超淺埋地鐵車站PBA施工步序對地表沉降的影響研究

摘要：利用數值模擬和現場監測方法，對超淺埋地鐵車站PBA施工步序所引起的地表沉降問題進行研究。結果表明：導洞開挖梁柱體系施工、車站拱頂二次扣拱施工、主體結構施工引起的地表沉降變形量，分別占總沉降變形量的49.4%、14.7%、21.6%和14.3%;鑒于上層導洞開挖引起的地表沉降明顯小于下層導洞開挖引起的地表沉降值，先施工下層導洞，再施工上層導洞，先對中間導洞進行開挖，再對兩側導洞進行開挖為最佳PBA導洞施工方案;地表沉降變形可劃分為緩慢沉降變形、注漿抬升、快速沉降變形以及穩定沉降變形四個階段，地表的最大沉降值發生在中間導洞附近所對應的地表處，且向車站兩邊逐漸減小，現場監測結果與數值模擬結果基本一致。

關鍵詞：超淺埋地鐵車站;PBA工法;數值模擬;現場監測;地表沉降變形

1" "工程概況

北京地鐵M3和M14號線的換乘站朝陽公園站為島式車站，車站頂部覆土厚度不足10m，車站全長295.7m，標準寬度為23.1m。車站主體結構采用地下兩層直墻三連拱結構，一共設置出入口通道3個，安全出口1個，緊急疏散口1個，風道2個，換乘車道3個。車站附近人流量大，建筑物密集，地表交通線路和地下市政管線分布錯綜復雜，因此決定采用PBA逆筑施工工法進行車站暗挖施工。

根據現場地質勘察，車站所在地層從上往下依次為人工填土層和一般第四紀沖洪積層，三層段上層導洞主要位于黏土層中，仰拱主要位于粉細砂層中，二層段導洞主要位于粉細砂層和粉質黏土層中，圓拱主要位于圓礫卵石中，下層導洞主要位于粉細砂層、粉質黏土層、細中砂層中，仰拱主要位于細中砂層。

地下水主要為潛水和層間水，潛水層穩定水位絕對標高19.33～20.31m，含水層厚度0.9～10.7m，層間水穩定水位絕對標高12.1～12.9m，含水層厚度為6.7～12.9m。朝陽公園站BIM三維圖見圖1。

2" "數值模型建立

2.1" "模型假定及簡化

在施工之前，采用MIDAS/GTS NX有限元軟件對車站主體施工進行地表沉降分析。為便于數值計算，做出如下假設：車站周圍土體均為均質各向同性的理想彈塑性體材料，不考慮各土層之間軟弱結構面引起的不連續性;不考慮彈塑性土體在變形過程中的時間效應;僅考慮施工過程中引起的沉降變形，不考慮施工前后因重力或者固結沉降產生的變形;不考慮施工過程中出現的活荷載或者振動荷載[1-2]。

在模擬分析過程中，通過改變材料屬性（彈性模量）來模擬注漿加固過程，同時將采用二維板單元彈性材料來模擬邊樁及樁間加固的初期支護，利用一維梁單元彈性材料來模擬中部導洞間施作的鋼管柱，采用“鈍化”命令來實現土體開挖、拆除部分導洞初期支護等工序，采用板單元來模擬襯砌過程。

2.2" "模型計算范圍及邊界條件

車站結構頂拱上部覆土厚度最薄處僅為9.65m，取車站底部往下5倍小導洞洞徑（約23.5m）為計算邊界，因此整個模型高度為9.65m+23.5m+16.85m=50m;取車站左右各2倍寬度為計算長度，故模型總長度為27.4m×5=137m;模型寬度取21m。建立的有限元分析模型見圖2。

2.3" "模型參數設置

根據地質勘察報告，對車站附近相似土層進行合并，將土體簡化為7層，從上往下依次為：雜填土、粉質黏土、粉細砂、圓礫卵石、黏土、細中沙、圓礫卵石，各土層的物理力學參數見表1。同時根據施工經驗，對車站主體結構進行參數設置，見表2。

2.4" "PBA施工步序工況設計

本車站為于雙柱三跨雙層結構，共包括上下兩層8個導洞，在設計PBA施工步序工況之前，需要對導洞進行編號，按照從上往下，從左往右的原則，對8個導洞進行編號，結果見圖3。為綜合考慮導洞開挖施工順序對地表沉降的影響，分別提出6種導洞開挖方案。

方案1：先施工上層導洞，再施工下層導洞，間隔施工，導洞開挖順序為1→3→2→4→5→7→6→8。

方案2：先施工上層導洞，再施工下層導洞，先施工兩側導洞，再施工中間導洞，導洞開挖順序為1→4→2→3→5→8→6→7。

方案3：先施工上層導洞，再施工下層導洞，先對中間導洞進行開挖，再對兩側導洞進行開挖，導洞開挖順序為2→3→1→4→6→7→5→8。

方案4：先施工下層導洞，再施工上層導洞，間隔施工，導洞開挖順序為5→7→6→8→1→3→2→4。

方案5：先施工下層導洞，再施工上層導洞，先施工兩側導洞，再施工中間導洞，導洞開挖順序為5→8→6→7→1→4→2→3。

方案6：先施工下層導洞，再施工上層導洞，先對中間導洞進行開挖，再對兩側導洞進行開挖，導洞開挖順序為6→7→5→8→2→3→1→4。

3" "模擬結果分析

不考慮各導洞之間開挖施工的相互影響，分別對不同方案下各導洞施工后引起的地表沉降情況進行模擬，結果見表3。

從表3中可以看到：雖然導洞施工工序不同，但各導洞分別開挖引起的地表沉降變化卻有著相似的規律。在各施工方案中，不管是先開挖上層導洞，還是先開挖下層導洞，亦或是改變同層導洞的開挖施工順序，導洞6和導洞7開挖引起的地表沉降量最大，兩個導洞開挖引起的沉降占到總沉降的60%。其次為導洞1，對地表沉降沉降影響最小的為導洞2和導洞3開挖，兩個導洞所引起的地表沉降僅占總沉降的6%。

