淺埋暗挖法在地鐵施工中的應(yīng)用

摘要：以某地鐵車站主體為研究背景，對其施工時所產(chǎn)生的地表沉降進行分析。針對“PBA”工法施工時小導(dǎo)洞開挖所引起的地表沉降最大問題，決定對“PBA”工法進行優(yōu)化。應(yīng)錯開施工同層同側(cè)導(dǎo)洞，并采用對角的方式施工同層對側(cè)導(dǎo)洞，各導(dǎo)洞掌子面應(yīng)錯開約10m。研究表明，采用“先上后下、交錯施工”的方案對地層影響較小，所導(dǎo)致的沉降量較小。所得數(shù)值模擬和實測數(shù)據(jù)，可供后續(xù)類似項目參考。

關(guān)鍵詞：淺埋暗挖；PBA工法；地表沉降；數(shù)值模擬

0" "引言

隨著城市化進程不斷推進，地面空間越發(fā)擁擠，人們逐漸將目光投入地下空間，地鐵逐漸成為解決地面交通擁擠的首選方式[1]。在地鐵建設(shè)時，因不斷開挖地下土體，導(dǎo)致其周邊土體出現(xiàn)應(yīng)力重分布現(xiàn)象，從而引發(fā)地面沉降。若地表沉降值大于限值，將會引起地面塌陷，對周邊建筑的安全造成一定影響，并造成較大經(jīng)濟損失[2]。本文以某地鐵車站主體為研究對象，對其施工時所產(chǎn)生的地表沉降進行分析。針對“PBA”工法施工時小導(dǎo)洞開挖所引起的地表沉降最大問題，決定對“PBA”工法進行優(yōu)化處理。

1" "工程概況

本文以某地鐵車站主體作為研究對象。該車站主體長度約為275m，所用施工方法為淺埋暗挖“PBA”工法。從地質(zhì)勘探結(jié)果上看，該車站主體下部有上層滯水、潛水和承壓水，所處土層為粉質(zhì)黏土、中粗砂和圓礫卵石。施工區(qū)域內(nèi)的圍巖等級為VI級，施工對土體有較大的擾動，土體自穩(wěn)性能較差。施工時要減小開挖步距，提高施工速度，確保掌子面封閉成環(huán)。

2" "地表沉降分析

車站主體所布設(shè)的監(jiān)測點如圖1所示。本文以圖1中所示較為典型的6個測點作為研究對象。

2.1" " 分部小導(dǎo)洞開挖導(dǎo)致的地表沉降

一至三號導(dǎo)洞開挖引起的地表沉降曲線如圖2所示。從圖2可知，在施工一至三號小導(dǎo)洞時，因一號和三號導(dǎo)洞有較遠距離，導(dǎo)致地表出現(xiàn)“雙峰”沉降。在施工一號導(dǎo)洞時出現(xiàn)最大的地表累計沉降量，約為7mm。分析認(rèn)為，施工三號導(dǎo)洞擾動了一號導(dǎo)洞的土體，破壞了土體原有的結(jié)構(gòu)，因而產(chǎn)生一定的沉降。

二至四號導(dǎo)洞開挖引起的地表沉降曲線如圖3所示。從圖3可知，在施工二至四號導(dǎo)洞時，沉降曲線不斷偏移至車站主體結(jié)構(gòu)。因為導(dǎo)洞間距離較短，在“洞群效應(yīng)”的作用下，地表沉降不斷疊加，沉降槽從“雙峰”不斷過渡到“單峰”。產(chǎn)生最多地表沉降的位置是與主體結(jié)構(gòu)中線距離為-5.5m的位置，其值約為22.3mm。

施工下部導(dǎo)洞時，車站主體結(jié)構(gòu)中線上方地表出現(xiàn)最大沉降。先進行開挖的上部小導(dǎo)洞對沉降槽有較大的影響。后施工的下層導(dǎo)洞所導(dǎo)致的沉降槽，受到先施工導(dǎo)洞所引起的沉降槽的影響較大。背景項目在施工完8個臨時小導(dǎo)洞的支護之后，地表呈現(xiàn)出U形的沉降槽，左右邊導(dǎo)洞間的地層出現(xiàn)最大沉降量。車站主體結(jié)構(gòu)中線位置的地表豎向沉降最多，約為64.40mm。在四導(dǎo)洞施工后所產(chǎn)生的群洞效應(yīng)，使得沉降不斷增加，導(dǎo)致洞室結(jié)構(gòu)中線上方出現(xiàn)最大的地表沉降。

