暗挖車站洞內地下連續墻施工地層效應分析

薛洪松， 朱雅倩， 張志紅， 姚愛軍， 劉希勝， 杜昌隆

(1.北京建工集團有限責任公司， 北京 100055； 2.北京工業大學， 城市與工程安全減災教育部重點實驗室， 北京 100124)

隨著中國城市化進程的不斷加快，城市地鐵建設得以迅猛發展，地鐵工程建設中車站開挖大面積抽降水作業與國家保護地下水資源政策的矛盾日益突出，亟需尋求適用于暗挖地鐵車站的非降水施工方式。地下連續墻因具有截水、防滲、承重、擋水等功能，被廣泛應用于富水地層工程建設中[1]。地下連續墻的開挖施作會對周圍土體產生擾動，進而引起周圍土體變形，從而導致周圍鄰近建(構)筑物的損傷。近年來，已有不少學者對地下連續墻施工環境響應問題進行了研究分析。姚燕明等[2]以寧波某基坑支護工程為依托，通過三維有限元軟件模擬了地下連續墻成槽過程，得出了地下連續墻槽壁變形和地表沉降規律，進一步為地表沉降控制提供了有益建議。谷淡平等[3]以某地下連續墻支護工程為依托，通過FLAC3D軟件對地下連續墻墻頂沉降、墻頂水平位移和地表沉降等變形特征進行了分析，得出了地下連續墻墻底失穩機理及影響墻體變形的主要因素。王利軍等[4]基于實際工程概況，對基坑開挖支護過程進行了數值模擬，分析了地表沉降、地下連續墻變形和鄰近隧道變形規律。得出地下連續墻距離鄰近隧道小于20 m時，引起的鄰近隧道變形效應最為顯著。汪紹鳳等[5]以合肥某基坑工程為背景，從地下連續墻水平位移和周邊地表、建筑物、管線等變形分析了地下連續墻支護結構施工誘發的環境效應，進而為類似工程提供借鑒經驗。王占生等[6]通過對蘇州地鐵29個采用地下連續墻支護基坑工程實測資料進行統計分析，得出了車站基坑圍護結構和地表沉降的變形特征。邱明明等[7]以某車站地下連續墻深基坑工程為依托，通過數值模擬與現場實測方法研究降水滲流作用下地下連續墻深基坑施工變形性狀及其影響因素。裴堯堯[8]通過對地下連續墻成槽施工過程引起環境效應進行一系列系統的研究，定量分析出地下連續墻成槽施工過程中周圍土體的變形。進一步確定了泥漿參數的取值并為后續施工提供指導意義。在地下連續墻施工過程中，合理選擇工程、地層和環境條件是順利施工的重要因素，其中適宜的地層條件選擇尤為關鍵。已有研究多是針對某一具體工程開展現場監測和數值模擬，缺乏地下連續墻施工對地層條件適宜性的相關探討。

北京市位于華北平原的西北緣，受構造運動的影響，地質條件多樣，地層交錯復雜，地層分布主要為西部砂卵石地層，東部砂卵石、黏性土互層地層及東北部黏性土地層。北京地鐵16號線在施暗挖車站——看丹站，車站主體主要位于砂卵石地層，該車站首次嘗試以導洞內地下連續墻替換傳統邊樁施工的方式，以期達到承載和止水的雙重目的[9]。雖然施作的試驗段取得了較好的效果，但北京地區地層條件復雜，局促低矮空間內的洞內地連墻施工能否大范圍順利推廣實施仍存在爭議。依托北京地鐵16號線看丹站工程，結合首都機場西沿線北新橋站和北京地鐵7號線廣渠門外站工程地質情況，對邊導洞內地下連續墻施工過程進行數值模擬，深入分析北京地區砂卵石、粉質黏土和砂卵石-粉質黏土互層三種典型地層條件下洞內地下連續墻施工誘發的環境響應，明確洞內地下連續墻施工工法的地層適用性，為該工法推廣和應用奠定基礎。

1 設計工況

1.1 依托工程

依托北京地鐵16號線看丹站工程，該車站位于富豐橋站到榆樹莊站之間，工程所在位置如圖1所示。看丹站位于看丹南路和看楊路交叉路口處，車站沿看丹南路呈東西向布置，跨路口設置。

圖1 工程位置Fig.1 Engineering location

看丹站總長271.2 m，有效站臺中心里程右K20+698.600，車站有效站臺中心處軌面高程29.15 m。看丹站為雙層三跨島式車站，車站有效站臺寬12 m，結構寬21.3 m，高16.04 m，拱頂覆土約7.2 m。采用PBA(pile-beam-arc)工法施工，考慮地下水控制的要求，將邊樁優化成地下連續墻作為止水帷幕。

