(tǒng)計分析，未區(qū)分地層，統(tǒng)計數(shù)據(jù)呈現(xiàn)離散性；或者是基于某一車站進行的地表沉降及數(shù)值模擬分析，研究對象較為孤立；因此，有必要對相同地層條件下PBA車站施工引起的沉降變形規(guī)律進行系統(tǒng)研究。粉細砂層的物理力學性質(zhì)較差，施工過程中呈現(xiàn)松散、穩(wěn)定性差、注漿加固效果不良等特性[9]。在飽和含水情況下，其力學性質(zhì)發(fā)生突變，形成流砂、造成失穩(wěn)，極易引起工程事故[10]，是地鐵施工中需要重點關(guān)注的一類地層。為了更準確地研究粉細砂地層下的沉降情況，本文對拱頂位于粉細砂地層的6座8導洞PBA車站進行調(diào)研，研究不同降水效果及各施工階段的地表沉降規(guī)律，以期為類似粉細砂地層PBA車站的設(shè)計和施工提供借鑒。

1 工程概況

1.1 北京粉細砂地層分布情況

北京平原區(qū)主要位于永定河、大清河、溫榆河等大小沖洪積扇。在沖洪積扇的頂部和中上部，地層巖性主要為砂卵石層，分布單一潛水層；在沖洪積扇的中部，含水層由單一的潛水含水層過渡到多層含水層；在沖洪積扇的中下部平原地區(qū)，砂層、卵石層和黏性土層、粉砂粉土層多旋回沉積，含水層以多層為主。

根據(jù)北京市已建地鐵地質(zhì)勘察資料，結(jié)合各線路開挖所揭露的地層情況，粉細砂地層主要集中于中部地區(qū)，即西二環(huán)往東區(qū)域居多，自西向東沿兩廣路分布的粉細砂層厚度明顯增大，在7號線地鐵施工中發(fā)現(xiàn)某車站揭露的粉細砂層厚度達6 m，如圖1所示。

圖1 北京地鐵7號線某站粉細砂層分布Fig.1 Distribution of fine silty sand stratum in a station of Beijing Metro Line 7

1.2 工程基本情況

淺埋暗挖地鐵車站施工引起地表沉降與地層條件、車站深度和施工水平等因素密切相關(guān)。根據(jù)北京地鐵粉細砂層分布情況，調(diào)研全網(wǎng)已完工的拱頂為粉細砂層的8導洞PBA車站，車站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1。從表中可以看出，車站覆土厚度為8.2～14.6 m，為淺埋大斷面隧道。按地下水的影響分為"有效降水"和"潛水二層影響上導洞施工"2類。

表1 北京地鐵粉細砂層PBA車站基礎(chǔ)信息Table 1 Basic information of Beijing Metro stations in fine silty sand stratum

2 地表沉降統(tǒng)計分析

2.1 地表最大沉降分析

對調(diào)研的北京地鐵6座已完工粉細砂地層PBA工法車站的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進行分析，剔除有損壞測點、數(shù)據(jù)丟失等情況的斷面，共選擇42個有效監(jiān)測斷面進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，得出粉細砂地層PBA車站地表沉降均值變化范圍在-88.22～-42.78 mm，未有效降水車站的沉降均值略大于降水車站，統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 北京地鐵粉細砂層PBA車站的地表沉降統(tǒng)計結(jié)果Table 2 Statistical results of surface settlement of PBA stations in fine silty sand stratum of Beijing Metro

對6座車站有效測點的地表最大沉降值進行統(tǒng)計，對比有效降水和未有效降水條件下地表最大沉降分布規(guī)律，沉降最大值區(qū)間分布及占比統(tǒng)計結(jié)果見表3。

表3 北京地鐵粉細砂層PBA車站地表最大沉降區(qū)間分布及占比Table 3 Distribution and proportion of maximum settlement interval of PBA stations in fine silty sand stratum of Beijing Metro

有效降水車站地表沉降最大值主要在-40～-80 mm，個別車站沉降較小(平均-42.78 mm)，原因在于該站為端進式車站(北端明挖3層，南端明挖3層，中間暗挖分為2種形式，靠近明挖部分的為2段PBA法施工段，中間為2個暗挖單洞CRD法施工段)，其PBA工法段開挖面積小，施工措施得當，地表沉降得到有效控制。

