西安某地鐵車站洞樁法施工的地表變形規(guī)律數(shù)值模擬分析*

楊 鋒

(中鐵十五局集團(tuán)有限公司, 200070, 上?！胃呒?jí)工程師)

為適應(yīng)復(fù)雜條件下城市地鐵車站施工地表變形需嚴(yán)格控制的要求，PBA(洞樁)法施工在城市地鐵車站建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。使用PBA法作為地鐵車站的施工方法，前人已有了一定的研究[4]。其主要研究成果包含：不同地區(qū)PBA法施工對(duì)周邊建筑物的影響[5]，施工工藝及開挖順序[6]，結(jié)構(gòu)受力特性[7]，地表沉降規(guī)律[8-9]，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)等[10]。但西安某地鐵車站PBA法施工在黃土地區(qū)還是首次采用。對(duì)于黃土地區(qū)地鐵車站的施工，在導(dǎo)洞施工方案、支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)比選方面研究較多，而對(duì)于施工全過程研究還較少[11-12]。因此，采用FLAC軟件數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段分析施工全過程地表沉降及邊樁變形、受力規(guī)律對(duì)安全施工具有重要意義。以西安地鐵6號(hào)線首個(gè)PBA法施工的地鐵車站為背景，開展黃土地區(qū)PBA法施工地表沉降及邊樁變形受力規(guī)律分析，目的是為同類地鐵車站安全施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程背景

西安地鐵6號(hào)線首個(gè)PBA法施工的地鐵車站地處交通要道，其地面交通較繁忙、地下管線眾多、周邊環(huán)境復(fù)雜，是西安地鐵第1個(gè)采用PBA法施工的暗挖車站。該車站為地下二層島式站臺(tái)，尺寸為208.00 m(長)×19.90 m(寬)×16.73 m(高)，埋深為24.51 m，頂板覆土約為10.40 m。車站沿東西向設(shè)置，包含4個(gè)出入口、2組風(fēng)亭。

1.2 工程及水文地質(zhì)條件

地鐵車站所在區(qū)域地形平坦，車站上面主要為市政道路，兩側(cè)均為商業(yè)建筑。地貌單元屬皂河二級(jí)階地。擬建場(chǎng)地土層從上往下分別為：人工填土，第四系全新統(tǒng)沖洪積黃土狀土及砂類土，上更新統(tǒng)沖積粉質(zhì)黏土及砂類土，中更新統(tǒng)沖積粉質(zhì)黏土及砂類土等。

場(chǎng)地內(nèi)地下水位較淺，為地面下10.00～10.40 m，水位年變化幅度約為1.0～2.0 m。

2 車站施工全過程數(shù)值模擬分析

采用FLAC軟件對(duì)該地鐵車站的施工全過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

2.1 模型建立

考慮邊界效應(yīng)對(duì)車站模型計(jì)算結(jié)果的影響，根據(jù)車站的具體尺寸建立車站模型，車站標(biāo)準(zhǔn)段寬為19.9 m，車站頂板覆土10.4 m。因此，模型上取至地面，下取至主洞以下約40 m，左右兩邊各取距車站中線40 m處，形成尺寸為80 m×70 m×20 m的模型。計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型圖

2.2 模型參數(shù)及邊界條件選取

模型土層采用M-C模型，結(jié)構(gòu)單元用彈性模型，鋼管柱采用beam單元模擬，其余支護(hù)結(jié)構(gòu)均用實(shí)體單元模擬。邊樁結(jié)構(gòu)等效為地下連續(xù)墻，超前支護(hù)結(jié)構(gòu)、格柵支護(hù)結(jié)構(gòu)利用剛度等效原理，等效為一定厚度的混凝土結(jié)構(gòu)。

模型上取至地面，模型上表面自由；模型左右以及下部分周圍均是土體，因此左右邊界、下表面約束。為考慮車站上部的風(fēng)雪、車輛等活荷載的影響，模型上部施加地面超載20 kPa。其結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)模型圖

