巖石地層機械法開挖PBA工法地鐵車站地面沉降分析

摘要：限于工程所處的地層特殊性和地區(qū)安防敏感性，烏魯木齊軌道交通2號線幸福路中站不允許使用鉆爆法施工，只能采用鑿巖機開挖。為滿足鑿巖機工作凈空，PBA工法小導(dǎo)洞采用較為罕見的5m凈寬。鑒于工程結(jié)構(gòu)尺寸及地層的特殊性，工程實施前須建立車站場地的三維地層-結(jié)構(gòu)有限元模型，依據(jù)工程實際開挖方案模擬動態(tài)施工，分析各施工步序的地面沉降量。研究結(jié)果表明：初期支護施工過程中的初支扣拱工況、二次襯砌施工過程中的開挖施作側(cè)墻中板工況為控制工況，兩工況引起地表沉降占比79%。依此分析結(jié)論，可輔助后期施工單位及監(jiān)控量測單位現(xiàn)場工作，也可為類似工程的設(shè)計和施工提供參考。

關(guān)鍵詞：地鐵車站；PBA工法；機械法開挖；數(shù)值模擬

0 " 引言

現(xiàn)如今，PBA工法已經(jīng)成功應(yīng)用于多個城市地鐵車站的修建，逐漸形成了完整的設(shè)計方法及施工方法，并獲得了較為理想的經(jīng)濟和社會效益[1-2]。PBA工法在烏魯木齊軌道交通1號線王家梁有成功應(yīng)用的經(jīng)驗，但是王家梁站車站基本全部位于巖層中，開挖均采用鉆爆法施工，小導(dǎo)洞內(nèi)凈寬4m，橫通道凈寬5m。烏魯木齊軌道交通2號線開工后，限于地區(qū)安防的敏感性，2號線全線禁止采用鉆爆法施工，通過業(yè)主、總體、設(shè)計、施工、監(jiān)理五方會議確定，最終采用機械開挖法施工。

為滿足鑿巖機的轉(zhuǎn)彎半徑及工作空間要求，將PBA小導(dǎo)洞內(nèi)凈寬設(shè)置為5m，橫通道凈寬設(shè)為6m。與烏魯木齊軌道交通1號線王家梁站相比，PBA小導(dǎo)洞內(nèi)凈寬增加1m，且幸福路中站拱頂位于角礫土中，地下一層側(cè)墻位于全、強風(fēng)化巖層，與王家梁站相比地層較差，故王家梁站已有的設(shè)計施工經(jīng)驗和地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，對于幸福路中站參考價值小。鑒于此，有必要運用有限元計算對車站實際開挖過程進行模擬，分析總結(jié)出引起地表沉降量較大的工況，輔助施工方合理選擇超前預(yù)加固施作的時機，輔助監(jiān)控量測單位合理對監(jiān)控量測頻率進行加密。該分析研究對于未來類似地層的PBA車站設(shè)計、施工及監(jiān)控量測，都具有較高的參考價值。

1 " PBA工法簡介

PBA法（洞樁法）是淺埋暗挖法的基礎(chǔ)上，結(jié)合蓋挖法的理念發(fā)展起來的，由邊樁、中樁（柱）、頂?shù)琢骸㈨敼肮餐瑯?gòu)成初期受力體系，承受施工過程的荷載。其核心思想在于盡快形成豎向承載結(jié)構(gòu)。PBA法是先施工小導(dǎo)洞，在小導(dǎo)洞內(nèi)施做梁柱體系，然后再施做頂部結(jié)構(gòu)，并在其保護下進行后期的土方開挖及二襯施工[3]。

2 " 工程概況

2.1 " 車站基本情況

幸福路中站位于幸福路北三巷與幸福路交叉口東側(cè)，沿幸福路呈東西向布置。車站為地下二層雙跨暗挖11m島式站，車站長264.9m，標(biāo)準(zhǔn)段寬20.7m。幸福路中站覆土17.7～22.5m，底板埋深32.5～37.3m。車站采用PBA工法施做，共設(shè)置3座施工豎井及橫通道，主體上層設(shè)置3個小導(dǎo)洞，下層設(shè)置1個小導(dǎo)洞。車站總平面圖如圖1所示，車站結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)橫剖面圖如圖2所示。

2.2 " 地下水及水處理

地下水類型按照賦存條件，分為第四系松散堆積層中的孔隙潛水及基巖裂隙水。施工期間，潛水采用管井降水處理，潛水水位降至中風(fēng)化巖層上表面，基巖裂隙水采用集水明排處理。

2.3 " 場地巖土層的構(gòu)成與特征

標(biāo)準(zhǔn)段地層自上而下依次為：①-1層雜填土、②-8角礫（該層底位于車站拱頂）、⑥-2-1全風(fēng)化砂巖、⑥-2-2強風(fēng)化砂巖（該層底位于車站中板）、⑥-2-3中風(fēng)化砂巖。其中⑥-2-3中風(fēng)化砂巖巖石單軸抗壓強度為13.0～44.2MPa，平均值為32.27MPa，巖土施工工程分級為Ⅴ級次堅石。圍巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。

3 " 基于數(shù)值模擬的PBA車站開挖地表沉降量分析

3.1 " 模型建立

PBA工法地鐵車站周圍的地層，相對于車站結(jié)構(gòu)本身而言，是無限大或半無限大的，數(shù)值模擬的模型只能是有限的空間區(qū)域。根據(jù)彈性力學(xué)中的圣維南原理，地層開挖對周圍地層的影響，將隨著離開挖中心距離的增加而逐漸消失，所以選取合理的有限范圍建立數(shù)值分析模型，計算結(jié)果與實際數(shù)值相差不大[4-5]。幾何模型以軌面線軸線方向為y軸，地表為模型上表面，模型尺寸為168m×20m×86.5m。

