多層多跨PBA法暗挖地鐵車站施工地表沉降分析

陳俊林

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司， 北京 100055)

1 概述

地鐵工程通常圍繞著城市核心區(qū)修建，而城市核心區(qū)往往建筑群密集，并且地下管線分布較為復雜。地鐵車站的修建必然會破壞原有的地應力平衡，造成土體的應力重分布，過大的施工擾動不僅會導致既有地下結構與管線發(fā)生破壞，而且會導致周邊建筑物發(fā)生沉降或者傾斜[1]。過大的地表沉降可能導致隧道塌方，并對附近現有構筑物和公用設施造成破壞[2]。因此，分析地鐵車站開挖過程中的地表沉降規(guī)律并研發(fā)響應的控制技術顯得尤為重要。

PBA法(Pile-Beam-Arch，洞樁法)以框架圍護結構與蓋挖法的理念為基礎，結合傳統(tǒng)淺埋暗挖法 “短開挖、快封閉”的核心理念創(chuàng)建[3]。其核心思想是通過導洞快速形成由邊樁和頂拱組成的支護體系[4]，使后期施工在一個封閉的支護結構中進行，這對控制地層沉降具有重要意義[5]。

近年來，PBA法因其獨特的優(yōu)勢，已逐漸在全國各大城市推廣，成為我國地鐵修建中應用較多的方法[6]，但其理論體系尚不完善。因此，國內諸多學者對地鐵施工引起的地表沉降變化規(guī)律及地層沉降控制技術展開了一系列研究[7-13]。

王霆等基于大量監(jiān)測數據，結合數理統(tǒng)計與概率論對地鐵車站淺埋暗挖法施工引起的地表沉降規(guī)律展開研究[14]；肖茜對北京地鐵14號線萊戶營站(雙層三跨結構)暗挖段現場監(jiān)控量測數據進行分析，發(fā)現PBA法施工過程中，車站橫斷面上方地表沉降值呈圓錐狀，且沿車站斷面中線對稱分布[15]；劉運思等通過調研北京地鐵17號線十里河車站工程(雙層三跨結構)，基于洞樁法原理建立導洞開挖數值模型，分析車站埋深、跨度、開挖順序、導洞數量以及地層參數等多因素影響下的地表變形規(guī)律[16]；任建喜等基于北京地鐵10號線蓮花橋站(雙層三跨結構)，采用有限差分原理預測PBA法施工誘發(fā)的地表及橋樁的沉降規(guī)律[17]；曹力橋等結合北京地鐵16號線紅蓮南里站(雙層三跨結構)，采用三維有限元分析法研究不同扣拱施工順序下地表沉降及車站中柱位移的變化規(guī)律[18]。但數值模擬結果的準確性卻十分依賴于土體本構的選取和建模者的工程經驗。另外，還有部分學者通過將數值模擬與現場數據分析相結合，對地表沉降展開分析。王天彪采用數值模擬輔以現場實測的方法對使用PBA法的北京地鐵8號線王府井北站(雙層三跨結構)各施工階段的地表沉降進行了研究[19]；吳精義等以6座雙層三跨結構的北京地鐵粉細砂地層PBA車站監(jiān)控量測數據為依托，分析不同降水條件下PBA車站地表沉降規(guī)律，并依據有限元方法進行計算驗證粉細砂層PBA車站的地表沉降規(guī)律[20]。為了進一步掌握PBA工法施工對地表沉降的影響，以北京地鐵六號線蘋果園南路站實際工程為背景，運用有限元分析軟件Midas-gts對PBA工法施工的整個過程進行數值模擬分析，并結合實際監(jiān)控量測數據，分析PBA工法施工全過程對地表沉降的影響。

2 工程概況

2.1 工程位置及車站結構形式

北京地鐵房山線北延工程首經貿站位于芳菲路(南北向)與看丹路(東西向)的交叉路口北側，在芳菲路下方沿芳菲路南北向設置，與既有10號線首經貿站呈“T”形布置。線路位于北京城區(qū)西南部平原地區(qū)，處于永定河沖洪積扇的中部，為永定河沖洪積平原地貌。站位周邊規(guī)劃以居住、商業(yè)用地為主，車站西側為萬年花城萬芳園一區(qū)，車站東側為育菲園東里等商業(yè)用地(見圖1)。