2.3 模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

設(shè)置地表沉降、邊樁變形受力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖3所示。監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置原則如下：

圖3 模擬計(jì)算的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖

1) 地表變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

為減小三維邊界條件的影響效應(yīng)的影響，取模型Y方向中間斷面為研究斷面。地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿X方向設(shè)置，遵循中間密兩邊疏原則，從車站中線向兩邊距離分別為3 m、4 m和5 m。

2) 邊樁變形、受力監(jiān)測(cè)點(diǎn)

以Y=10 m處斷面為研究斷面，Z方向每隔2 m設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

為方便分析，將PBA法施工步驟分為4個(gè)主要階段：①導(dǎo)洞施工階段(Ⅰ)；②支撐體系施作階段(Ⅱ)；③扣拱、二襯施作階段(Ⅲ)；④站臺(tái)、站廳層施作階段(Ⅳ)。

2.4.1 施工各階段地表沉降分析

為分析各施工階段地表沉降變化情況，繪制各階段地表沉降曲線以及最大地表沉降隨施工的變化曲線，如圖4所示。

圖4 地表沉降曲線

由圖4 a)可知，4個(gè)階段的地表沉降曲線均滿足正態(tài)分布規(guī)律，由車站中線向兩邊減小，地表沉降的變化率遵循先平緩后增加再平緩的變化規(guī)律，即地表沉降變化主要發(fā)生在車站施工的主要影響區(qū)域范圍內(nèi)。對(duì)于本車站，其主要影響區(qū)域處于距車站中線20 m的范圍內(nèi)。各階段施工完成后，最大地表沉降值分別為20.39 mm、30.73 mm、46.64 mm、50.45 mm。

由圖4 b)可知，最大地表沉降隨施工逐漸增加。第Ⅰ階段完成后，地表沉降值為20.39 mm，地表沉降曲線的沉降速率較大；第Ⅱ階段產(chǎn)生的地表沉降主要包含導(dǎo)洞開挖后應(yīng)力重分布時(shí)間效應(yīng)產(chǎn)生的沉降和施工擾動(dòng)引起的地表沉降，曲線的變化斜率較緩慢；第Ⅲ階段完成后的地表沉降值增加至46.64 mm；第Ⅳ階段施作產(chǎn)生的地表沉降值為3.81 mm，最終的地表沉降值為50.45 mm，此階段產(chǎn)生地表沉降小，沉降曲線下降緩慢(其主要原因在于車站已經(jīng)形成了完整的支撐體系，對(duì)圍巖已經(jīng)起到了保護(hù)作用。)

2.4.2 邊樁變形受力分析

各施工階段中間斷面左邊樁迎土側(cè)各測(cè)點(diǎn)的水平位移隨埋深的變化曲線以及邊樁水平位移的歷程曲線見圖5。左邊樁豎向力隨施工的變化曲線見圖6。

圖5 邊樁變形曲線

圖6 邊樁受力隨時(shí)間步變化曲線

由圖5 a)可知，各階段的邊樁水平位移曲線呈現(xiàn)鼓肚的形式，在第Ⅱ階段施工完成以后，土體未開挖，水平位移較小，且最大值離樁頂更近；第Ⅲ階段施工完成后，邊樁的水平位移增加，且最大值位置下移；第Ⅳ階段施工由于中底板位置上部土體開挖，水平位移值持續(xù)增加。