未有效降水車站地表沉降最大值主要在-60～-100 mm，個別車站沉降均值接近-90 mm，最大沉降超過-130 mm，原因在于該站地質(zhì)條件復(fù)雜，施工過程中受水囊、土體空洞等不良地質(zhì)條件影響較大。

采用正態(tài)分布曲線對實測地表最大沉降累計發(fā)生的概率進行擬合，結(jié)果表明大于相應(yīng)地表沉降值的發(fā)生概率與地表最大沉降值的關(guān)系符合正態(tài)分布。以現(xiàn)行北京市地方標準DB 11/490-2007《地鐵工程監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的地表最大沉降允許值-60 mm為限，根據(jù)擬合結(jié)果，有效降水車站地表最大沉降值超過-60 mm的概率為53.30%，未有效降水車站沉降值超過-60 mm的概率為74.96%。地表最大沉降累計發(fā)生概率擬合曲線如圖2所示。

圖2 地表最大沉降累計發(fā)生概率擬合曲線Fig.2 Fitting curves of cumulative occurrence probability of maximum settlement

2.2 各施工階段地表沉降占比分析

PBA車站施工引起的地表沉降主要發(fā)生在導洞施工及扣拱施工階段，所發(fā)生的沉降占總沉降值的90%左右。為進一步分析粉細砂地層PBA車站地表沉降情況，根據(jù)8導洞PBA車站施工特點，將施工步序分為5個典型階段進行沉降分析統(tǒng)計：1)上導洞施工階段；2)下導洞施工階段；3)梁柱體系施工階段；4)扣拱施工階段；5)廳臺施工階段[11-13]。因橫通道上方測點受橫通道施工及主體導洞多次開馬頭門影響，故分析時未采用該類測點，采用車站主體上方測點。因主體導洞多為群洞開挖，為盡可能消除相鄰導洞開挖影響，將測點沿縱向施工軸線分成不同的測線，統(tǒng)計各施工階段地表沉降值，進而分析各施工階段地表沉降與最終沉降的比例關(guān)系，統(tǒng)計結(jié)果見表4。

表4 PBA車站各施工階段地表沉降及占比統(tǒng)計Table 4 Statistics of settlement and proportion in each construction stage of PBA station

根據(jù)各站統(tǒng)計結(jié)果繪制各階段累計沉降變化曲線如圖3所示，繪制各階段沉降占比面積圖如圖4所示。

圖3 PBA車站各施工階段累計沉降曲線Fig.3 Cumulative settlement curve of each construction stage of PBA station

圖4 PBA車站各施工階段沉降占比面積圖Fig.4 Settlement proportion area of each construction stage of PBA station

上述研究表明，粉細砂地層PBA車站地表沉降變形主要發(fā)生在導洞施工及扣拱施工階段，約占90%，與羅富榮等[8]的研究結(jié)論一致。降水施工對于沉降控制起到積極的作用，上導洞施工、下導洞施工、梁柱體系施工、扣拱施工階段沉降占比約為4∶3∶1∶2，廳臺施工階段沉降較小，局部區(qū)域輕微隆起，分析為部分車站基底處于較厚的黏性地層，基底土受開挖卸載后因松弛與蠕變導致輕微隆起。有效降水車站在扣拱階段的地表沉降占比略大于未有效降水車站。

2.3 沉降槽及地層損失率研究

國內(nèi)外對于隧道施工產(chǎn)生的地表沉降槽研究較多，提出了地表沉降槽符合高斯分布的觀點。目前主流的研究方法是對車站典型斷面的沉降數(shù)據(jù)采用Peck公式進行擬合[14-15]，計算沉降槽寬度和地表最大沉降值，如式(1)所示。

(1)

式中：S為距離隧道中線處的地表沉降，mm；y為地表沉降測點與隧道中線的水平距離，m；Smax為y=0處的地表最大沉降值，mm；i為沉降槽寬度系數(shù)，即沉降槽反彎點與隧道中線的水平距離，該系數(shù)反映隧道開挖對地表的影響范圍，m。

地層損失指沿隧道縱向單位距離的沉降槽體積。對式(1)進行積分可得到地層損失V的計算公式，如式(2)所示。

(2)

可用地層損失率Vs表示隧道開挖對地層的擾動程度，即沿隧道縱向單位距離沉降槽體積與隧道開挖體積之比，如式(3)所示。

(3)

式中D為隧道直徑。

對于地表沉降槽寬度系數(shù)i，一般可表示為[16]：

(4)