上下兩層導洞開挖施工完成后，方案1至6的地表沉降分別為21.52mm、21.76mm、21.28mm、21.04mm 、21.24mm和20.84mm，先開挖下層導洞的地表沉降值略小于先開挖上層導洞的地表沉降值，但總體來講相差不大，由此可見，導洞開挖步序對地表沉降的影響較小。

為進一步分析不同施工工序工后沉降是否滿足規范要求，對6種施工步序下地鐵車站主體結構完工后的總沉降進行了模擬分析，結果見圖4。從圖4中可以看到：上層導洞開挖引起的地表沉降明顯小于下層導洞開挖引起的地表沉降值。全部導洞開挖完成后，地表沉降值約為21mm，而上層導洞開挖引起的沉降值約為5.5mm，下層導洞開挖引起的地表沉降值約為15.5mm，占比分別占26.2%和73.8%。

6種施工步序下，梁柱體系施工、扣拱施工一節主體結構施工三個階段引起的地表沉降基本相等。主體結構完成后，6種方案引起的地表沉降值也基本相等，約為43～44mm。導洞開挖引起的地表沉降占到總沉降的49.4%，梁柱體系施工引起的地表沉降占到總沉降的14.7%，車站拱頂二次扣拱施工引起的地表沉降占到總沉降的21.6%，主體結構施工引起的地表沉降占到總沉降的14.3%。

根據上述分析可知：雖然不同導洞開挖步序對地表沉降影響不大，但總體而言，先開挖下層導洞再開挖上層導洞所引起的地表沉降略小，同時先開挖下層導洞的施工安全性也更高，因此最終決定采用方案6對車站進行開挖施工。

4" "現場施工監測結果

4.1" "現場檢測點布設

為了實時掌握車站開挖過程中的地表沉降情況，通過監測數據對支護結構和周圍環境狀態進行跟蹤分析，及時采取措施消除安全隱患，確保車站主體施工安全。沿導洞開挖方向橫向布置了4排測點，每排包括5個監測點，監測點布置示意見圖5。

4.2" "縱向變形監測結果

監測得到的4排監測點的縱向變形曲線特征見圖6。按照所監測到的地表縱向變形速率情況，將地表縱向變形劃分為緩慢沉降變形、注漿抬升、快速沉降變形以及穩定沉降變形四個階段。導洞剛開挖階段，未開挖部分僅是呈現緩慢沉降的變形趨勢。在注漿施工階段，由于注漿壓力的影響[3-4]，導致地表會出現輕微隆起抬升變形。當導洞開挖至監測點后，縱向變形突然加快，當導洞開挖至遠離監測點后一段時間，地表沉降變形基本達到穩定狀態。

從20個監測點的監測結果可以看出：當導洞開挖完成變形穩定后，地表縱向變形一般為20～25mm，這與上文數值模擬結果基本一致，地表最大沉降僅為25mm，遠小于安全控制值小于60mm的變形要求。由此可見，采用方案6+注漿施工對于控制地表沉降具有一定的積極作用。

4.3" "橫向變形監測結果

不同監測點的橫向變形監測結果見圖7。從圖7中可以看出：不同監測點的橫向變形變化趨勢有所差異，監測點11和17比較符合Peck槽的變形規律，最大沉降變形量分別為23mm和20.51mm。監測點13和15的變形有點差異。

針對監測點13和15的變形有些差異分析原因如下：在導洞施工過程中，為了防止地表沉降變形過大，會預先對地層進行逐漸加固。但注漿加固效果具有不確定性，漿液的隨機擴散性和注入量都會影響注漿效果，導致深孔注漿效果較差，為此13-5和15-5地表出現較大沉降，從而未能呈現Peck沉降槽變形規律。監測點13和監測點15的最大沉降變形分別為22.42mm和27.25mm。從整體上來講，地表的最大沉降值發生在中間導洞附近所對應的地表處，且向車站兩邊逐漸減小[5-6]。

5" "結語

本文以朝陽公園地鐵站車站暗挖施工過程為例，采用數值模擬和現場監測方式，對超淺埋地鐵車站PBA施工步序所引起的地表沉降變形進行分析，得出如下結論：

導洞開挖階段是引發地表沉降的主要因素，占到總沉降量的49.4%，梁柱體系施工、車站拱頂二次扣拱施工、主體結構施工引起的地表沉降分別占比為14.7%、21.6%和14.3%;上層導洞開挖引起的地表沉降明顯小于下層導洞開挖引起的地表沉降值，占比分別為26.2%和73.8%。

先開挖下層導洞再開挖上層導洞所引起的地表沉降略小，綜合各種因素，決定先施工下層導洞，再施工上層導洞，先對中間導洞進行開挖，再對兩側導洞進行開挖，導洞開挖順序為6→7→5→8→2→3→1→4。

根據監測結果，將地表沉降劃分為緩慢沉降變形、注漿抬升、快速沉降變形以及穩定沉降變形四個階段，監測所得沉降變形量與數值模擬結果基本一致。在小導洞開挖施工過程中所引起的地表沉降最大值約為27mm，遠小于安全控制值60mm。

參考文獻

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