圍巖的力學(xué)模型采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，鋼格柵與噴射混凝土組成的初期支護采用彈性本構(gòu)模型，二襯采用彈性三維實體模型。模型上表面為地面，地面賦予自由邊界，允許其自由變形；限制Y方向兩個平面的垂直向平動自由度；限制X方向兩個平面垂直向平動自由度；限制Z方向底面的垂直向平動自由度[6]。

選取標(biāo)準(zhǔn)斷面車站頂板覆土厚度17.7m。車站頂板主要位于②-8角礫層中，車站中板主要位于⑥-3-3中風(fēng)化礫巖層中，車站底板主要位于⑥-3-3中風(fēng)化礫巖層中。在模型地表面施加20kPa車輛和人群超載。土層的物理力學(xué)參數(shù)值，采用深度加權(quán)后的結(jié)果，巖層的物理力學(xué)參數(shù)值按照實際情況選取。

3.2 " 計算分析

按照幸福路中站實際施工步序，模擬車站施工過程：

工況①開挖1#PBA小導(dǎo)洞（位置左上）。工況②開挖3#PBA小導(dǎo)洞（位置右上）。工況③開挖2#PBA小導(dǎo)洞（位置中上）。工況④開挖4#PBA小導(dǎo)洞（位置中下）。工況⑤施做邊樁、冠梁、底梁、中柱、頂梁、導(dǎo)洞內(nèi)初支扣拱。工況⑥左側(cè)初支扣拱。工況⑦右側(cè)初支扣拱。工況⑧左側(cè)二襯扣拱。工況⑨右側(cè)二襯扣拱。工況⑩繼續(xù)開挖施做側(cè)墻及中板。工況?繼續(xù)開挖施做側(cè)墻底板。施工完成后的Z向位移云圖如圖3所示，圖3的計算結(jié)果顯示，最大地表沉降量為3.64mm。

4 " 不同施工步序地表沉降量占比分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，將各施工步序引起的地表沉降量值總結(jié)于表2中。各施工步序及施工步序大類地表沉降量占比餅狀圖詳圖如4所示。

經(jīng)過數(shù)值模擬分析可知，地表沉降量最大的工況為工況⑩繼續(xù)開挖施做側(cè)墻及中板。此工況下沉降量占總沉降量的55%。工況⑥至⑦初支扣拱引起的地表沉降量次之，占總沉降量的24%。

分析工況⑩產(chǎn)生比較大地表位移的原因如下：開挖到中板以下施作中板過程中，由于土體開挖產(chǎn)生卸載，邊樁在外側(cè)土壓力的作用向內(nèi)變形，從而引起地表沉降。分析工況⑥至⑦產(chǎn)生比較大地表位移的原因如下：初支扣拱起拱高度與小導(dǎo)洞比較小，且跨度較大，故產(chǎn)生比較大的地表沉降。

5 " 沉降變形控制建議

5.1 " 針對二襯扣拱完成后繼續(xù)開挖至中板底

該工況沉降變形控制可以從以下方面入手：在設(shè)計層面，可通過加密邊樁間距或增大邊樁直徑，提高邊樁剛度，從而有效減少地表沉降。在施工層面，應(yīng)縮短每一次澆筑長度，采取多段澆筑或跳段澆筑。開挖時采用V形坡開挖，充分利用空間效應(yīng)，有效減少邊樁無支撐暴露時長，從而減少地表沉降。穿越較差地層前，現(xiàn)場需預(yù)備鋼管支撐，在穿越較差地層時，若發(fā)現(xiàn)變形過大，須快速將鋼支撐支在澆筑好的側(cè)墻上，防止變形持續(xù)增大。在監(jiān)控量測層面，在二襯扣拱完成開挖土體后，需加強對邊樁及地表沉降的監(jiān)控量測，適當(dāng)提高監(jiān)測頻率。

5.2 " 針對初支扣拱工況

針對初支扣拱工況下的沉降變形控制可以從以下方面入手：在設(shè)計層面，要采用初支扣拱超前加固措施。在通過較弱地層時，可將小導(dǎo)管注漿加固改為深孔注漿加固，以有效應(yīng)對地表沉降過大。在施工層面，在初支扣拱期間，須保持兩側(cè)對稱開挖對稱扣拱，嚴(yán)格控制進尺，做好超前預(yù)加固措施，以有效減少地表沉降。在監(jiān)控量測層面，初支扣拱過程中要提高監(jiān)測頻率，加強對初支扣拱拱頂變形監(jiān)測。

6 " 結(jié)束語

采用機械法開挖的PBA工法地鐵車站，地層處于上土下巖，數(shù)值模擬得出地表總沉降量滿足規(guī)范要求，小導(dǎo)洞采用凈寬5m方案可行。沉降量最大的工況發(fā)生在二襯扣拱完成繼續(xù)開挖至施做中板前。施工中應(yīng)重視本階段施工質(zhì)量，細(xì)化施工組織設(shè)計，做好應(yīng)急預(yù)案，同時應(yīng)加強監(jiān)控量測。初支扣拱工況引起的地表沉降量位列第二。施工中應(yīng)特別注意拱頂土層狀態(tài)，防止過多擾動發(fā)生拱頂塌落，盡快閉合初支結(jié)構(gòu)，做好核心土預(yù)留，保持掌子面穩(wěn)定，同時也應(yīng)做好監(jiān)控量測。

參考文獻

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