土砂互層下PBA工法地鐵車站施工誘發(fā)地層變形規(guī)律研究*

杜憲武

(中鐵北京局集團(tuán) (天津)工程有限公司，天津 300000)

0 引言

地鐵車站[1-3]一般位于城市中心，周邊環(huán)境復(fù)雜，施工過(guò)程控制要求高。如李淑等[4-5]結(jié)合21個(gè)北京地鐵車站深基坑工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，獲得復(fù)合型變形模式下坑外深層土體豎向變形隨深度增加而改變的規(guī)律。謝錫榮等[6]分析金華地區(qū)土巖組合地層地鐵深基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，總結(jié)土巖組合地質(zhì)條件下，基坑水平位移曲線與周邊沉降曲線的關(guān)系和特點(diǎn)，得到基坑最大水平位移量、最大地表沉降量、基坑影響范圍與基坑開挖等關(guān)系。李少波[7]依托廈門軌道交通基坑工程，研究基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形模式多為拋物線型位移。

PBA工法屬于淺埋暗挖施工工法，具有施工工序復(fù)雜，影響地層變形因素多的特點(diǎn)[8-11]。周穩(wěn)弟等[12-14]得到導(dǎo)洞開挖和扣拱施作對(duì)地層擾動(dòng)較大，地層變形約占總變形90%的結(jié)論。韓健勇等[15]研究表明上導(dǎo)洞開挖引起的地表沉降約為下導(dǎo)洞的1.6倍，下導(dǎo)洞開挖對(duì)上導(dǎo)洞拱頂沉降產(chǎn)生一定程度影響。袁揚(yáng)等[16]分析得到相比于先開挖下導(dǎo)洞，先開挖上導(dǎo)洞可更好控制地表沉降槽形狀和管線變形的結(jié)論。張海明等[17]研究表明導(dǎo)洞施工誘發(fā)地表沉降分為初期沉降、快速沉降及沉降收斂3個(gè)階段，應(yīng)選擇先上后下、先邊洞后中洞的開挖順序。

綜上，在北京地鐵17號(hào)線十里河車站工程中，建立洞樁法導(dǎo)洞開挖數(shù)值模型，分析黏土和砂土互層地質(zhì)下，PBA工法施工全過(guò)程工序影響下的地表變形規(guī)律。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

十里河車站為地下雙層(局部3層)、雙柱三跨結(jié)構(gòu)，車站長(zhǎng)315.8m，寬25.5m，車站頂板覆土厚7.6～12.9m。本車站設(shè)上下2層共8個(gè)施工導(dǎo)洞。上下層導(dǎo)洞開挖寬度為4.2m，開挖高度為4.8m。初期支護(hù)厚度為0.3m，采用縱向間距為0.5m的格柵鋼架加噴射C20混凝土進(jìn)行支護(hù)。

1.2 工程地質(zhì)條件

十里河車站地層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，該車站地層為1層黏土、1層砂土互層。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值模型建立及驗(yàn)證

2.1 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)(見表2)

表2 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

2.2 模型建立

根據(jù)圣維南原理，地下工程開挖過(guò)程逐漸遠(yuǎn)離開挖區(qū)域，對(duì)土層擾動(dòng)影響程度逐漸減小，為減小邊界效應(yīng)，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，模型中的邊界條件在橫向方向往車站兩邊各取3倍車站寬度范圍，模型縱向取30m，模型底部取2倍車站高度，上表面取至地表，建立模型x·y·z=195m×30m×71.5m。約束模型左右邊界x方向位移、前后邊界y方向位移和底邊界的z方向位移，模型上表面按自由變形平面考慮。由于本文研究的PBA工法車站結(jié)構(gòu)布置較復(fù)雜，采用FLAC3D軟件前處理功能直接建模難度極大，故借助CAD和ANSYS軟件建立模型及劃分網(wǎng)格，之后將模型節(jié)點(diǎn)導(dǎo)入FLAC3D軟件中進(jìn)行計(jì)算，對(duì)模型縱深y方向15m的斷面計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。模型網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 模型網(wǎng)格示意

2.3 監(jiān)測(cè)方案

選取本車站里程為K16+521.962的斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。上下8個(gè)導(dǎo)洞開挖是動(dòng)態(tài)過(guò)程，本文不考慮導(dǎo)洞間掌子面沿導(dǎo)洞軸線錯(cuò)距大小影響，將上下導(dǎo)洞掌子面超過(guò)K16+521.962斷面向前掘進(jìn)10m后作為地表最終沉降量。地表變形監(jiān)測(cè)平面如圖2所示。