1.2 典型場地地質條件

根據本文的研究目標，選擇看丹站、北新橋站、和廣渠門外站三個場地地層條件為研究對象，具體的地質條件如下。

(1)看丹站。看丹站底板埋深約為23.6 m，車站主體主要位于砂卵石地層，開挖深度范圍內地層由上至下依此為雜填土①層、粉質粉土素填土①3層、細砂～粉砂②1層、圓礫～卵石②層、卵石③層、卵石④層、卵石⑤層、黏土巖⑦層。勘察地下水位穩定標高28.5 m左右，埋深約22 m(現狀地下水位穩定標高約29.5 m，埋深約21 m)。車站底板標高27.5～26.8 m，埋深23.5～24.1 m，車站底板進入地下水2.6～3.1 m。如圖2所示。

圖2 看丹站地層及地下水分布Fig.2 Kandan station stratum and groundwater distribution

(2)北新橋車站。北新橋車站主體主要位于砂卵石-粉質黏土互層地層，開挖深度范圍內主要包括以下土層：雜填土①層、粉質黏土③1層、中粗砂④4層、圓卵礫石⑤層、粉質黏土⑥層、卵石⑦層、粉質黏土⑧層、卵石⑨層、粉質黏土⑩層、卵石層。

(3)廣渠門外站。廣渠門外車站主體主要位于粉質黏土地層，開挖深度范圍內主要包括以下土層：雜填土①層、粉細砂③3層、粉質黏土③1層、粉細砂④4層、圓礫-卵石⑤層、粉質黏土⑥層、中粗砂⑦1層、⑧1黏土層。

2 數值模型

2.1 模型建立

為研究北京地區三種典型地層條件下PBA工法導洞內地下連續墻施工對周圍環境的影響，模型圍繞導洞開挖、支護與地下連續墻施作這兩個施工階段建模,本模型沒有考慮地下水的影響。采用MIDAS/GTS NX軟件建立三維數值模型，看丹站砂卵石地層模型寬度設為80 m，約為4倍的車站跨徑，高度為50 m，沿車站縱向長度為40 m，滿足忽略邊界效應的要求。模型前后左右及下部邊界均加法向約束，上部地表為自由邊界。導洞及地下連續墻部分網格剖分如圖3所示。三種地層條件下模型網格剖分如圖4所示。

圖3 支護結構網格剖分Fig.3 Mesh generation of support structure

圖4 整體模型網格剖分Fig.4 Mesh generation of the whole model

2.2 模型參數

修正Mohr Coulomb本構模型可以分別設定土體的加、卸載模量，能有效地控制大斷面土體開挖時由于應力釋放引起的回彈隆起現象[10-11]，故本文中選用修正Mohr Coulomb本構模型模擬地基土體，以實體單元建立。三種地層條件下，模型參數根據巖土工程勘察報告數據取值，見表1～表3。導洞初支襯砌和地下連續墻采用彈性本構模型；注漿土體采用Mohr Coulomb本構模型。支護結構參數見表4。

表1 砂卵石地層-巖土物理力學參數值表Table 1 Sandy cobble stratum-physical-mechanical parameters of rock and soil

表2 砂卵石-粉質黏土地層-巖土物理力學參數值表Table 2 Sandy cobble-silty clay stratum-physical-mechanical parameters of rock and soil

表3 粉質黏土地層巖土物理力學參數值表Table 3 Silty clay stratum-physical-mechanical parameters of rock and soil

表4 支護結構物理力學參數Table 4 Physical and mechanical parameters of model structure

2.3 施工工序

地鐵暗挖車站地下連續墻施工工序主要分為導洞開挖、初期支護和地下連續墻施作。在導洞開挖過程中，相鄰導洞斷面開挖距離不小于10 m，導洞開挖進尺設為1 m；開挖前注漿加固，每開挖完成1個進尺后即施作初期支護。導洞具體開挖順序如下。

(1)左右側導洞開挖0～10 m。

(2)左側導洞開挖11～20 m，中導洞開挖0～10 m。

(3)右側導洞開挖11～20 m，左側導洞開挖21～30 m。

(4)中導洞開挖11～20 m，右側導洞開挖21～30 m。

(5)左側導洞開挖31～40 m，中導洞開挖21～30 m。

(6)右側導洞開挖31～40 m。

(7)中導洞開挖31～40 m。

實際地下連續墻采用跳槽(跳三打一)施工，先施作右側地下連續墻后施作左側地下連續墻，地下連續墻施工幅(槽)段劃分如圖5所示。據此，表5列出了數值模擬中單側地下連續墻施工過程。計算分析中，地下連續墻處土體開挖通過程序內置的空單元實現，它通常用來表示被移除或開挖掉的材料，但相應的網格仍保留在原處。空單元區域的應力為零，在這些區域中沒有重力作用。地下連續墻的施作是使相應位置處的空單元模型重新賦予相關材料的屬性，實現單元的“生”。

