洞樁法馬頭門施工區(qū)域群洞效應(yīng)分析

劉 其 （中鐵（上海）投資集團(tuán)有限公司，上海 201100）

0 引言

洞樁法依托淺埋暗挖法及蓋挖法，結(jié)合人工挖孔樁、小導(dǎo)洞、扣拱等施工工藝形成樁梁拱臨時(shí)受力體系，具有施工安全性高、環(huán)境影響性小、地表沉降量小、施工靈活等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于城市內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下地鐵車站的施工。國內(nèi)諸多學(xué)者依據(jù)數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)、理論分析及現(xiàn)場試驗(yàn)的方法，研究洞樁法車站的地層沉降、力學(xué)轉(zhuǎn)換及技術(shù)優(yōu)化。

扈世民[2]通過現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)和修正劍橋模型分析北京地區(qū)洞樁法車站地表沉降規(guī)律，得出小導(dǎo)洞開挖及二襯扣拱施作引發(fā)的變形占總變形的80%；Liu Xinrong 等[3]研究邊樁的受力，推導(dǎo)出不同受力情況下樁身內(nèi)力計(jì)算公式及樁參數(shù)敏感性；晏啟祥等[4]利用數(shù)值模擬結(jié)合模型試驗(yàn)的方法，研究洞樁法施工過程中承載結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化特點(diǎn)，提出修正荷載-結(jié)構(gòu)模型；張加柱等[6]以新疆地鐵一號(hào)線為研究對(duì)象，對(duì)照數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了導(dǎo)洞開挖和扣拱施工是引發(fā)地表沉降的主要階段；張耀軍[8]依托實(shí)際工程，提出了多跨洞樁法車站施工控制技術(shù)，并驗(yàn)證了其有效性；李金奎等[10]通過MIDAS GTS 建立洞樁法車站模型，并利用正交試驗(yàn)法和極差分析法研究了洞樁法施工時(shí)的群洞效應(yīng)；羅慶斐[11]建立洞樁法車站的數(shù)值模型，分析了洞樁法施工梁柱拱之間的力學(xué)轉(zhuǎn)換；周穩(wěn)弟等[12]分析了洞樁法不同施工階段引起的地表沉降和車站結(jié)構(gòu)受力，總結(jié)了圍護(hù)樁內(nèi)力變化階段。

上述文章主要研究洞樁法車站整體變形和結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)化問題，沒有深入研究馬頭門施工區(qū)域群洞效應(yīng)。本文以廣州地鐵十三號(hào)線紀(jì)念堂洞樁法車站為研究對(duì)象，利用MIDAS 建立數(shù)值模型，結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)監(jiān)測，研究馬頭門施工區(qū)域群洞效應(yīng)對(duì)沉降和內(nèi)力的影響。

1 工程概況

1.1 車站簡介

廣州地鐵十三號(hào)線紀(jì)念堂站位于東風(fēng)路與解放北路交叉口，線路沿東風(fēng)路東西向布置，紀(jì)念堂站為地下二層島式站臺(tái)車站，“拱蓋”法施工，車站頂部結(jié)構(gòu)為雙連拱，車站總長309.0m，標(biāo)準(zhǔn)段寬為23.5m，頂板埋深約14.0m。

本站所處路段交通繁忙，施工期間不具備封閉道路或交通導(dǎo)改條件，交通環(huán)境較為復(fù)雜。且本站周邊集中了省、市、區(qū)三級(jí)政府辦公機(jī)構(gòu)，沿東風(fēng)路兩側(cè)分布有廣州省政府、廣州市政府、越秀區(qū)公安局、廣州市總工會(huì)等重要建構(gòu)筑物，施工過程中需減少對(duì)周邊環(huán)境的影響，同時(shí)嚴(yán)格控制地表沉降，因此采用洞樁法施工。

紀(jì)念堂站在地面設(shè)置3 處豎井及橫通道，通過橫通道沿里程方向開挖1～3號(hào)小導(dǎo)洞并同步施作中邊樁，車站小導(dǎo)洞凈空5.4m（寬）×4.8m（高）。小導(dǎo)洞施工完成后施作中、邊縱梁，待縱梁施工完成進(jìn)行扣拱施工，扣拱凈空6.7m（寬）×5.2m（高），扣拱拱頂覆土約14.0m。當(dāng)樁梁拱結(jié)構(gòu)受力體系建立完成后進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)施工。

由于群洞效應(yīng)因此需要在扣拱開挖前對(duì)馬頭門位置進(jìn)行加強(qiáng)，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)見圖2。

1.2 工程地質(zhì)

根據(jù)現(xiàn)場勘察，車站范圍內(nèi)土層由上至下分別為填土層、淤泥質(zhì)土、中粗砂層、可塑狀粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化粉質(zhì)泥砂巖、中風(fēng)化粉質(zhì)泥砂巖、粉質(zhì)泥砂巖。其中3 號(hào)橫通道大里程側(cè)扣拱施工段落，拱部及洞身主要位于強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖；3 號(hào)橫通道小里程側(cè)扣拱施工段落，拱部及洞身主要位于硬塑狀粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層。地層參數(shù)見表1。