圖2 地表變形監(jiān)測(cè)平面

2.4 數(shù)值分析流程及施工過(guò)程

根據(jù)擬定的模型尺寸建立模型，對(duì)不同土層對(duì)應(yīng)材料參數(shù)賦值，求解得到模型初始應(yīng)力平衡參數(shù)，之后對(duì)初始平衡后的模型進(jìn)行位移清零，根據(jù)車站不同施工工況，采用空模型對(duì)車站開挖模型單元進(jìn)行移除模擬開挖，對(duì)車站結(jié)構(gòu)實(shí)體單元進(jìn)行彈性求解，模擬支護(hù)結(jié)構(gòu)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)施作，最后采用相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理。由于車站導(dǎo)洞數(shù)量較多且車站施工工序較復(fù)雜，故取車站主要施工步驟節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析研究，整體車站施工過(guò)程主要分為導(dǎo)洞施工階段、樁梁體系施工階段、初支扣拱施作階段、二襯扣拱施作階段、地下1層施工階段、地下2層施工階段進(jìn)行分析。

3 現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)洞開挖順序

該車站實(shí)際導(dǎo)洞開挖順序?yàn)?→1→4→2→7→5→8→6(見圖3)。先施工上層中間導(dǎo)洞，后跳洞開挖上層另一側(cè)邊導(dǎo)洞，再開挖中導(dǎo)洞，最后開挖另一個(gè)邊導(dǎo)洞，上層導(dǎo)洞施作完成后再施作下層導(dǎo)洞，上下層導(dǎo)洞橫向方向開挖順序一樣。數(shù)值模型中的導(dǎo)洞采用全斷面開挖法，不考慮各導(dǎo)洞掌子面間的錯(cuò)距影響，當(dāng)前一導(dǎo)洞貫通后再開挖后一導(dǎo)洞。

圖3 模型導(dǎo)洞編號(hào)

4 主要施工過(guò)程

主要施工過(guò)程如圖4所示，步序如下：①導(dǎo)洞施工階段 導(dǎo)洞開挖前先對(duì)所開挖的導(dǎo)洞上方加固地層進(jìn)行彈性求解，模擬導(dǎo)洞超前注漿加固，按照實(shí)際導(dǎo)洞開挖順序?qū)?dǎo)洞進(jìn)行開挖和支護(hù)；② 樁梁體系施工階段 施作地下基坑的圍護(hù)邊樁時(shí)，先施作下層邊導(dǎo)洞條形基礎(chǔ)和圍護(hù)樁頂冠梁，再施工下層中導(dǎo)洞底縱梁、車站中柱、上層中導(dǎo)洞頂縱梁，對(duì)相應(yīng)結(jié)構(gòu)實(shí)體單元進(jìn)行彈性求解，以達(dá)到平衡模擬；③初支扣拱施作階段 使用CD法同步開挖上層導(dǎo)洞間的2個(gè)邊跨拱部土體，施作2個(gè)邊拱初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)全斷面法開挖中跨拱部土體，施作中拱初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，再在上層邊導(dǎo)洞內(nèi)部與扣拱初支結(jié)構(gòu)間的空隙中回填混凝土；④二襯扣拱施作階段 分段移除車站內(nèi)部的上層導(dǎo)洞初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，對(duì)二襯頂拱進(jìn)行彈性求解以模擬車站頂部二襯扣拱施作；⑤地下1層施工階段 開挖車站地下1層土體的模擬過(guò)程為一次性開挖完成，對(duì)車站中板和地下1層邊墻單元進(jìn)行彈性求解，模擬車站內(nèi)部地下1層主體結(jié)構(gòu)施作；⑥地下2層施工階段 拆除車站內(nèi)部下層導(dǎo)洞初支結(jié)構(gòu)，開挖車站地下2層土體的模擬過(guò)程為一次性開挖完成，對(duì)車站底板和地下2層邊墻單元進(jìn)行彈性求解，模擬車站內(nèi)部地下2層主體結(jié)構(gòu)施作。