圖5 地下連續墻施工幅(槽)段劃分Fig.5 Dividing the construction amplitude (groove) section

表5 導洞內地下連續墻施工工序

2.4 模型驗證

選取看丹站砂卵石地層車站施工現場監測數據與模擬結果對比分析，看丹站車站施工沉降監測點平面布置如圖6所示，模型監測斷面如圖7所示。02、03、04斷面數值與監測地表沉降結果對比如圖8所示。數值模擬結果與監測結果對比差別不大，變形趨勢一致，表明所建立的數值模型正確、計算結果準確，可用于后續的研究。

圖6 沉降監測點平面布置圖Fig.6 Plan layout of settlement monitoring points

圖7 模型監測斷面Fig.7 Model monitoring section

圖8 基于數值與監測的地表沉降結果對比Fig.8 Comparisons between numerical results and monitoring results of surface settlement

3 地下連續墻施工誘發場地響應

3.1 地表沉降規律分析

圖9給出了三種地層條件下地下連續墻施工前后地表沉降曲線。由圖9可知，三種地層條件下，洞內地下連續墻施工前后地表沉降曲線都形成以車站中線為中心，呈明顯沉降槽形式對稱分布。地下連續墻施工后，粉質黏土地層地表沉降量最大，砂卵石-粉質黏土地層地表沉降量次之，砂卵石地層地表沉降量最小。

圖9 三種地層條件下地下連續墻施工前后地表沉降曲線Fig.9 Surface settlement curve of diaphragm wall before and after construction under three kinds of stratum conditions

圖10為三種地層條件下地下連續墻施作引起的附加地表沉降曲線。由圖10可知，三種地層條件下，由地下連續墻施工引起的地表沉降變化曲線呈W形，且W形曲線兩個最小峰值位于左右兩側導洞上方地表位置；地下連續墻施工完成后，砂卵石地層條件下地表最大沉降量增量為4.3 mm，約占砂卵石地層總沉降量的30%，砂卵石-粉質黏土地層條件下地表最大沉降量增量為6.5 mm，約占砂卵石地層總沉降量的43%，粉質黏土地層條件下地表最大沉降量增量為7.5 mm，約占砂卵石地層總沉降量的32%。三種地層條件下地下連續墻施工引起的地表沉降量增量大小排序為：砂卵石地層<砂卵石-粉質黏土地層<粉質黏土地層。

圖10 三種地層條件下地連墻施作附加地表沉降曲線Fig.10 Additional surface settlement curve of diaphragm wall under three kinds of stratum conditions

3.2 導洞初期支護拱頂沉降規律分析

圖11和圖12分別給出了三種地層條件下地下連續墻施工后左側和右側導洞初期支護豎向位移云圖。分析圖11可知，地下連續墻施工完成后，導洞初期支護產生豎向變形，初期支護拱頂部位表現為拱頂沉降變形。砂卵石地層條件下，導洞初期支護拱頂沉降較大區域沿導洞縱向開挖深度方向均勻分布[圖11(a)]。

圖11 地下連續墻施工后左側導洞初期支護豎向位移云圖Fig.11 Vertical displacement nephogram of initial support of left pilot tunnel after diaphragm wall construction

砂卵石-粉質黏土地層和粉質黏土地層條件下，導洞初期支護拱頂沉降范圍沿導洞縱向開挖深度方向邊緣呈波浪形分布，即地下連續墻的施作對導洞初期支護的變形影響更加明顯，且粉質黏土地層下導洞初期支護拱頂沉降范圍大于砂卵石地層和砂卵石-粉質黏土地層[如圖11(b)和圖11(c)所示]。分析圖12可知，地下連續墻施工完成后，右側導洞初期支護產生豎向變形與左側導洞初期支護豎向變形基本一致。相比于砂卵石地層，砂卵石-粉質黏土地層和粉質黏土地層條件下，地下連續墻的施作對導洞初期支護的變形影響更加明顯，且粉質黏土地層下導洞初期支護拱頂沉降范圍大于砂卵石地層和砂卵石-粉質黏土地層。

圖12 地下連續墻施工后右側導洞初期支護豎向位移云圖Fig.12 Vertical displacement nephogram of initial support of right pilot tunnel after diaphragm wall construction

