近接地下通道洞樁法車站施工力學特性研究

陳熹，高波，申玉生，侯旭豐

(西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

近接地下通道洞樁法車站施工力學特性研究

陳熹，高波，申玉生，侯旭豐

(西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

摘要:以新疆烏魯木齊地鐵八樓站為工程依托，分析淺埋暗挖車站洞樁法施工對既有地下人行通道的影響規(guī)律，采用FLAC3D數(shù)值分析軟件模擬洞樁法施工過程，研究洞樁法施工過程中地下通道產(chǎn)生的位移值以及內(nèi)力值變化規(guī)律。在橫斷面內(nèi)分析洞樁法各工況引起的地下人行通道的沉降量及水平位移值變化規(guī)律，得出各個工況產(chǎn)生沉降量、水平位移值的比例，分析各工況下地下人行通道結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化規(guī)律，總結(jié)對結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響最大的工況及其影響程度，并得出洞樁法施工的安全及穩(wěn)定性較好，能夠較好保護臨近建筑物的結(jié)論，可為類似的洞樁法近接施工工程提供參考。

關鍵詞：洞樁法；地下通道；地鐵車站；近接施工

隨著我國地鐵大規(guī)模的發(fā)展，在地面建筑物多、地下管網(wǎng)密集、地表沉降要求較高的地鐵車站建設中，洞樁法被廣泛的應用，洞樁法又稱PBA法，是基于對地層不產(chǎn)生大擾動前提下，利用小導洞和鉆孔樁技術進行開挖的工法，先進行小導洞的開挖，進而形成梁、柱縱向支撐體系，最后完成扣拱，從而全面形成縱橫向框架空間支撐體系，然后在此支撐體系保護下進行站廳層和站臺層的開挖[1-5]。PBA工法包括順作法和逆作法，順作法即利用小導洞施工鉆孔圍護樁和中柱，在建立樁、梁、柱支撐體系，然后扣拱，在拱頂?shù)谋Ｗo下再向下逐層開挖土體，按設計要求架設鋼支撐至標高，再由下而上修筑內(nèi)部主體結(jié)構(gòu)。逆作法即在建立起樁、梁、柱支撐體系并扣拱后，在支護體系的保護下逐層向下開挖土體，一邊開挖一邊自上而下施作內(nèi)部結(jié)構(gòu)[6-10]。目前關于洞樁法近接施工的研究已經(jīng)取得了一定的成果，王霆等[11]依托北京地鐵10號線黃莊站工程,基于地表和管線沉降的實測數(shù)據(jù),建立“車站結(jié)構(gòu)-地層-管道”三維耦合有限元模型，研究車站洞樁法施工對地層和管道的影響。何海健[12]結(jié)合北京地鐵號線國貿(mào)站工程探討了地鐵洞樁法施工對鄰近橋樁的影響,并提出了地鐵鄰近橋樁施工的控制措施。杜彬等[13]以北京地鐵國貿(mào)站工程為背景,分析了大跨度分離式地鐵車站采用洞樁法施工,對周圍地層及鄰近樁基的影響，總結(jié)了車站上側(cè)樁、中側(cè)樁、下側(cè)樁等鄰近樁基的變形規(guī)律。宋健等[14]根據(jù)沈陽地鐵中街站大跨度隧道洞樁法開挖施工過程中引起地表沉降變形的現(xiàn)場跟蹤監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析得出隧道開挖過程影響地表沉降變形的特征和規(guī)律。

1工程概況

八樓站是烏魯木齊城市軌道交通1號線的中間站，車站長329.3m，寬23.3m。車站有效站臺中心里程處頂板覆土12.71m，車站東端起點處頂板覆土11.927m，車站西端終點處頂板覆土2.448m，車站中心里程處軌面埋深26.94m(絕對標高782.020m)，底板底埋深28.74m。車站暗挖主體橫斷面為雙柱三拱直墻平底斷面，采用暗挖類PBA工法施工，標準段寬為23.3m，車站高度為16.68m，采用錨桿支護及格柵鋼架與網(wǎng)噴混凝土聯(lián)合支護。