圖4 主要施工過(guò)程

5 PBA工法車站施工過(guò)程地層變形規(guī)律

5.1 導(dǎo)洞施工階段地層豎向變形分析

導(dǎo)洞施工階段的地層豎向變形云圖如圖5所示。在上下層導(dǎo)洞施工階段，地層豎向變形最大處位于2號(hào)導(dǎo)洞拱頂上方，最大地層沉降量約76.6mm，主要由于是上層3，1，4號(hào)導(dǎo)洞開挖后對(duì)地層造成擾動(dòng)，之后3，1，4號(hào)導(dǎo)洞進(jìn)行支護(hù)，以限制周邊松動(dòng)圍巖移動(dòng)，2號(hào)導(dǎo)洞最后開挖，當(dāng)2號(hào)導(dǎo)洞開挖尚未支護(hù)時(shí)形成臨空面，是由于先行導(dǎo)洞開挖引起多次擾動(dòng)后，土層松動(dòng)范圍擴(kuò)大，周圍松動(dòng)土層更容易向2號(hào)導(dǎo)洞臨空面移動(dòng)，在2號(hào)導(dǎo)洞上方產(chǎn)生較大沉降疊加效應(yīng)引起的。說(shuō)明最后開挖導(dǎo)洞上方的土體沉降量比先行開挖導(dǎo)洞上方土體沉降量大。最大地表沉降量出現(xiàn)在車站中軸線附近，最大地表沉降量約60mm，地表沉降量基本以中軸線為對(duì)稱軸，從車站中軸線往車站兩邊延伸，地表沉降量逐漸減小，在車站中軸兩邊形成對(duì)稱的沉降變形形態(tài)。同時(shí)在下層導(dǎo)洞底部土體出現(xiàn)一定量的回彈隆起，最大隆起量約42mm。

圖5 導(dǎo)洞施工階段地層豎向變形云圖(單位：m)

5.2 樁梁體系施工階段地層豎向變形分析

樁梁體系施工階段地層豎向變形云圖如圖6所示，在樁梁體系施工階段，中間導(dǎo)洞拱頂上方地層豎向變形最大，沉降量約80mm，下層導(dǎo)洞底部土層產(chǎn)生一定隆起，最大隆起變形量約41mm。在車站中軸附近，地層豎向變形最大，從車站中軸往兩邊延伸，地層豎向變形量逐漸減小，地層基本以車站中軸為對(duì)稱軸形成對(duì)稱的豎向變形形態(tài)。相比導(dǎo)洞施工階段，本階段地層豎向變形量和影響范圍加大，但增加量較小。可以看出，樁梁體系施工階段對(duì)地層豎向變形影響較小。

圖6 樁梁體系施工階段地層豎向變形云圖(單位：m)

5.3 初支扣拱施作階段地層豎向變形分析

初支扣拱施作階段地層豎向變形云圖如圖7所示，在初支扣拱施作階段，最大地層豎向變形出現(xiàn)在邊拱頂部附近，最大地層沉降量約106.8mm，主要是由于拱部土體開挖卸載，拱部上方土層在自重作用下向下移動(dòng)，而導(dǎo)洞已經(jīng)支護(hù)，阻止松動(dòng)土層向?qū)Ф捶较蛞苿?dòng)，松動(dòng)土體向拱部移動(dòng)引起沉降疊加，從而拱部地層變形較大。在車站中軸附近，地層豎向變形量較大，從車站中軸往兩邊延伸，地層豎向變形量逐漸變小。在下層導(dǎo)洞底部，土體出現(xiàn)一定隆起，主要是由于拱部土體開挖卸載，作用在下層導(dǎo)洞底部的自重應(yīng)力減小引起土體回彈，最大回彈量約32.9mm。相比樁梁體系施作階段，初支扣拱施作階段引起的地層豎向變形量較大，本階段需加強(qiáng)地表沉降監(jiān)測(cè)工作和提高地層注漿加固質(zhì)量。

圖7 初支扣拱施作階段地層豎向變形云圖(單位：m)