圖13為三種地層條件下地下連續墻施作引起的左側和右側導洞附加拱頂沉降分布曲線。由圖13可知，砂卵石地層條件下，地連墻施作引起的導洞附加拱頂沉降沿導洞縱向開挖方向分布較為均勻，表現為附加拱頂沉降曲線兩端沉降略小于曲線中部沉降。左側導洞附加拱頂沉降量最大值約4.0 mm，右側導洞附加拱頂沉降量最大值約3.8 mm。砂卵石-粉質黏土地層和粉質黏土地層導洞附加拱頂沉降曲線兩端沉降略大于曲線中部沉降，左側導洞附加拱頂沉降量最大值分別為6.5 mm和8.0 mm，右側導洞附加拱頂沉降量最大值分別為6.4 mm和8.0 mm。其他條件相同情況下，不同地層條件下洞內地下連續墻施工引起的導洞拱頂沉降值大小排序為：砂卵石地層<砂卵石-粉質黏土地層<粉質黏土地層。

圖13 地連墻施作引起的導洞附加拱頂沉降Fig.13 Additional settlement of pilot tunnel vault caused by diaphragm wall construction

3.3 塑性應變分布規律分析

圖14給出了不同地層條件下地下連續墻施工完成后的土體塑性應變分布云圖。砂卵石地層條件下，地下連續墻施工完成后對周圍土體形成了不同程度的擾動，導洞部位塑性應變較大區域集中于導洞頂部和底腳位置，地下連續墻部位塑性應變較大區域集中于溝槽兩側，溝槽底部的塑性應變大于溝槽頂部的塑性應變。砂卵石-粉質黏土地層條件下，地下連續墻施工完成后，導洞部位主要分布地層為粉質黏土地層，周圍土體擾動比較明顯，塑性應變較大區域集中于導洞頂部和底腳位置且導洞側墻部位塑性應變區域貫通，地下連續墻部位塑性應變分布于地連墻溝槽兩側，塑性應變較大區域集中于第5和第7兩層粉質黏土地層處地下連續墻溝槽兩側，且向外延伸，溝槽底部的塑性應變大于溝槽上部的塑性應變。粉質黏土地層條件下，地下連續墻施工完成后，導洞部位塑性應變較大區域集中于導洞頂部和底腳位置，地下連續墻部位塑性應變區域分布于地下連續墻溝槽兩側，塑性應變較大區域集中于第6層和第8層粉質黏土地層處地連墻溝槽兩側，且向外延伸。

圖14 地連墻施工后圍巖塑性應變分布Fig.14 Plastic strain distribution of surrounding rock after diaphragm wall construction

對比三種典型地層條件下導洞內地下連續墻施工完成后圍巖塑性分布云圖，砂卵石地層條件下，洞內地下連續墻施工對周圍土體擾動最小，塑性應變分布范圍小且均勻，沿地下連續墻溝槽兩側呈條帶狀分布。砂卵石-粉質黏土地層和粉質黏土地層條件下，洞內地下連續墻施工對周圍土體擾動較大，且塑性應變分布范圍較大，且主要集中于粉質黏土層處地連墻溝槽兩側。基于北京地區三種典型地層條件工程背景下，基于洞內地下連續墻施工后對周圍土體擾動影響的考慮，PBA工法洞內地下連續墻宜選用在砂卵石地層施作。

4 結論

以北京地鐵16號線看丹站洞內施工地下連續墻為工程背景，結合首都機場西沿線北新橋站和北京地鐵7號線廣渠門外站工程地質情況，應用現場實測與數值模擬對比分析的方法，研究了北京地區三種典型地層條件下洞內地下連續墻施工對周圍環境的影響,得到如下結論。

(1)在施工步序、車站結構及埋深位置相同的情況下，砂卵石地層條件下洞內地下連續墻施作引起的地表沉降量最小，粉質黏土地層條件下洞內地下連續墻施作引起的地表沉降量最大。

(2)其他條件相同的情況下，洞內地下連續墻施工引起的導洞拱頂沉降值大小排序為：砂卵石地層<砂卵石-粉質黏土互層地層<粉質黏土地層。

(3)砂卵石地層條件下，地下連續墻施工完成后對周邊土體擾動較小，圍巖塑性應變沿地下連續墻均勻分布。砂卵石-粉質黏土地層和粉質黏土地層條件下，地下連續墻施工完成后對周圍土體擾動較大，圍巖塑性應變沿地下連續墻分布不均勻，較大區域集中于粉質黏土層地下連續墻溝槽外側。

(4)基于上述三種北京地區典型地層條件下，不考慮施工難度，PBA工法洞內地下連續墻施工在砂卵石地層的適用性較好。