新醫(yī)路地下通道主道凈寬5.1m，凈空2.9m，覆土4.0～4.6m，地下通道距暗挖車站主體拱部2.2m，平面結(jié)構(gòu)布置為回字形，標準段采用預制箱涵，見圖1。該地下通道結(jié)構(gòu)承載能力差，預制箱涵變形縫處受不均勻沉降作用明顯，下方暗挖施工時，對通道造成很大影響，是一級環(huán)境風險工程。

場地范圍內(nèi)主要地層由沖積、洪積河床堆積形成的第四系全新統(tǒng)—晚更新統(tǒng)圓礫、卵石及下伏的侏羅系泥巖、砂巖構(gòu)成，地表廣泛分布人工素填土和雜填土，在卵礫石層中局部分布透鏡體狀黏質(zhì)粉土、粉土和粉細砂。

選取工程典型橫斷面(如圖2)為建立模型的依據(jù)，地表土層為①-1雜填土，下部土層依次為：②-10卵石、⑤-1-2強風化泥巖、⑤-2-2強風化砂巖、⑤-1-3中風化泥巖。其中強風化泥巖地層與強風化砂巖地層呈互層狀且傾角較大。

單位：mm圖1　地下通道與車站主體結(jié)構(gòu)尺寸圖Fig.1 Size of underpass and main structure of station

圖2　八樓站標準斷面地質(zhì)剖面圖Fig.2 Geological section map of Balou station

2洞樁法施工數(shù)值模擬

2.1數(shù)值模型

本文計算主要采用大型有限差分FLAC3D軟件，依據(jù)八樓站工程實例，建立模型橫向?qū)?0m，高50m，考慮到地下橫通道的長度，模型縱向長度取60m。上中導洞拱頂距地面埋深10m，上部左右側(cè)小導洞開挖寬度4.6m，開挖高度5.1m，中導洞開挖寬度9.4m，開挖高度5.6m。圍巖、導洞初支、二次襯砌、鋼管樁冠梁、中導洞縱梁及車站中部立柱均采用實體單元模擬，圍護鋼管樁及開挖過程施做的錨索分別采用FLAC3D中特有的Pile單元和Cable單元模擬。中部鋼管樁長12m，樁頂部及底部縱梁尺寸高×寬=2.5×1.4m。圍護鋼管樁長16m，樁徑0.22m，樁間距取0.5m，鋼管樁頂部深入冠梁0.5m，頂部冠梁尺寸高×寬=0.7×1.5m。

采用ANSYS建立模型并導入FLAC3D進行計算，綜合考慮建模的便捷性以及模擬結(jié)果的可靠性將模型進行適當簡化。

圖3　模型網(wǎng)格圖Fig.3 Grid of model

3.2巖土體及支護參數(shù)

圍巖采用摩爾庫倫材料，初襯、二襯采用線彈性材料，鋼管樁采用pile單元模擬，錨索采用Cable單元模擬，具體參數(shù)見表1、表2和表3。

表1　模型材料參數(shù)表

表2　鋼管樁參數(shù)

表3　錨索參數(shù)

2.3開挖模擬

開挖進尺為1.0m，以10m為一個開挖循環(huán)進行模擬，每個開挖進尺工況中以是否施作中樁為區(qū)分依據(jù)可分為普通開挖工況和需要施作中樁的開挖工況，初期支護采用格柵鋼架加噴射混凝土支護體系，主體斷面采用4導洞形式開挖，上層中間一個大導洞，兩側(cè)各一個小導洞，下層中間一個大導洞，開挖主要采用順作法，即利用小導洞施工鉆孔圍護樁和中柱，在建立樁、梁、柱支撐體系，然后扣拱，在拱頂?shù)谋Ｗo下再向下逐層開挖土體，再由下而上修筑內(nèi)部主體結(jié)構(gòu)。

其施工工序見圖4。

圖4　開挖工序Fig.4 Construction sequence of Balou station

為了消除模型邊界效應的影響，地下通道的監(jiān)測斷面取在縱向30m位置，主要分析開挖工序?qū)Φ叵峦ǖ辣O(jiān)測斷面的位移及內(nèi)力影響，水平位移以水平向右為正方向，豎向位移以豎直向上為正方向，監(jiān)測斷面的監(jiān)測點設置如圖5：