車站為全暗挖島式車站，從南到北車站結構型式分別為三層三跨拱形斷面(見圖2)、兩層四跨拱形斷面(見圖3)、兩層三跨拱形斷面(見圖4)，主體結構三層三跨段及兩層三跨段采用8導洞PBA法施工，兩層四跨段采用10導洞PBA法施工。與10號線換乘節(jié)點采用三層三跨三連拱斷面相連。車站(包含換乘結點)左線長251.5 m，右線長296.0 m，站臺寬14.0 m，標準段寬23.1 m。標準段覆土厚8.2 m，三層段覆土厚4.5 m。車站總建筑面積15 707.0 m2。車站南端接10號線首經貿站預留換乘節(jié)點，車站北端左線接暗挖區(qū)間，右線接盾構區(qū)間。

圖2 三層三跨段橫斷面(單位：mm)

圖3 兩層四跨段橫斷面(單位：mm)

圖4 兩層三跨段斷面(單位：mm)

2.2 工程地質及水文地質

本車站的地質縱剖面見圖5，施工范圍內的地層從上至下分別為：土、粉質黏土、細中砂、圓礫、卵石。土層物理力學參數見表1。

圖5 車站地質縱剖面

表1 土層物理力學參數

本站地下水的類型為潛水，含水層主要為卵石層，地下水位埋深為19.9～20.1 m。

3 施工工法

PBA法車站施工工序較為復雜，為更好地分析動態(tài)施工引發(fā)的地層變位的時空效應，不考慮斷面跨度和層數對施工步序的影響，將PBA法分為導洞開挖(步序1)、施作頂底縱梁和灌注樁(步序2)、初支扣拱(步序3)、土體分層開挖(步序4)等4個特征階段，兩層三跨斷面、兩層四跨斷面、三層三跨斷面施工步序示意見表2。模擬開挖過程中，對開挖引起的地表沉降進行嚴格監(jiān)測和記錄，監(jiān)測點布置見圖6。在車站軸線處地表、導洞拱頂處地表、拱結構頂部地表等區(qū)域布置沉降測點，監(jiān)測地表沉降變化情況。

表2 PBA法施工步序

圖6 地表沉降監(jiān)測點布置(單位：mm)

4 數值模型建立及驗證

4.1 模型建立

地下結構理論計算力學模型可分為連續(xù)介質模型和作用-反作用模型兩種。其中，連續(xù)介質模型由于考慮地層與結構的共同作用，從而多用于結構的變形分析；作用-反作用模型的計算對象是具體結構，多用于結構內力及變形分析。具體到本工程，考慮到施工引起的沉降與地層關系密切，決定采用連續(xù)介質模型進行分析。

選用FLAC3D6.0有限差分法數值模擬軟件。假定地表和各土層均呈均質水平層狀分布，初始應力場只考慮自重，各土層描述和計算參數見表1。模型中土體采用摩爾-庫倫本構模型，襯砌、梁、板、柱采用彈性本構。模型兩側法向位移均被完全約束，模型底部的x，y，z三個方向的位移也被完全約束。模型中的地下水埋深設置為20 m，地下水位以上采用天然密度，地下水位以下采用飽和密度。

根據工程概況，建立兩層三跨斷面數值模型，寬100.0 m，高60.0 m，厚20.0 m，共計單元數為78 792個，模型整體網格劃分見圖7。

圖7 兩層三跨斷面模型網格劃分

4.2 模型驗證

沉降監(jiān)測數據是在該工程施工條件下的沉降監(jiān)測數據，會受到地質條件和施工隊伍水平的影響。例如，開挖前是否做好小導管注漿、支護是否及時等，都會對實際的監(jiān)測數據產生一定的影響。而根據現場監(jiān)測數據，結合數值模型運算結果，沉降槽曲線以及地表沉降隨施工進度的時間曲線均大致吻合，證明數值模擬結果較為可靠(見圖8、圖9)。

圖8 兩層三跨斷面地表沉降曲線

圖9 地表沉降隨施工進度的時間曲線

整體地表變形規(guī)律表現為在車站軸線附近地表變形量較大，向車站兩邊橫向方向逐漸衰竭，并形成沉降凹槽。地表沉降集中發(fā)生在導洞開挖和初支扣拱階段，施作頂底縱梁和灌注樁以及土體分層開挖階段引起的地表沉降較小。