式中z0為隧道中心至地表深度。

圖5 有效降水車站沉降槽擬合曲線Fig.5 Fitting curves of settlement trough of station with effective precipitation

圖6 未有效降水車站沉降槽擬合曲線Fig.6 Fitting curves of settlement trough of station without effective precipitation

根據(jù)擬合結(jié)果及各車站基本參數(shù)，可采用式(3)計算地層損失率Vs。

關(guān)于沉降反彎點距離，國內(nèi)外學者已有較多的研究，比較典型的是，O′Reilly等[17]認為i與隧道埋深H線性相關(guān)，與隧道直徑和開挖方法關(guān)系不大，即i=KH。為進一步研究北京粉細砂地層沉降槽寬度系數(shù)和埋深的關(guān)系，采用擬合結(jié)果計算各站沉降槽寬度參數(shù)K，該值對于預(yù)估同類地層地表沉降槽曲線反彎點距離有重要參考價值。地層損失率及沉降槽寬度參數(shù)K計算結(jié)果見表5，K值分布規(guī)律如圖7所示。

圖7 K值分布Fig.7 Distribution of K values

表5 沉降槽計算分析結(jié)果Table 5 Calculation and analysis results of settlement trough

從實測結(jié)果來看，有效降水車站沉降顯著小于未降水車站。從擬合結(jié)果來看，2類車站地表最大沉降值的均值分別為-79.43 mm和-111.19 mm，未有效降水車站沉降比有效降水車站沉降大40%。粉細砂地層沉降槽寬度系數(shù)在9.82～15.51 m，但有效降水車站的沉降槽寬度系數(shù)比未降水車站的大3～5 m，主要原因是降水施工產(chǎn)生的區(qū)域沉降導致暗挖影響范圍增大。地層損失率普遍在0.56%～0.70%，有效降水車站地層損失率略小于未有效降水車站，地層損失率平均值分別為0.63%和0.68%。地層損失主要發(fā)生在主體導洞土方開挖及扣拱階段。粉細砂地層沉降槽寬度參數(shù)在0.51～0.89，與現(xiàn)有針對北京地層沉降槽參數(shù)研究結(jié)果接近，但降水效果對K值的影響差異顯著，有效降水車站平均值為0.83，未有效降水車站平均值為0.56。

3 數(shù)值模擬

地鐵施工對周圍土體的影響規(guī)律研究一般采用現(xiàn)場測試、模型試驗和數(shù)值模擬等方法。數(shù)值模擬方法是采用計算模型模擬多步開挖過程中土體及結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力變化，計算時可考慮土體的非線性性質(zhì)，簡便易行，若擬合參數(shù)選擇合理，可以滿足一般的數(shù)值計算要求。

選取北京地鐵7號線某站進行模擬分析，以驗證本文關(guān)于各施工階段變形結(jié)論的準確性。采用邁達斯GTS NX巖土分析軟件，模擬車站施工過程，建立PBA車站的三維地層-結(jié)構(gòu)模型。通過該分析軟件中的本構(gòu)模型計算法則，對因開挖引起的地層變形進行分析，模型左右及前后邊界取法向約束，地面取三向約束，模型頂面施加20 kPa的地面荷載，結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用彈性模型，土層采用摩爾-庫侖模型，并根據(jù)勘察報告賦予土層不同的物理參數(shù)。通過設(shè)置施工階段體現(xiàn)PBA車站施工過程，利用求解器進行方程求解后，獲得不同施工階段地層的變形值。車站地層劃分及參數(shù)見表6。

表6 車站地層劃分及參數(shù)Table 6 Parameters of station strata

3.1 模擬方案

PBA工法工序繁雜，交叉施工多，為更真實地分析施工引發(fā)的地層變化，將PBA工法分成5個典型階段，計算過程為：

1)超前注漿小導管加固地層；2)開挖上層1、3導洞，初期支護格柵噴混凝土；3)開挖上層2、4導洞，初期支護格柵噴混凝土；4)開挖下層5、7導洞，初期支護格柵噴混凝土；5)開挖下層6、8導洞，初期支護格柵噴混凝土；6)梁柱體系施工；7)兩側(cè)初期支護扣拱施工，施作格柵噴混凝土；8)中部初期支護扣拱施工，施作格柵噴混凝土；9)邊扣拱拆撐及二次襯砌；10)中部扣拱拆撐及二次襯砌；11)站廳、站臺層開挖。