5.4 二襯扣拱施作階段地層豎向變形分析

二襯扣拱施作階段地層豎向變形云圖如圖8所示，在二襯扣拱施作階段，地表沉降最大值出現(xiàn)在車站中軸附近，最大地表沉降量約90mm。地層最大豎向變形量出現(xiàn)在兩邊拱頂部，最大沉降量約114.5mm。在車站底部土層出現(xiàn)一定量回彈隆起，最大土體隆起量達(dá)33.7mm。相比初支扣拱階段，二襯扣拱階段對(duì)地層豎向變形影響較小，是由于初支扣拱具有一定強(qiáng)度和剛度，足夠限制圍巖的過(guò)大變形，能保證圍巖穩(wěn)定，二襯扣拱階段不存在土方開挖，不直接與土體聯(lián)系，所以二襯扣拱階段對(duì)地層豎向變形影響較小，但最大地層沉降量增加約7.7mm，主要是由于導(dǎo)洞邊墻的拆除，圍巖主要承載結(jié)構(gòu)由初支結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為梁柱結(jié)構(gòu)，對(duì)初支結(jié)構(gòu)拆除后的受力具有一定影響。因此施工過(guò)程應(yīng)分段拆除導(dǎo)洞邊墻，及時(shí)施作二襯扣拱減小地層沉降。

圖8 二襯扣拱施作階段地層豎向變形云圖(單位：m)

5.5 地下1層施工階段地層豎向變形分析

地下1層施工階段，地層豎向變形云圖如圖9所示，在車站中軸位置整體地層豎向變形較大，往車站中軸兩邊延伸，地層豎向變形逐漸變小，車站中軸兩邊土體豎向變形基本以車站中軸為對(duì)稱軸形成對(duì)稱的變形形態(tài)。最大地表沉降約100mm，從地表向車站頂部，土體沉降量逐漸變大，最大地層沉降量出現(xiàn)在車站中跨頂部位置，最大地層沉降量約130.9mm。在車站底部土體出現(xiàn)較大回彈隆起，最大隆起量達(dá)48.6mm，主要是由于地下1層土體開挖卸載較大，作用在車站底部土體上的壓力變小引起土體回彈。相比二襯扣拱施作階段，本階段最大地層沉降量增加16.4mm左右，約增加14.3%，說(shuō)明地下1層施工階段對(duì)地層影響較大，應(yīng)加強(qiáng)車站上方既有構(gòu)筑物的監(jiān)測(cè)和保護(hù)工作，適當(dāng)增加地表注漿加固質(zhì)量，以控制地表沉降。

圖9 地下1層施工階段地層豎向變形云圖(單位：m)

5.6 地下2層施工階段地層豎向變形分析

地下2層施工階段，地層豎向變形云圖如圖10所示，該階段引發(fā)的最大地層沉降量出現(xiàn)在車站中拱頂部，最大地層沉降量約131.5mm，從車站頂部豎向方向往地表延伸，地層沉降量逐漸減小，相比地下1層施工階段，本階段最大地層沉降量增加0.6mm，約增加0.5%，增加量較少，說(shuō)明PBA工法車站中，地下2層施工階段對(duì)地層擾動(dòng)影響較小，車站周邊土體已基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)周邊環(huán)境影響較小。車站底部土體出現(xiàn)較大隆起，最大土體隆起量約65.6mm，相比地下1層施工階段，最大土體隆起量增加17mm，約增加34.9%，主要是由于地下2層土體開挖卸荷量較大，使作用在車站底部的荷載減小較多，從而引起車站底部土體回彈變形量較大。

圖10 地下2層施工階段地層豎向變形云圖(單位：m)

5.7 地表沉降結(jié)果分析

車站施工過(guò)程地表沉降如圖11所示，對(duì)比PBA工法車站施工過(guò)程引起的地表沉降，可得出以下規(guī)律。

圖11 車站施工過(guò)程地表沉降

1)從整體上來(lái)看，PBA工法不同施工階段引起的地表沉降形態(tài)基本一樣，整個(gè)車站施工過(guò)程在車站上方及車站邊界外側(cè)約1.5倍車站寬度范圍內(nèi)，地表的沉降影響程度較大，最大地表沉降量出現(xiàn)在車站中軸線附近，從車站中軸往車站兩邊延伸，地表沉降量逐漸減小，地表沉降以車站中軸線為對(duì)稱軸，形成中間下凹型沉降槽形式，主要是由于車站內(nèi)部土體開挖引起地層損失，車站上方土體在自重作用下向下移動(dòng)引起沉降，在車站中軸位置附近產(chǎn)生較大沉降疊加效應(yīng)，從車站中軸往兩邊延伸，土層沉降疊加效應(yīng)逐漸變小引起的。

