基于結(jié)構(gòu)概念分析法的洞樁法密貼下穿既有地鐵站施工力學研究

趙 偉

(中鐵十八局集團有限公司 天津 300222)

1 引言

隨著我國創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的持續(xù)推進，城市地下空間建設(shè)向“人本、綠色、智慧、韌性、透明、法制”的全新建設(shè)理念轉(zhuǎn)變。在既有地下空間基礎(chǔ)上進行更新改造，實現(xiàn)平面相連、上下互通的網(wǎng)絡(luò)化拓建，已成為城市地下空間開發(fā)利用的必然趨勢。地下工程密貼下穿既有地鐵站是以城市軌道交通站點為中心進行網(wǎng)絡(luò)化拓建的重要方式之一，也是地下空間拓建施工中風險較高、技術(shù)難度較大的拓建方式。拓建施工改變了既有結(jié)構(gòu)的邊界約束狀態(tài)，影響結(jié)構(gòu)安全和運營安全；同時，既有結(jié)構(gòu)影響地層應力的分配和傳遞，反作用于拓建結(jié)構(gòu)；拓建結(jié)構(gòu)、既有結(jié)構(gòu)和地層之間相互作用成為城市地下空間拓建施工的重要特征。

在下穿工程的實踐中，除了個別工程采用管幕結(jié)構(gòu)法[1]等新工法外，以小擴大為特征的交叉中隔墻法(CRD)[2－3]和洞樁法(PBA)[4]是較常用的兩種工法。尤以洞樁法在大斷面隧道拓建中應用廣泛。

Liu Jun[5]、王劍晨[6]等人通過對洞樁法施工過程的變形規(guī)律研究，提出由于群洞效應的影響，導洞施工階段是沉降變形的主要階段，其次為扣拱階段和土體開挖階段；張振波等[7]研究了北京地鐵6號線西延工程蘋果園站8導洞洞樁法密貼下穿既有車站的變形特征，分析了提升注漿和絲杠支頂?shù)淖饔眯Ч?；張欽喜[8]、王有旗[9]等人研究了土層深孔注漿預加固在拓建工程密貼下穿中的應用效果；牛曉凱[10]和趙江濤[11]等人以北京地鐵15號線奧林匹克公園站密貼下穿大屯路隧道為例，提出邊導洞先開挖的施工方案；孟令志[12]則通過試驗分析、數(shù)值計算與現(xiàn)場監(jiān)測相互驗證的方法，研究了“超前深孔注漿＋6導洞PBA＋邊樁頂升”的密貼下穿既有隧道施工方法。

本文采用結(jié)構(gòu)概念分析的方法，研究洞樁法密貼下穿既有地鐵車站的施工力學特征。

2 力流及變形的結(jié)構(gòu)概念分析

2.1 結(jié)構(gòu)概念分析的方法

所謂結(jié)構(gòu)概念分析法是將復雜的工程結(jié)構(gòu)高度抽象化為簡單的力學模型，通過基礎(chǔ)性的力學分析來判斷結(jié)構(gòu)的力學狀態(tài)。其本質(zhì)是工程力學的深度應用，是根據(jù)力學原理研究在外力和其他外界因素作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形，研究結(jié)構(gòu)的強度、剛度、穩(wěn)定性和動力反應問題。巖土工程理論不像其他學科那么嚴密，它是一門實踐性和綜合性強、需采用概念分析理念的學科，將復雜的力學現(xiàn)象隱藏起來，將其表述為簡單的基礎(chǔ)力學問題，這就很容易被工程師們理解并付諸應用。下面以北京地鐵6號線洞樁法密貼下穿1號線蘋果園站工程為例，就網(wǎng)絡(luò)化拓建密貼下穿進行力學概念分析。

2.2 工程概況

如圖1所示，為北京地鐵6號線西延拓建現(xiàn)有北京地鐵1號線蘋果園站結(jié)構(gòu)分布圖，上部為既有地鐵1號線蘋果園站，下部為6號線拓建工程。拓建結(jié)構(gòu)下穿段全長52.4 m，為兩層三跨箱形框架結(jié)構(gòu)，斜向70°角密貼下穿既有地鐵1號線蘋果園站主體結(jié)構(gòu)。拓建結(jié)構(gòu)下穿段上層為站廳層，下層為站臺層，頂板覆土(含既有1號線)約11.759 m，底板埋深約27.029 m。既有1號線蘋果園站建于20世紀60年代，為地下側(cè)式站臺，穿越段為單層四跨和五跨框架結(jié)構(gòu)，層高6.8 m，明挖法施工，覆土約4.9 m?？辈熨Y料表明，拓建結(jié)構(gòu)位于第四紀晚更新世沖洪積層()，為砂卵石地層，黏性土填充，局部含礫石；地下水位位于拓建車站底板以下10.4 m左右。該拓建工程下穿段采用洞樁法(8導洞)施工，導洞采用“先上后下、先邊后中、對稱開挖”的方法。

圖1 拓建結(jié)構(gòu)與既有結(jié)構(gòu)分布

2.3 力流與支撐剛度

土層既是荷載又是結(jié)構(gòu)，荷載在結(jié)構(gòu)中傳遞的幾何軌跡構(gòu)成“力流”，有方向和大小兩個特征。力流的方向有一個類似“水流”的自然特性，它總是按最短、最流暢的幾何路徑傳遞。區(qū)別在于，水流繞實體尋空間而流，而力流則繞空間尋實體而傳，且實體剛度越大，力流傳遞越強。下面基于結(jié)構(gòu)剛度理論研究洞樁法上導洞開挖過程中，拓建結(jié)構(gòu)平頂密貼既有車站結(jié)構(gòu)底板時，控制豎向應力分配方向和大小的方法。