3.2 模擬結(jié)果與對比分析

基于上述施工順序研究各開挖階段的沉降值，選取與實測數(shù)據(jù)相同的施工階段進行對比分析。圖8示出各階段模擬沉降云圖。從圖中可以看出：1)沉降主要發(fā)生在主體導洞開挖和初期支護扣拱階段，梁柱體系及站廳、站臺施工階段沉降較小。2)車站導洞及初期支護扣拱開挖后，對地層產(chǎn)生了開挖卸荷，改變了地層初始應(yīng)力狀態(tài)，使得地層應(yīng)力重新發(fā)布。3)地層應(yīng)力在重分布過程中，使得地層產(chǎn)生了位移變形。4)因小導洞施工、初期支護扣拱及二次襯砌扣拱施工過程中對地層擾動大，使得地層應(yīng)力卸載量大，在地層應(yīng)力重分布時產(chǎn)生的變形較大。5)在梁柱體系及站廳、站臺層施工時，由于導洞及扣拱初期支護等前置工序已施工完成，地層應(yīng)力狀態(tài)已進行重分布，且應(yīng)力狀態(tài)基本平衡，在梁柱體系及站廳、站臺層施工過程中，對地層應(yīng)力狀態(tài)改變較小，因而沉降變形也較小。

以實測值為真值，對比各施工階段地表沉降模擬值與真值誤差，結(jié)果見表7。從表中可以看出，各階段模擬計算絕對誤差在-8.37～0.6 mm，基于GTS NX的有限元分析結(jié)果與實測結(jié)果較為接近，本文研究采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)符合實際情況，所得結(jié)論可靠性較高。

(a) 初始狀態(tài) (b) 主體上導洞施工

表7 各施工階段地表沉降模擬計算誤差統(tǒng)計Table 7 Statistics of simulation calculation error of surface settlement

4 結(jié)論與討論

本文采用實測數(shù)據(jù)分類分析的方法，對北京地鐵粉細砂地層不同降水條件下PBA車站沉降規(guī)律進行研究，采用有限元分析方法進行驗證，研究結(jié)論如下：

1)粉細砂層PBA車站大于相應(yīng)地表沉降值的發(fā)生概率與地表最大沉降值的關(guān)系符合正態(tài)分布，有效降水和未有效降水車站地表最大沉降值分別為-85.31～-93.29 mm和-126.16～-131.35 mm，未有效降水車站的最大沉降較有效降水車站增加42.3%～47.9%。根據(jù)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果，2類車站地表最大沉降超過-60 mm控制值的概率分別為53.30%和74.96%。

2)沉降變形主要發(fā)生在導洞施工及扣拱施工階段(約占90%)，上導洞施工、下導洞施工、梁柱體系施工、扣拱施工階段沉降比例約為4∶3∶1∶2，廳臺層施工階段未發(fā)生明顯沉降。

3)粉細砂地層PBA車站沉降槽與Peck曲線趨近一致，沉降槽寬度系數(shù)在9.82～15.51 m，有效降水車站沉降槽的寬度系數(shù)比未有效降水車站的大3～5 m；地層損失率普遍在0.56%～0.70%，有效降水車站地層損失率略小于未有效降水車站，地層損失率平均值分別為0.63%和0.68%。

4)沉降槽寬度參數(shù)普遍在0.51～0.89，受降水效果影響顯著，有效降水車站平均值為0.83，未有效降水車站平均值為0.56。

5)結(jié)合本文北京粉細砂地層PBA車站沉降變形研究結(jié)果，可依據(jù)車站埋深、開挖面積、地下水條件和施工方法等預(yù)判地表沉降槽曲線反彎點距離和地層損失率的取值范圍，綜合考慮地質(zhì)條件、施工水平和工程經(jīng)驗，初步預(yù)測地表最大沉降值范圍，為施工環(huán)境影響預(yù)測提供依據(jù)。

當前PBA車站沉降的研究仍不夠深入、系統(tǒng)，多數(shù)情況仍是以工程類比為主，本文基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計和數(shù)值模擬的方法進行研究，調(diào)研相似地層的沉降規(guī)律，但限于統(tǒng)計樣本數(shù)量以及有限元分析的精細化程度，各車站的結(jié)構(gòu)參數(shù)、施工水平等因素的差異性仍未能完全顧及，相信隨著越來越多PBA車站的修建，后續(xù)工程類比樣本的增多和計算機模擬技術(shù)的發(fā)展，其研究結(jié)論會更加準確。