為評估數值模擬結果和現場實測結果的差異，引入非線性統(tǒng)計學評價指標R2，當R2的值越接近1，表明數值模擬結果與現場實測結果越接近。R2的表達式為

(1)

5 數值模擬分析

為探究施作引起的沉降規(guī)律，采用FLAC3D6.0進行模擬。分別建立相同條件下的兩層四跨斷面(見圖10)、三層三跨斷面(見圖11)數值模型，并結合模型運算結果與兩層三跨斷面進行對比分析。

圖10 兩層四跨斷面模型網格劃分示意

圖11 三層三跨斷面模型網格劃分示意

假定數值模擬模型不變，各土層描述和計算參數不變，模型尺寸信息見表3。

表3 數值模擬模型參數

對比數值分析結果可以發(fā)現，采用PBA法施工的淺埋地鐵車站土體最大位移發(fā)生在車站結構兩側的拱頂處，因埋深較淺，沉降槽曲線呈“W”形分布(見圖12)，地表沉降區(qū)域分布在車站拱頂上部地表處，沿車站軸線近似對稱(見圖13～圖15)。

圖12 地表沉降曲線

圖13 兩層三跨模型最終沉降示意

圖14 兩層四跨模型最終沉降示意

圖15 三層三跨模型最終沉降示意

施工引起的大量沉降集中在導洞開挖和初支扣拱階段，約占總沉降的90.0%，樁、柱、縱梁施作階段和土體開挖及二襯施作階段，幾乎不產生沉降。在導洞開挖階段和樁、柱、縱梁施作階段不同斷面的沉降速率幾乎相同，在初支扣拱時產生較大的差別，從而導致最終沉降量的差異。說明導洞開挖與初支扣拱是PBA法產生沉降的主要原因，而初支扣拱階段是不同斷面產生沉降產生差異的主要階段(見圖16)。

圖16 地表沉降隨施工進度的時間曲線

此外，相較于兩層三跨斷面，兩層四跨斷面地表最終平均沉降值約為兩層三跨斷面的1.1倍，地表最大沉降值增加24.2%。不難看出，跨度的增加并未使沉降量明顯增加，因為土體最大位移發(fā)生在車站結構兩側的拱頂處，而車站埋設較淺，拱頂的沉降并未延展到車站中心線的地表處。三層三跨斷面和兩層三跨斷面的最終沉降量近似相同。原因在于，隧道洞徑的增加引起開挖臨空面的增加，從而導致圍巖越易變形。因此，在初支扣拱時造成更明顯的地表沉降，而在拱的有效保護下增加洞室高度或地鐵車站結構層數不會導致地表沉降發(fā)生較大增長。

根據現場實際監(jiān)測數據，分別提取相同地層條件下不同斷面、不同跨度的拱結構頂部地表最終沉降值，結果見圖17。從圖17中可以發(fā)現，隨著拱部跨度的增加，地表沉降值增大。拱頂沉降與拱結構跨度呈現明顯的正比例關系。

圖17 不同拱部跨度地表最終沉降值

6 結論

(1)PBA法施工地表沉降集中分布在車站結構拱頂上方區(qū)域，沉降范圍隨著洞室跨度的擴大而延展，由于車站埋深較淺，沉降槽曲線呈“W”形，沉降最大位置出現在車站結構兩側拱頂的上方區(qū)域。

(2)結合現場實測沉降數據與數值模擬的沉降值對比分析，PBA法施工主要有2個明顯的沉降階段，即導洞開挖階段和初支扣拱階段，兩個階段累計產生的沉降超過總沉降的90.0%，樁、柱、縱梁施作階段和土體開挖二襯施作階段幾乎不產生沉降。

(3)相較于兩層三跨斷面，兩層四跨斷面地表最終平均沉降值約為兩層三跨斷面的1.1倍，跨度的增加并未使沉降量明顯增加；土體最大位移發(fā)生在車站結構兩側的拱頂處，而車站埋設較淺，拱頂的沉降并未完全延展到車站中心線的地表處。

(4)三層三跨斷面和兩層三跨斷面的最終沉降值近似相同，說明增加洞室跨度會增加地表沉降，而在拱的有效保護下增加洞室高度或地鐵車站結構層數不會導致地表沉降發(fā)生較大的增長。