表1 地層參數(shù)表

2 模型建立

2.1 模型建立

模型尺寸為120m（長）×90m（寬）×80m（高），邊樁利用公式等價(jià)為長42.00m、寬0.66m、高16.78m 的地下連續(xù)墻，中樁等價(jià)為長42.00m、寬0.66m、高14.00m 的連續(xù)墻。橫通道寬6.0m、高8.3m，分為上下兩個(gè)斷面分別施工，該豎井橫通道均為臨時(shí)結(jié)構(gòu)，不施作主體結(jié)構(gòu)，后期進(jìn)行回填處理。

在MIDAS 中完成實(shí)體模型的建立后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選用自動(dòng)生成的以六面體為主導(dǎo)的混合網(wǎng)格組并選定匹配相鄰面。由于本次設(shè)計(jì)的研究重點(diǎn)為車站結(jié)構(gòu)，所以車站結(jié)構(gòu)以及第一層土體尺寸為1，第二層土體尺寸為2。網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為398314，單位數(shù)量為473553。

本次分析采用FLAC 3D 計(jì)算軟件進(jìn)行建模，主體結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

2.2 施工步序

馬頭門施工區(qū)域洞群施工步驟如圖4所示。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

通過數(shù)值模擬，分別得出橫通道、左洞室、右洞室的拱頂沉降值及地表沉降值，并分別分析其變化規(guī)律。

沿橫通道頂縱向布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，橫通道拱頂沉降如圖5 所示，不同部位沉降值基本相同，橫通道采用上下臺(tái)階法開挖，上半部分開挖完成后，累計(jì)沉降值為30mm，待橫通道施工完成后累計(jì)沉降值為40mm。橫通道拱頂沉降值根據(jù)施工階段變化，主要呈現(xiàn)先迅速增加、再緩慢增加、最后趨于平穩(wěn)的趨勢。

由于左右洞室具有一定對(duì)稱性，故以左洞室開挖為例，其沉降量與監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)位置圖如圖6 所示。其沉降量與距離橫通道的距離有明顯的相關(guān)性，與橫通道距離較近的4 號(hào)監(jiān)測點(diǎn)沉降變化尤為顯著，而遠(yuǎn)離橫通道的5、6 號(hào)監(jiān)測點(diǎn)變化比較平緩?？拷鼨M通道處的4 號(hào)監(jiān)測點(diǎn)沉降表現(xiàn)為先隨橫通道施工累計(jì)沉降量（約20mm），后隨左線開挖，沉降量進(jìn)一步增加至50mm，待該區(qū)域開挖完成后，沉降穩(wěn)定至60mm。5、6 號(hào)監(jiān)測點(diǎn)沉降量不受橫通道施工階段的影響，僅當(dāng)開挖至監(jiān)測點(diǎn)附近開始發(fā)生累計(jì)沉降，總體沉降量為25～30mm。

4 馬頭門內(nèi)力監(jiān)測

4.1 監(jiān)測元件布設(shè)

數(shù)值模擬結(jié)果顯示馬頭門附近存在群洞效應(yīng)，在扣拱開挖前對(duì)馬頭門進(jìn)行加強(qiáng)并布設(shè)測點(diǎn)，進(jìn)一步研究加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化情況?，F(xiàn)場監(jiān)測項(xiàng)目包括初期支護(hù)鋼架應(yīng)力、圍巖壓力、馬頭門各梁和柱的應(yīng)變。設(shè)置2 個(gè)初期支護(hù)受力特征監(jiān)測斷面（分別距離橫通道2.5m、7.5m），每個(gè)監(jiān)測斷面設(shè)置10 個(gè)鋼架應(yīng)力測點(diǎn)、3 個(gè)圍巖土壓力測點(diǎn)，馬頭門應(yīng)變特征監(jiān)測設(shè)置48個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)。

4.2 馬頭門附近扣拱鋼架應(yīng)力分析

通過對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)整理，分別繪制成軸力、彎矩包絡(luò)圖。

從圖9（a）、圖9（b）導(dǎo)洞內(nèi)鋼架應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果可知，距離橫通道2.5m 處邊導(dǎo)洞下部內(nèi)側(cè)處拱架受力變化最大，最大值達(dá)到69MPa，所有受力最開始有一部分增大，后續(xù)隨著時(shí)間推移均趨于穩(wěn)定，但于5 月左右因后續(xù)施工有集體增大的趨勢。距離橫通道7.5m 處導(dǎo)洞下部拱架受力變化最大，最大值達(dá)到45MPa，處于受壓狀態(tài)，應(yīng)力最開始有一定增長后趨于穩(wěn)定，后續(xù)隨著施工繼續(xù)增大。對(duì)比2.5m 和7.5m 斷面，靠近橫通道截面應(yīng)力明顯大于遠(yuǎn)離橫通道截面應(yīng)力。