2.2" " 梁柱體系施工與初期支護扣拱沉降

背景項目采用的是先進行中間拱頂施工，再進行左右兩邊拱頂施工的初支扣拱施工方式，在具體施工時產(chǎn)生了較大地表沉降。初支扣拱期間地表沉降曲線如圖4所示。從圖4可以看出，小導(dǎo)洞施工時出現(xiàn)最大的地表累計沉降量，其次則為初支扣拱。

在施工扣拱時，車站主體結(jié)構(gòu)中線位置出現(xiàn)較為集中的地表沉降，影響最多的是地表點DB-14-08的周邊位置，其累計沉降多達110mm。同時施工出現(xiàn)了U型沉降槽，隨著施工的不斷推進，沉降槽的形狀基本沒有出現(xiàn)改變，但累計沉降量不斷增大。

進一步分析圖4可知，在封閉車站主體的初期支護之后，其上方還出現(xiàn)可持續(xù)約30d的地表沉降。在車站主體結(jié)構(gòu)的中線上方出現(xiàn)最大累計沉降，約為110.30mm。地表沉降槽表現(xiàn)為U型分布。由此看出，“PBA”工法所導(dǎo)致的地表沉降槽形狀，主要受到先期小導(dǎo)洞施工的影響。以累計沉降量的角度進行分析可知，對土體擾動最大的是小導(dǎo)洞開挖施工。

3" "施工工藝優(yōu)化

從上述分析可知，在淺埋暗挖“PBA”工法中，小導(dǎo)洞施工時有較大的沉降量。若可以合理優(yōu)化小導(dǎo)洞的施工，使其所導(dǎo)致的地表沉降有所減小，就可以使地表沉降有效減小。

3.1" " 數(shù)值模擬

所建立模型尺寸為如下：高度為60m，上部設(shè)置到地表，模型下部有2倍車站跨徑的尺寸；計算跨度為120m，約為車站跨徑的5倍；深度為60m，模型左右對稱[3]。建模時，限制模型側(cè)面的水平位移和底部豎直位移，上部為自由邊界。模型共有單元118310個，節(jié)點124485個。模型網(wǎng)格劃分如圖5所示。

3.2" " 施工方案

3.2.1" "總體施工方案

先通過超前小導(dǎo)管注漿以超前加固施工地層，以正臺階法施工小導(dǎo)洞，再對其開展初期支護。通過交錯開挖的方式開挖小導(dǎo)洞，之后再進行鋼管樁的施工。進行下條基施工，再進行橫通道內(nèi)條基的施工，在確保混凝土強度達到標(biāo)準(zhǔn)后，即可進行底縱梁的施工。在完成鋼管柱的施工后，初支扣拱以正臺階的方法進行開挖，待拱部貫通之后，使整個連接成框架結(jié)構(gòu)，共同分擔(dān)圍巖壓力[4]。最后再施工后續(xù)各項步驟，再逐步朝下施工剩余車站的結(jié)構(gòu)，直到完成。

3.2.2" "小導(dǎo)洞施工方案

在小導(dǎo)洞施工時，共設(shè)計四種方案，并在相應(yīng)位置設(shè)置監(jiān)測點[5-6]，具體如圖6所示。

方案一：先施工上層一號和三號導(dǎo)洞，在臨時掌子面施工到10m之后，再進行二號和四號臨時小導(dǎo)洞的施工。在貫通上層導(dǎo)洞之后，進行六號和八號臨時導(dǎo)洞的施工。在施工到10m之后，進行五號和七號導(dǎo)洞的施工，循環(huán)進尺1m。

方案二：先進行上層二號和三號導(dǎo)洞的施工，在掌子面掘進10m之后，進行一號和四號臨時導(dǎo)洞的施工。在貫通上層導(dǎo)洞之后，進行下層五號和八號臨時導(dǎo)洞的施工。在掌子面掘進10m之后，進行六號和七號臨時導(dǎo)洞的施工，循環(huán)進尺1m；