開挖完成后的模型見圖6：

圖5　地下通道橫斷面監(jiān)測點設置圖Fig.5 Monitoring sites of underpass

圖6　模型開挖完成圖Fig.6 Model after excavation

3結(jié)果分析

3.1橫斷面計算結(jié)果位移分析

為了避免邊界效應的影響，分析的典型斷面選取為30m處橫斷面，主要分析橫斷面內(nèi)各個開挖工況對于地下通道監(jiān)測點位移的影響，以期獲橫斷面內(nèi)洞樁法開挖對任一地下通道橫斷面的位移影響規(guī)律。

頂板位置設置有3個監(jiān)測點，將其沉降值監(jiān)測結(jié)果見圖10。

圖7　不同工況頂板監(jiān)測點沉降圖Fig.7 Settlement curve of monitoring sites at roof position in different construction steps

通過圖7可以看出，頂板位置出現(xiàn)不均勻沉降，但各個監(jiān)測點的沉降值在不同開挖工況下的變化規(guī)律相似，本次開挖循環(huán)中，C點的最終沉降值在三個測點中最大，為2.6mm，同時整個開挖循環(huán)過程中C點的沉降量增加值也最大，為0.8mm；相應B點最終沉降量為2.3mm，沉降量增加值為0.7mm；A點的最終沉降量為2.1mm，沉降量增加值為0.6mm。

頂板位置由上中部導洞開挖引起的沉降量約占總沉降的10.2%，下中部導洞開挖引起的沉降量約占總沉降的21.6%，兩側(cè)小導洞開挖引起的沉降量約占總沉降的13.9%，在扣拱工況時產(chǎn)生的沉降值最大，占總沉降的34.5%，開挖土體引起的沉降量約占總沉降的19.8%。造成這種沉降量分布規(guī)律的主要原因分析為：各個導洞在開挖過程中與地下通道形成一定的群洞效應，影響相互疊加，故而有45.0%左右的沉降量在各個導洞開挖的工況下產(chǎn)生；扣拱工況中需要先開挖上部導洞間的土體然后扣拱形成整體支護體系，開挖上部導洞間的土體的過程中由于距離地下人行通道較近，開挖范圍較大，對地下人行通道產(chǎn)生了較大擾動，產(chǎn)生了單個工況下的最大沉降量，約占34.5%；在開挖土體工況中，由于整體支護結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成，開挖產(chǎn)生的擾動較小，故僅產(chǎn)生了20%左右的沉降量。

底板位置設置有3個監(jiān)測點，將其沉降值監(jiān)測結(jié)果見圖8。

圖8　不同工況底板監(jiān)測點沉降圖Fig.8 Settlement curve of monitoring sites at bottom position in different construction steps

通過圖8可以看出，在本次模擬中，底板位置也出現(xiàn)了一定的不均勻沉降，其規(guī)律與頂板相似，本次開挖循環(huán)中，H點的最終沉降值在3個測點中最大，為2.6mm，同時整個開挖循環(huán)過程中H點的沉降量增加值也最大，為0.9mm；相應G點最終沉降量為2.2mm，沉降量增加值為0.8mm；F點的最終沉降量為2.1mm，沉降量增加值為0.8mm。

底板位置由上中部導洞開挖引起的沉降量約占總沉降的11.2%，下中部導洞開挖引起的沉降量約占總沉降的26.9%，兩側(cè)小導洞開挖引起的沉降量約占總沉降的10.7%，在扣拱工況時產(chǎn)生的沉降值最大，占總沉降的34.3%，開挖土體引起的沉降量約占總沉降的16.9%。造成這種沉降量分布規(guī)律的主要原因與頂板類似。

對于側(cè)墻位置的2個監(jiān)測點D和E，主要監(jiān)測其水平位移值，監(jiān)測結(jié)果如圖9所示。

圖9　不同工況側(cè)墻監(jiān)測點水平位移圖Fig.9 Horizontal displacement curve of monitoringsites at lateral wall position in different constru-ction steps

