超大斷面地鐵車站洞樁法施工穩定性分析

唐 雄，熊志富，唐賢金，陳壽根

(1.中鐵二局第四工程有限公司，四川 成都 610031;2.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031)

1 研究背景

廣州市軌道交通十一號線呈環形線路，線路經由天河區、白云區、越秀區、荔灣區和海珠區，線路全長44.2 km，全部采用地下敷設方式，全線共設32座車站。流花路站為地下兩層(高19.6 m、寬30 m)雙柱島式車站，車站全長696.55 m，標準段寬為26.15 m，隧道埋深20.4 m，總建筑面積41 674 m2。車站由主體隧道和配線段組成，如圖1所示。其中主體隧道主要位于中/微風化泥質砂巖層，開挖跨度達30.399 m，最大開挖斷面面積達554.9 m3，采用洞樁法施工。

圖1 流花路站三維立體示意圖(單位：m)

洞樁法又稱PBA(Pile Beam Arch)工法，以對地層不產生大的擾動為目標，通過多個分離小導洞和樁、梁相結合在地下形成樁、柱和梁聯合受力的框架支護體系，并在其支護體系的保護下開挖站廳層和站臺層與后續的城市地鐵車站結構施工[1-5]。PBA 法首次應用于北京地鐵1號線天安門西站的施工中，隨后在北京地鐵復八線天安門西站，北京地鐵10 號線，北京地鐵4 號線海淀黃莊站、沈陽地鐵1 號線的青年大街站得到推廣應用。地鐵車站主要有三拱雙柱雙層式，雙拱單柱雙層式和單拱無柱雙層式三種結構型式。流花路站主體段采用三拱雙柱雙層式結構，見圖2所示。本文以廣州市軌道交通十一號線流花路站超大斷面隧道施工為研究背景，采用數值模擬方法，對超大斷面地鐵車站洞樁法施工穩定性進行了分析，分析結果用于指導隧道設計和施工。

圖2 流花路站洞樁法施工隧道斷面(單位：mm)

2 車站主體洞樁法施工過程

車站主體部分洞樁法施工步驟主要包括：①施工小導洞，先在車站大斷面上部沿縱向開挖4個小導洞，小導洞完成后在洞內采用人工及機械成孔施做邊樁及中柱，施做邊樁冠梁，架立邊導洞內主拱的格柵鋼架，并按要求支護；②施工頂縱梁結構，并預留主拱二襯的鋼筋接頭，敷設防水層，回填縱梁上的空間；③開挖主拱土體，施做主拱初期支護；④逐段拆除小導洞邊墻，鋪設防水層，立模澆筑主拱二襯；⑤向下開挖土體至負一層中板底下1.5 m位置，并及時支護，敷設側墻防水層，施做負一層中板、邊樁冠梁；⑥向下開挖土體至基底位置，施做側墻系統錨桿、噴射混凝土、鋪設防水層，澆筑邊樁冠梁、底板、下層側墻；⑦再施做下一層側墻，施做內部結構。

3 洞樁法施工全過程的數值模擬

采用FLAC 3D有限差分通用程序對地鐵隧道與既有鐵路橋之間的相互影響進行全過程三維有限元數值模擬分析。

3.1 計算模型和計算參數

根據實際開挖情況模擬隧道開挖全過程。考慮到計算模型的邊界效應影響，計算模型尺寸取120 m×30 m×90 m(長×寬×高)。采用實體單元模擬土體、超前加固區、回填混凝土和二次襯砌及樁基，平面板單元模擬初期支護，用植入式桁架模擬砂漿錨桿和鋼管柱。四個開挖導洞為5 m×5.5 m，系統錨桿長3 m，間距2 m，小導管和大管棚加固區簡化成注漿加固圈，厚度為1 m，主要位于車站頂部及導洞兩側，計算模型如圖3所示。模型上表面為地表，為自由邊界，無約束。左右及前后側面為相應垂直該面的水平約束(即左右邊界：x方向水平約束Ux=0；前后邊界：y方向水平約束Uy=0)，模型底面為固定邊界(z方向豎直方向約束Uz=0)。

流花路站工程范圍內地形略有起伏，根據車站詳勘資料，勘探場地在地貌上屬沖洪積平原，地層以第四紀沖積、洪積土層為主。車站結構頂拱主要位于粉質黏土層中，該地層無不良地質作用。錨桿、小導管及超前注漿通過加強土體參數的方式實現。圍巖和混凝土采用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型模擬，計算參數見表1。

(a)模型整體

表1 材料的力學性能參數

3.2 計算結果及分析

計算模擬如第2節所述的洞樁法施工全過程，循環進尺為1 m。開挖完成后，數值模擬位移云圖見圖4所示，從圖中可以看出，車站頂部下沉最大值為1.95 cm，底部上浮最大值為1.39 cm，滿足城市隆沉標準(±30 mm)的相關要求。最大主應力云圖見圖5所示，從圖中可以看出，最大應力為12.5 MPa。滿足C40混凝土的容許應力12.7 MPa(C40)要求，表明隧道支護結構安全，設計合理。

圖4 豎向位移云圖

圖5 最大主應力云圖

4 結 論

通過本項工作，可以得出如下結論：①洞樁法通過多個分離小導洞和樁、梁相結合在地下形成樁、柱和梁聯合受力的框架支護體系，并在其支護體系的保護下開挖站廳層和站臺層與后續的城市地鐵車站結構施工，對大斷面城市地鐵施工非常有效；②計算結果表明隧道支護結構安全，設計合理。

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