方案三：先進行下層五號和七號臨時導(dǎo)洞的施工，在掌子面掘進10m之后，進行六號和八號臨時導(dǎo)洞的施工。在貫通下層導(dǎo)洞之后，進行二號和四號臨時導(dǎo)洞的施工。在掌子面掘進10m之后，進行一號和三號導(dǎo)洞的施工，循環(huán)進尺1m；

方案四：先進行下層五號和八號導(dǎo)洞的施工，在掌子面掘進10m之后，進行六號和七號導(dǎo)洞的施工。在貫通下層導(dǎo)洞之后，進行上層二號和三號導(dǎo)洞的施工。在掌子面掘進10m之后，進行一號和四號導(dǎo)洞的施工，循環(huán)進尺1m。

3.3" " 數(shù)值模擬結(jié)果

各地表關(guān)鍵點在4種方案下的最終沉降如表1所示。從表1可以看出，方案一在完成各導(dǎo)洞的施工后，其拱頂和地表位置的豎向沉降均比其他方案小。在二號導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)中線上方出現(xiàn)最大地表沉降，原因在于先行施工了一號和三號導(dǎo)洞擾動了周圍土體，而二號導(dǎo)洞又位于松動效應(yīng)區(qū)中。

方案二在施工二號和三號導(dǎo)洞時，因為兩個導(dǎo)洞距離較短，產(chǎn)生“群洞效應(yīng)”，在全部導(dǎo)洞施工完后，地表沉降的最大值出現(xiàn)在二號和三號導(dǎo)洞上，總體沉降值大于方案1。方案三和方案四有最大的地表沉降量，原因在于“群洞效應(yīng)”在一定程度上擾動了上層土體，導(dǎo)致上層土體的施工引起較大地表沉降。

綜合上述分析可知，方案1導(dǎo)致的地表沉降值最小，最優(yōu)的施工方案為“先上后下、交錯開挖”的方案1，而方案4所導(dǎo)致的沉降量最大。從現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)上看，采用方案1進行施工，數(shù)值模擬結(jié)果與其較為吻合，表明此次模擬有一定的可靠性。

對實測數(shù)據(jù)開展進一步的分析可知：當(dāng)小導(dǎo)洞施工的監(jiān)測斷面和掌子面距離約1～1.5倍時，出現(xiàn)較大的地表沉降速率，該階段所出現(xiàn)的沉降量占比較大。當(dāng)掌子面和監(jiān)測斷面距離約為洞徑的2倍時，出現(xiàn)平穩(wěn)的地表和拱頂沉降。采用方案1施工時地表沉降量平穩(wěn)增長，地表沉降控制力較強，可開展相關(guān)控制措施控制地表沉降。

4" "結(jié)語

綜上所述，在通過淺埋暗挖“PBA”工法進行小導(dǎo)洞的施工時，通過“先上后下、交錯開挖”進行施工對地層僅產(chǎn)生較小的擾動。應(yīng)錯開施工同層同側(cè)導(dǎo)洞，并采用對角的方式施工同層對側(cè)導(dǎo)洞，各導(dǎo)洞掌子面應(yīng)錯開約10m。從暗挖施工時的監(jiān)測數(shù)據(jù)上看，有必要通過注漿的方式加固小導(dǎo)洞側(cè)壁，以使地表沉降有所減緩。

參考文獻

[1] 朱明德.淺埋暗挖技術(shù)在市政工程隧道施工中的應(yīng)用探討[J].四川建材，2021，47（10）：129+131.

[2] 周偉，牛斌，曾德光，等.淺埋暗挖法隧道下穿管線施工控制標(biāo)準(zhǔn)及控制措施研究[J].城市軌道交通研究，2021，24（9）：20-24.

[3] 邱明明，楊果林，魏賽賽，等.大跨度公路隧道施工力學(xué)響應(yīng)數(shù)值試驗研究[J].西南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017，39（12）：170-178.

[4] 李斌.軟弱圍巖大斷面隧道開挖面穩(wěn)定性及控制研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2012.

[5] 王仁杰，劉志強，楊錦程.擠壓性圍巖大跨隧道施工工法優(yōu)化[J].鐵道建筑，2018，58（5）：62-65.

[6] 邵珠山，熊陽陽.大跨軟巖隧道施工動態(tài)監(jiān)測試驗研究[J].地下空間與工程學(xué)報，2017，13（3）：779-787.