通過圖9可以看出，E和D2點的水平位移有一定的差值，最大的差值大約為0.13mm。對于E監(jiān)測點，在上中部導洞開挖、下中部導洞開挖、兩側(cè)小導洞開挖3個工況時，水平位移基本保持不變，只有極少的增加量，在扣拱工況時水平位移才產(chǎn)生了一個相對較大的增加量，約為0.02mm，約占總體水平位移的63.3%，在之后的開挖土體工況中，水平位移又基本保持不變。對于D監(jiān)測點，在上中部導洞開挖、下中部導洞開挖工況中，水平位移變化規(guī)律基本表現(xiàn)為單調(diào)增加，在兩側(cè)導洞開挖工況中，表現(xiàn)為先增后減，在扣拱工況中，水平位移產(chǎn)生了一個相對明顯的增加量，約為0.05mm，約占總體水平位移的49.3%，在之后的開挖土體工況中，水平位移又基本保持不變。水平位移值較小的原因主要分析為地下人行通道埋深不大，側(cè)土壓力較小，同時由于有整體支護結(jié)構(gòu)存在，施工過程中側(cè)土壓力變化值較小，側(cè)墻水平位移主要由不均勻沉降引起，故水平位移值一直保持較小。

3.2橫斷面計算結(jié)果內(nèi)力分析

為了避免邊界效應的影響，內(nèi)力分析的典型斷面選取為30m處橫斷面，主要分析橫斷面內(nèi)各個開挖工況對于地下通道監(jiān)測點內(nèi)力值的影響，以期獲橫斷面內(nèi)洞樁法開挖對任一地下通道橫斷面的內(nèi)力影響規(guī)律。

各個監(jiān)測點彎矩計算結(jié)果如圖10所示，彎矩值以內(nèi)側(cè)受拉為正。

圖10　不同工況監(jiān)測點彎矩圖Fig.10 Moments of monitoring sites in different co-nstruction steps

通過圖10可以看出，下中部導洞開挖工況和扣拱工況對各個監(jiān)測點彎矩值的影響最大。底板位置F，G和H3個監(jiān)測點彎矩值變化最大，且變化規(guī)律基本一致，主要在下中部導洞開挖工況和扣拱工況產(chǎn)生了外側(cè)受拉的彎矩，從彎矩數(shù)值上表現(xiàn)為減小，其中底板中G點彎矩值減小最多，整體開挖過程中由8.0kN·m減少至1.1kN·m，其中下中部導洞開挖工況和扣拱工況引起的彎矩值減小約占總減少量的95.3%，其主要原因分析為下中部導洞開挖工況和扣拱工況開挖范圍較大，底板位置圍巖有一定的沉降趨勢，故而引起底板處產(chǎn)生外側(cè)受拉彎矩。頂板位置監(jiān)測點受底板變形以及其內(nèi)力變化的影響，產(chǎn)生了內(nèi)側(cè)受拉的彎矩，頂板最大彎矩變化值約為3.5kN·m。側(cè)墻位置監(jiān)測點離底板下部圍巖有一定距離，受到影響較小，彎矩值基本比較穩(wěn)定。

各個監(jiān)測點軸力計算結(jié)果如圖11所示。

通過圖11可以看出，各個監(jiān)測點軸力值受下中部導洞開挖工況和扣拱工況影響最大。其中底板位置F，G和H3個監(jiān)測點軸力值變化最大，在導洞開挖過程中軸向壓力基本保持增長趨勢，在扣拱工況中，由于不均勻沉降等因素影響，F(xiàn)和G監(jiān)測點軸向壓力保持增加，但H監(jiān)測軸向壓力降低，其原因主要分析為H點位置處圍巖產(chǎn)生的位移更大，應力相對釋放更充分。最大軸向壓力變化值出現(xiàn)在G點位置，約為41.2kN，其中下中部導洞開挖工況和扣拱工況產(chǎn)生的軸力變化量約占總量的73.8%。頂板各監(jiān)測點軸力數(shù)值較小，變化幅度較小，軸向壓力基本保持增長趨勢，最大軸向壓力變化量為21.5kN。在整個開挖過程中，側(cè)墻位置監(jiān)測點D和E軸向壓力基本保持減少的趨勢，其中下中部導洞開挖工況和扣拱工況產(chǎn)生的軸力變化量占總量的80%左右，扣拱完成后，監(jiān)測點D和E產(chǎn)生了一定的軸向拉力，其原因主要分析為由于地下通道上部及兩側(cè)圍巖對結(jié)構(gòu)有一定約束作用，使頂板沉降值略小于底板，故在側(cè)墻位置產(chǎn)生了一定受拉趨勢。