由圖9（c）、圖9（d）正洞內(nèi)鋼架應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果可知，扣拱左部（201086）內(nèi)側(cè)處拱架受力變化最大，最大值達(dá)到63MPa，處于受壓狀態(tài)。扣拱中部外側(cè)處拱架受力變化也較大，為63MPa，處于受壓狀態(tài)。所有部位應(yīng)力短期內(nèi)均隨時(shí)間增大并趨于穩(wěn)定，靠近橫通道截面應(yīng)力明顯大于遠(yuǎn)離橫通道截面應(yīng)力。

對(duì)比圖10 數(shù)值模擬結(jié)果，較大的最大正應(yīng)力出現(xiàn)在橫通道與導(dǎo)洞交界處的橫通道頂部，導(dǎo)洞的開挖致使導(dǎo)洞處沉降變大，原本部分受力土體被挖走，從而影響到了靠近此處橫通道的受力情況，在實(shí)際施工中此處應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)支護(hù)或其他防護(hù)措施。模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果一致。

圖1 車站平面布置圖

圖2 馬頭門加強(qiáng)結(jié)構(gòu)布置圖

圖3 主體結(jié)構(gòu)模型圖

圖4 開挖步驟圖

圖5 橫通道拱頂沉降累計(jì)圖

圖6 左線正洞拱頂沉降累計(jì)圖

圖7 初期支護(hù)受力特征監(jiān)測元件布置圖

圖8 馬頭門應(yīng)變測試元件斷面布置圖

圖9 初支鋼拱架應(yīng)力時(shí)程曲線

圖10 導(dǎo)洞開挖完成后最大應(yīng)力圖（單位為Pa）

4.3 馬頭門加強(qiáng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果繪制出內(nèi)力包絡(luò)圖，如圖11 所示。南北兩立柱內(nèi)力分布較大，均遠(yuǎn)大于其他結(jié)構(gòu)，馬頭門北側(cè)立柱最大軸力值可達(dá)300.00kN、最大水平桿軸力為60.84kN，南側(cè)立柱最大可達(dá)253.66kN、最大水平桿軸力為63.41kN，均為壓力。同時(shí)立桿與水平桿連接節(jié)點(diǎn)處應(yīng)注意施工質(zhì)量。同時(shí)結(jié)構(gòu)主要承受軸力，彎曲受力較小。因此從加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化角度，水平桿取消噴射混凝土部分，僅采用雙拼工字鋼，并減小工字鋼型號(hào)。

圖11 馬頭門內(nèi)力包絡(luò)圖

5 結(jié)論

通過對(duì)紀(jì)念堂車站馬頭門部分的數(shù)值模擬及現(xiàn)場內(nèi)力監(jiān)測結(jié)果，得出以下結(jié)論。

①橫通道拱頂沉降值隨施工階段變化，主要呈現(xiàn)先迅速增加、再緩慢增加、最后趨于平穩(wěn)的趨勢。因此實(shí)際施工中應(yīng)嚴(yán)格遵循“短開挖、強(qiáng)支護(hù)”的開挖原則，并根據(jù)后續(xù)沉降情況進(jìn)行注漿加固。

②鋼架監(jiān)測中，由各測點(diǎn)應(yīng)力數(shù)值可知，初支拱架施作后主要表現(xiàn)為受壓狀態(tài)，邊導(dǎo)洞下部應(yīng)力變化較大。其中，距離橫通道斷面7.5m 斷面鋼架應(yīng)力變化在邊導(dǎo)洞下部拱架受力變化最大，最大值達(dá)到45MPa，處于受壓狀態(tài)。距離橫通道斷面7.5m 斷面在邊導(dǎo)洞下部內(nèi)側(cè)拱架受力變化最大，最大值達(dá)到69MPa。鋼架應(yīng)力變化規(guī)律為監(jiān)測初期因施工導(dǎo)致應(yīng)力均有一定增大，然后應(yīng)力均趨于穩(wěn)定，檢測后期因后續(xù)施工部分應(yīng)力進(jìn)一步增大。

③由于群洞效應(yīng)，橫通道附近洞室開挖導(dǎo)致的沉降量明顯大于其他段。實(shí)際施工時(shí)需加強(qiáng)橫通道附近現(xiàn)場監(jiān)控量測，采取必要措施控制沉降。

④馬頭門各結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測中，南北兩立柱應(yīng)力變化均較大，遠(yuǎn)大于其他結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力，其中北立柱517 應(yīng)力變化最大為76.426MPa，其次北側(cè)水平桿2-498 以及南橫梁2-515 相對(duì)較大，分別為27.192MPa和20.188MPa，除此之外其余部位應(yīng)力變化均不大且穩(wěn)定，因此需優(yōu)化現(xiàn)場結(jié)構(gòu)、強(qiáng)化立柱結(jié)構(gòu)、優(yōu)化水平桿件。