2)從不同施工階段引起的地表沉降量大小來(lái)看，隨著車站施工階段推進(jìn)，地表沉降量不斷增加，導(dǎo)洞施工階段引起的最終地表沉降量最大約60.2mm，樁梁體系施工階段引起的最終地表沉降量最大值約65.1mm，相比導(dǎo)洞施工階段增加4.9mm，約增加8.1%；初支扣拱施作階段引起的最終地表沉降量最大值約85.4mm，相比樁梁體系施工階段增加20.3mm，約增加31.2%；二襯扣拱施作階段引起的最終地表沉降量最大值約91.8mm，相比初支扣拱施工階段增加6.4mm，約增加7.5%；地下1層施工階段引起的最終地表沉降量最大約101mm，相比二襯扣拱施作階段增加9.2mm，約增加10%；地下2層施工階段引起的最終地表沉降量最大約105mm，相比地下1層施工階段增加4mm，約增加4%。由于最終地表沉降量較大，車站施工過(guò)程應(yīng)適當(dāng)增加地層注漿加固范圍控制地層沉降，以及加強(qiáng)地表監(jiān)測(cè)工作，隨時(shí)掌握地層變形動(dòng)態(tài)，避免圍巖坍塌。

5.8 各施工階段地表沉降比例分析

導(dǎo)洞施工階段、樁梁體系施工階段、初支扣拱施作階段、二襯扣拱施作階段、地下1層施工階段、地下2層施工階段最大地表沉降占最終地表沉降最大值的比例分別為57.33%，4.67%，19.33%，6.1%，8.76%，3.81%。對(duì)比PBA工法車站主要施工階段引起的最大地表沉降值占車站最終地表沉降最大值的比例關(guān)系，可以得出以下規(guī)律。

1)整體上看，導(dǎo)洞施工階段對(duì)地表沉降影響程度最大，其次是初支扣拱施作階段，其他施工階段對(duì)地表變形的影響較小，因此在導(dǎo)洞施工階段和初支扣拱施作階段應(yīng)加強(qiáng)地層加固措施，以控制地層沉降。

2)從地表沉降影響程度看，導(dǎo)洞施工階段對(duì)地表沉降影響最大，主要是由于導(dǎo)洞上方土層埋深較小，導(dǎo)洞土體開挖量較大，土體卸載后對(duì)地層的擾動(dòng)較大，擾動(dòng)范圍延伸到地表，地層沉降疊加效應(yīng)較明顯，從而地面沉降量較大。樁梁體系施工對(duì)地表沉降影響較小，扣拱施作階段對(duì)地表沉降影響較大，主要是由于拱部土體開挖進(jìn)行一定卸載，拱部上方土層在自重作用下向下移動(dòng)，從而引起較大地表沉降。車站內(nèi)部地下1層和地下2層開挖對(duì)地表沉降影響較小，主要是由于邊樁、中柱和頂拱形成剛度較大的承載體系，承受大部分外部荷載，因此車站內(nèi)部施工對(duì)車站外部土層擾動(dòng)較小。

6 結(jié)語(yǔ)

采用數(shù)值分析方法，將PBA工法車站施工過(guò)程簡(jiǎn)化為6個(gè)階段，分別對(duì)每個(gè)階段施工引起的地層變形影響進(jìn)行分析，最后結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證模型可靠性，結(jié)論如下。

1)從地表沉降規(guī)律看，PBA工法車站施工過(guò)程中，最大地表沉降量出現(xiàn)在車站中心軸線附近，以車站中軸線為對(duì)稱軸，橫向方向往車站兩邊延伸，地表沉降量逐漸減小，形成漏斗狀的沉降槽形式。

2)從地表沉降影響程度來(lái)看，導(dǎo)洞施工階段對(duì)地表沉降影響最大，約占整個(gè)車站施工過(guò)程地表最終沉降量最大值的57.33%，初支扣拱施作階段對(duì)地表沉降影響較大，約占整個(gè)車站施工過(guò)程最終地表沉降量最大值的19.33%，其他施工階段對(duì)地表沉降影響較小，導(dǎo)洞和初支扣拱施作階段是控制地表沉降的關(guān)鍵階段。

3)從地層豎向變形來(lái)看，PBA工法車站頂部地層表現(xiàn)為沉降變形，從地表到車站頂部范圍，隨著深度增加，土層沉降量逐漸增大，在車站底部土體表現(xiàn)為隆起變形。