各個監(jiān)測點剪力計算結(jié)果圖見圖12。

圖11　不同工況監(jiān)測點軸力圖Fig.11 Axial force of monitoring sites in differentconstruction steps

圖12　不同工況監(jiān)測點剪力圖Fig.12 Shear force of monitoring sites in differentconstruction steps

通過圖12可以看出，下中部導洞開挖工況和扣拱工況對各個監(jiān)測點剪力值的影響最大。從數(shù)值上來看，底板位置的監(jiān)測點剪力基本保持正向增長趨勢，頂板位置的監(jiān)測點基本保持負向增長趨勢，而側(cè)墻位置的監(jiān)測點剪力變化較小。剪力值變化較大的監(jiān)測點為底板位置的G和H監(jiān)測點和頂板位置的C監(jiān)測點，產(chǎn)生這種情況的原因主要分析為結(jié)構(gòu)不均勻沉降規(guī)律為沉降值從左到右逐漸增大，各工況引起的頂板和底板位置右側(cè)的結(jié)構(gòu)變形(主要是沉降)較大，對結(jié)構(gòu)剪力影響也較大，故主要在靠近右側(cè)的監(jiān)測點剪力值變化較大。G和H監(jiān)測點剪力變化值分別為18.3kN與35.5kN，其中下中部導洞開挖工況和扣拱工況產(chǎn)生的剪力變化量約占總量的90%以上，C監(jiān)測點剪力變化值為11.3kN，其中下中部導洞開挖工況和扣拱工況產(chǎn)生的剪力變化量約占總量的96.2%。其他監(jiān)測點剪力變化幅度較小，剪力值基本比較穩(wěn)定。

4結(jié)論

1)從地下通道橫斷面上的豎向位移結(jié)果分析可以得知，導洞開挖產(chǎn)生的沉降量約占沉降總量的50%，而扣拱產(chǎn)生的沉降量約占沉降總量的35%，土體開挖的沉降量約占沉降總量的15%。

2)從地下通道橫斷面上的水平位移結(jié)果分析可以得知，導洞開挖對側(cè)墻水平位移影響不大，而扣拱工況則對側(cè)墻水平位移有較大影響，約占水平位移總量50%，土體開挖工況基本不對水平位移產(chǎn)生影響。

3)從地下通道橫斷面上的內(nèi)力結(jié)果分析可以得知，中部導洞開挖工況和扣拱工況對結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響十分明顯，其產(chǎn)生的內(nèi)力變化量基本占總變化量的70%以上，同時底板位置受施工影響最大，其內(nèi)力變化較為明顯。

4)從數(shù)值上看，位移值、內(nèi)力變化值普遍較小，說明采用洞樁法施工的安全及穩(wěn)定性較好，能夠較好的保護臨近建筑物，與文獻[15]中的結(jié)論一致。

5)由于地下通道位置并不在車站中線位置，開挖會產(chǎn)生一定的不均勻沉降，其規(guī)律為距離車站中線越近的監(jiān)測點具有越大的沉降量。

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Influence of Subway station mined in shallow stratum with cavern-pile method on existing underpass

CHEN Xi, GAO Bo, SHEN Yusheng, HOU Xufeng

(MOEKeyLaboratoryofTransportationTunnelEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

Abstract:Relying on the project at the subway station of BaLou in Urumqi, Xinjiang, this paper analyzed the influence of subway station mined in shallow stratum with PBA method on existing underpass. The cavern-pile construction procedure was simulated using FLAC3Dnumerical analysis software to study the variations of internal force value and displacement in underpass during the construction. The variations of sedimentation and horizontal displacement in underpass under each condition of the cross sections were analyzed, and the proportions of sedimentation and horizontal displacement of each condition were concluded. The change rules of internal force values in underpass under each condition of the cross sections were obtained. Finally, the conditions that influence internal force the most and their occurrences were identified. The results show that the cavern-pile method has a better safety and stability and thus can protect the surrounding buildings. The finding in this paper can also provide useful reference for similar construction projects using the cavern-pile method.

Key words：cavern-pile method; underpass; subway station; adjacent construction

收稿日期：2015-11-21

通訊作者：高波(1959-)，男，黑龍江雞西人，教授，從事隧道及地下工程研究；E-mail：progaobo@swjtu.edu.cn

中圖分類號：U231+.3

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)05-0950-08