如圖2所示，為洞樁法上導洞上覆荷載分布方式示意圖。假定既有結(jié)構(gòu)為剛性體，q為來自既有結(jié)構(gòu)的豎向壓力，K1表示導洞兩側(cè)土體對既有結(jié)構(gòu)底板的支撐剛度，K2表示導洞初期支護對底板的支撐剛度，K3表示導洞掌子面前方土體對底板的支撐剛度。B表示導洞開挖寬度，L表示導洞開挖循環(huán)進尺(指封閉成環(huán)初期支護到掌子面的距離)。

圖2 導洞上覆荷載分布示意

導洞形成過程中，若將導洞初期支護作為主要豎向承載體(提高K2、K3)，由于初期支護剛度形成需要時間，前方掌子面穩(wěn)定性要求上覆荷載不能太大，上覆荷載向?qū)Ф凑谱用媲昂蠓峙洳焕诳刂萍扔薪Y(jié)構(gòu)豎向變形。應控制上覆荷載主要向?qū)Ф磧蓚?cè)傳遞(提高K1)，可以充分利用砂卵石地層宜于注漿改良的特點，超前加固導洞兩側(cè)土體，形成高強和高剛的受力傳力體(土柱)，提高其對既有結(jié)構(gòu)的支撐剛度，以此控制導洞開挖中應力流的分配路徑。

2.4 既有結(jié)構(gòu)的豎向位移控制

既有結(jié)構(gòu)的豎向位移主要是拓建土體開挖引起地層豎向壓縮變形，并由于不均勻沉降而導致的結(jié)構(gòu)傾斜或者沉降縫兩側(cè)差異沉降變形。既有結(jié)構(gòu)豎向沉降的力學轉(zhuǎn)換可分兩個主要階段:一是導洞形成過程中，導洞間土柱的壓縮變形；二是豎向承載結(jié)構(gòu)形成后，開挖導洞間土柱過程中，豎向承載體系穩(wěn)定性以及既有結(jié)構(gòu)與下穿承載體系間的密貼性引起的豎向變形。

當拓建結(jié)構(gòu)樁和柱的豎向承載構(gòu)件形成后，由于樁、柱本身的結(jié)構(gòu)剛度大，隨著導洞間土柱的開挖，其力學分析重點是既有結(jié)構(gòu)底板荷載由絲杠傳遞至鋼管混凝土柱及邊樁，由于既有結(jié)構(gòu)和拓建結(jié)構(gòu)豎向傳力存在結(jié)構(gòu)上下的不連續(xù)和絲杠頂部工字鋼與結(jié)構(gòu)接觸面小的情況，混凝土板的抗剪切(沖切)及局部受壓、鋼管混凝土柱在兩層凈高下的穩(wěn)定性、鋼管混凝土柱安裝的垂直度以及邊樁在側(cè)壓力作用下的彎曲變形，是豎向變形控制應重點考慮的力學問題。

3 洞樁法密貼下穿既有地鐵站力學轉(zhuǎn)換分析

對任何一項工程來說，其結(jié)構(gòu)所受的荷載可以分解為水平向和豎直向，與之對應，結(jié)構(gòu)承載體系可以劃分為水平抗力體系和豎向抗力體系。表1用結(jié)構(gòu)概念分析的圖示方法，研究洞樁法密貼下穿既有地鐵站施工過程中的力學轉(zhuǎn)換特征，表中給出了主要施工步序、各主要施工步序?qū)慕Y(jié)構(gòu)概念分析圖，以及各階段應重點關(guān)注的力學問題，為類似工程的施工力學轉(zhuǎn)換分析和施工風險防控提供參考。

表1 洞樁法密貼下穿既有結(jié)構(gòu)施工階段概念分析

續(xù)表1

4 結(jié)束語

本文結(jié)合洞樁法密貼下穿既有地鐵站實例，闡述結(jié)構(gòu)概念分析法在城市地下工程更新改造網(wǎng)絡(luò)化拓建中的應用，以期在地下工程網(wǎng)絡(luò)化安全拓建設(shè)計和施工時有一個比較清晰的力學轉(zhuǎn)換路徑。得出以下主要結(jié)論:

(1)洞樁法密貼下穿既有結(jié)構(gòu)的施工力學轉(zhuǎn)換應遵循“先替代、后轉(zhuǎn)換”的原則，通過剛度設(shè)計控制應力重分布的方向和大小，達到控制變形的目的，同時滿足穩(wěn)定性和強度的力學要求。

(2)地下工程密貼下穿的施工風險主要發(fā)生在開挖和支護過程的力學轉(zhuǎn)換階段，將受到拓建施工影響范圍的土層簡化為梁、柱或桁架的結(jié)構(gòu)模型，運用結(jié)構(gòu)概念分析法對密貼下穿施工過程的力學轉(zhuǎn)換進行定性分析研判，用于指導設(shè)計和施工。

(3)地下工程的網(wǎng)絡(luò)化拓建存在新舊結(jié)構(gòu)的相互作用，力學關(guān)系復雜，既有地鐵站的結(jié)構(gòu)安全和運營安全，提高了對施工變形控制的要求，這些都需要通過力學分析加以保障，探尋其蘊含的力學機制，找出施工階段受力的薄弱點，作為施工方案選擇和風險識別、評估和控制的依據(jù)。