由圖5 b)可知，從曲線整體來看，隨著車站施工，邊樁水平位移持續(xù)增加，邊樁施作完成后，由于施工的影響產(chǎn)生較小的水平位移，隨著后續(xù)冠梁、中柱相關(guān)結(jié)構(gòu)以及導(dǎo)洞內(nèi)扣拱、回填混凝土的施作，水平位移變化較?。划?dāng)進(jìn)行初期支護(hù)扣拱部位開挖土體時(shí)，邊樁水平位移增加，臨時(shí)支撐的施作以及襯砌的強(qiáng)度可以抵抗變形，在該階段后續(xù)施工中水平位移變化平緩；進(jìn)行臨時(shí)支撐破除、導(dǎo)洞初期支護(hù)破除、二次襯砌施作過程中，由于土體開挖和二次襯砌強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)值，邊樁產(chǎn)生較大的水平位移，開挖中板上部土體時(shí)亦會(huì)產(chǎn)生較大水平位移，當(dāng)中板施作后，開始開挖下部土體時(shí)，水平位移曲線平緩，原因在于中板和側(cè)墻可以抵抗變形。邊樁水平位移最大值出現(xiàn)在邊樁中上部位置，越接近樁底，邊樁水平位移越小，直至樁底，可以發(fā)現(xiàn)邊樁產(chǎn)生的水平位移已經(jīng)很小，也證明了邊樁的穩(wěn)定性較好。

由圖6可知，邊樁的軸向力隨車站開挖不斷增加，邊樁主要承受壓力，第Ⅱ階段施工完成后，邊樁軸向力變化不明顯，軸向力最大值為303.32 kN；邊樁壓力的增加主要發(fā)生在扣拱和中板以上土體開挖及中板施工的過程中，底板施工對(duì)軸向力的影響較小，對(duì)樁入土深度區(qū)域和影響較小區(qū)域還有軸向力減小的現(xiàn)象，主要原因在于底板施工時(shí)中板以及中板以上側(cè)墻對(duì)邊樁受力增加有一定的抑制作用?？酃笆┕ね瓿珊笞畲筝S向力為821 kN；底板施工完成后，最大軸向力為1 129.92 kN。

3 車站施工全過程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

3.1 監(jiān)測(cè)方案及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

1) 地表沉降監(jiān)測(cè)。地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)遵循中間密兩邊疏的原則，車站范圍內(nèi)每隔3 m設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，車站外側(cè)隔4 m設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，最外側(cè)次要影響區(qū)每隔5 m設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2) 邊樁應(yīng)力監(jiān)測(cè)。選取標(biāo)準(zhǔn)段試驗(yàn)樁進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布設(shè)，考慮不利工況和特征點(diǎn)，分別在樁頂、中層板處、中層板與底板中間、底板處、樁底分別設(shè)置鋼筋應(yīng)力片進(jìn)行邊樁軸向應(yīng)力監(jiān)測(cè)。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.2.1 地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

如圖7所示，分別為各施工階段地表沉降曲線和地表沉降隨時(shí)間的變化曲線。由于施工現(xiàn)場(chǎng)尚未完成車站整體施工，第Ⅳ階段僅表示中板以上土體開挖。

分析圖7 a)可知，各施工階段地表沉降曲線變化規(guī)律與數(shù)值模擬結(jié)果相同，離車站中線最近的測(cè)點(diǎn)D5、D6越近，地表沉降量越大。在邊緣的測(cè)點(diǎn)(D9)，施工的進(jìn)行對(duì)其地表沉降影響很小，當(dāng)進(jìn)行扣拱施工和主體結(jié)構(gòu)施工時(shí)，邊緣測(cè)點(diǎn)的地表沉降值已經(jīng)接近穩(wěn)定。

分析圖7 b)可知，車站整體施工過程中，地表沉降量不斷增加，增加速率呈現(xiàn)先增加后平緩，再增加最后平緩的現(xiàn)象，標(biāo)準(zhǔn)段施工至中板以上土體開挖位置時(shí)產(chǎn)生的最大地表沉降為49.10 mm，距離車站中線較近的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的最大地表沉降分別為48.26 mm和48.06 mm。

圖7 地表沉降變化分析

3.2.2 邊樁受力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

如圖8所示，分別為A30邊樁迎土側(cè)、背土側(cè)和中性面鋼筋軸向應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線，斷面編號(hào)遵循自下而上原則。

圖8 鋼筋應(yīng)力變化曲線

由圖8 a)可知，迎土側(cè)鋼筋軸向應(yīng)力總體隨著時(shí)間呈增長趨勢(shì)，且鋼筋的應(yīng)力值基本為負(fù)值，均處于受壓狀態(tài)。迎土側(cè)鋼筋應(yīng)力值隨時(shí)間變化經(jīng)歷了“平緩、加速，再平緩、加速增加”的過程。截至2020年12月，施工至中板土體開挖階段，還尚未完成，此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)段自下而上各斷面迎土側(cè)鋼筋應(yīng)力分別為11.61 MPa、23.30 MPa、22.81 MPa、32.28 MPa、52.00 MPa。

分析圖8 b)可知，背土側(cè)鋼筋軸向應(yīng)力呈現(xiàn)受拉狀態(tài)，僅在樁底偶爾會(huì)出現(xiàn)受壓情況，變化規(guī)律和速率情況與迎土側(cè)鋼筋應(yīng)力類似，但背土側(cè)的應(yīng)力值波動(dòng)性比較大，主要原因在于受到施工擾動(dòng)的影響較大。分析圖8 c)可知，中性面鋼筋軸向應(yīng)力呈現(xiàn)受壓狀態(tài)，鋼筋壓應(yīng)力值小于迎土側(cè)。

3.2.3 數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

為驗(yàn)證模擬模型的建立和參數(shù)選取的合理性，將數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果作比較。由于現(xiàn)場(chǎng)施工還尚未完成，因此選取第Ⅰ階段、第Ⅲ階段地表沉降曲線進(jìn)行分析，如圖9所示。

由圖9可知，2個(gè)階段地表沉降曲線均沿中線呈基本對(duì)稱分布，符合理論分析結(jié)果。從變化量方面考慮，數(shù)值模擬結(jié)果：車站中線最終地表沉降量為20.39 mm，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果為20.16 mm；扣拱階段數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分別為46.64 mm、45.59 mm。2個(gè)階段分析的結(jié)果相差較小，其相差最大值為3.51 mm，在規(guī)范允許的差值范圍內(nèi)。

圖9 數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比曲線

4 結(jié)論

1) FLAC軟件的數(shù)值模擬結(jié)果表明，地鐵車站PBA法施工過程中，地表沉降曲線沿車站中線呈對(duì)稱，主要影響區(qū)域在距車站20 m范圍內(nèi)；邊樁水平位移呈現(xiàn)鼓脹形式，邊樁水平位移最大值出現(xiàn)在邊樁中上部位置，越接近樁底，邊樁水平位移越??；邊樁軸向力隨車站開挖不斷增加，邊樁主要以承受軸向壓力為主，底板施工完成后，最大軸向壓力為1 129.92 kN。

2) 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明，標(biāo)準(zhǔn)段導(dǎo)洞施工階段完成后，最大地表沉降量為20.16 mm；扣拱施工完成后，地表沉降最大值為46.60 mm；車站整體施工過程中，地表沉降量不斷增加，增加速率呈現(xiàn)先增加后平緩、再增加最后平緩的現(xiàn)象，標(biāo)準(zhǔn)段施工至中板以上土體開挖位置時(shí)產(chǎn)生的最大地表沉降量為49.10 mm；標(biāo)準(zhǔn)段鋼筋軸向應(yīng)力總體隨著時(shí)間呈增長趨勢(shì)，鋼筋應(yīng)力值隨時(shí)間變化經(jīng)歷了“平緩、加速，再平緩、加速增加”的過程；背土側(cè)的鋼筋軸向應(yīng)力呈現(xiàn)受拉狀態(tài)，僅在樁底偶爾會(huì)出現(xiàn)受壓情況，迎土側(cè)、中性面的鋼筋軸向應(yīng)力呈現(xiàn)受壓狀態(tài)。

3) 對(duì)比分析數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，導(dǎo)洞開挖完成后，最大地表沉降值分別為20.39 mm、20.16 mm，扣拱階段最大地表沉降值分別為15.91 mm、15.73 mm，均在誤差允許范圍內(nèi)，證明FLAC軟件的數(shù)值模擬合理可行。