PBA暗挖車站施工近接南水北調暗涵地表沉降研究

張萌萌, 李 凱, 劉 柳, 馮衛星

(1.石家莊鐵道大學交通運輸學院,河北 石家莊 050043;2.中鐵三局集團第四工程有限公司,北京 102300;3.石家莊鐵道大學土木工程學院,河北 石家莊 050043)

四季青站和南水北調暗涵距離較近,淺埋暗挖地鐵施工時會產生地表沉降,過大沉降可能導致地面塌陷,形成坑洞或下陷區域,甚至可能導致地下的管線(如供水管道、天然氣管道、電力線路等)破裂或斷裂。通過采用合理施工方法并輔以精確的監控量測,可以有效降低地表沉降對周圍環境和建筑物的影響[1,2]。研究地鐵車站開挖過程中地鐵車站和南水北調暗涵上方的地表沉降對保障施工順利進行具有重要意義。

1 工程概況

1.1 工程位置及車站結構形式

四季青站為北京地鐵12號線起點站,車站位于西四環北路與紫竹院路(杏石口路)交叉口南側,沿西四環輔路西側南北向布置。四季青站周邊重大風險西側有西郊機場鐵路,東側有南水北調暗涵。南水北調暗涵為兩條并行圓形段,管道半徑2.0 m,西線距離四季青站C出入口最近為6.1 m。南水北調中線工程西四環暗涵工程為Ⅰ等工程,主要建筑物為Ⅰ級建筑物。工程輸水規模為30 m3/s,加大流量為35 m3/s。四季青站主體結構如圖1所示。

圖1 四季青站主體結構及監測點布置

1.2 工程地質及水文地質

根據地質勘察報告,車站主體工程地質剖面見圖1。車站主體上導洞主要穿越卵石⑤層,拱頂位于卵石⑤層;車站扣拱位于卵石⑤層,車站下導洞主要穿越卵石⑦層,拱頂主要位于粉質黏土⑥層與卵石⑦層,局部位于粉細砂⑥4層與中粗砂⑥3層。車站底板位于卵石⑦層。

潛水(二):水位埋深為18.68 m,水位標高34.83 m。層間水(三):水位埋深約為29.80～31.20 m,水位標高約23.60～24.04 m。抗浮設計水位標高按42.00 m考慮。

1.3 沉降監測點布設

以車站主體結構模型縱向中間截面為監測斷面,監測點布設于地表,位置分布在車站中軸線的兩側,導洞上方地表沉降監測點布置如圖1所示。

2 數值模擬分析

2.1 建立模型

本文采用邁達斯GTS NX對四季青站施工進行三維模擬計算,車站雙層雙跨暗挖段總長304.0 m,寬度為21.3 m,總高16.57 m,覆土約8.3 m左右。單柱雙跨雙聯拱結構型式,用6導洞“PBA”暗挖工法施工,雙層單柱雙跨島式車站。將PBA暗挖車站施工建模過程劃分為四個關鍵階段:導洞開挖(步序1)、頂底縱梁和樁的施作(步序2)、初支扣拱(步序3)、土體分層開挖(步序4)。據此建立數值分析模型,模型長、寬、高分別為143 m、20 m、50 m,共有39 691個節點、54 603個單元。整體模型、車站主體模型及其結構材料參數和地層物理力學參數如圖2、圖3和表1和表2所示。

表1 車站主體結構材料參數

表2 土層物理學參數

圖2 三維有限元整體模型圖3 車站模型

2.2 不同施工順序下地表沉降控制分析

適合雙層單柱雙跨島式車站中導洞最優的施工順序所引起的地表沉降值最小。分別建立了相同條件下車站模型的四種不同的導洞施工順序:工況1(先下后上-先兩邊后中間)、工況2(先下后上-先中間后兩邊)、工況3(先上后下-先兩邊后中間)、工況4(先上后下-先中間后兩邊)。土體開挖后,圍巖應力重分布,引發地表沉降,各工況地表最終沉降及最大沉降值見圖4和表3。

表3 四種工況最大沉降值對比

圖4 四種工況的地表沉降和車站沉降

四種工況地表的沉降曲線趨勢大致相同(如圖5所示),導洞上方沉降均呈漏斗狀,地表沉降最大值均在車站中軸線上,是因為導洞位于砂軟層,黏聚力很小,成拱困難,主要是靠土層中的顆粒摩擦維持穩定[3]。導洞開挖造成卸載,導洞底部出現一定的隆起[4]。工況1、2、3、4的最大隆起值分別為34.58、36.59、43.45和35.33 mm,工況1車站底板的隆起最少。原因可能是先挖兩邊導洞,可以在較短的跨度范圍內形成初步的支護結構,再挖中間導洞時,由于兩邊已經開挖并形成了相對穩定的結構,可以有效減小導洞底部的隆起值。

圖5 四種工況地表沉降曲線對比

工況1、2(先下后上)的沉降值小于工況3、4(先上后下)的沉降值,“先下后上”的施工方法優于“先上后下”;工況1、3(先邊后中)的地表沉降值,分別低于工況2、4(先中后邊)的地表沉降,可以得到“先邊后中”地表沉降更小。具體原因可能如下:

(1)先下后上。導洞位于卵石層,由于顆粒之間的膠結能力和黏聚力較差,整體的穩定性相對較低,在上層導洞施工時,會對下方的卵石層造成較大的振動和擾動;下層導洞開挖之后,可以利用下層導洞作為支護基礎來進行上層導洞的挖掘,提高穩定性與安全性,減少上層施工過程中可能發生的地層坍塌或失穩風險。

(2)先邊后中。卵石地層的地質特性通常不均勻,存在顆粒大小、密實度、隨機分布等方面的變化。先開挖兩邊導洞,可以為中間導洞開挖提供較好的工作空間和支撐條件,將地質風險分散到兩側,減少施工風險的擴散范圍,而且有利于及時采取適當的安全措施和監測手段。如果先開挖中間,對中間導洞周圍土體進行二次擾動,可能會最終導致沉降增大。

所以從控制地表沉降角度來看,“先下后上-先邊后中”的導洞施工順序略優。

2.3 不同工況下土體塑性狀態特征分析

土體塑性狀態是指當土體或巖石受到加載時,如果達到或超過其塑性極限,將會發生塑性變形[5]。不同工況施工將會導致土體不同程度的變形,四種工況地層塑性區分布如圖6所示。

圖6 四種工況塑性區分布

四種工況塑性區分布基本相同,均集中在下層兩邊導洞底部內側區域,主要表現為受剪塑性區。四種工況最大塑性值分別為21.6、22.1、22.7和26.1,工況4塑性值最大且塑性區面積最大,工況1、2、3塑性區面積相似、最大塑性值接近,所以工況4“先上后下先中后邊”的導洞施工順序對地層的擾動更大,擾動主要集中在靠近車站底板部分圍巖。

2.4 施工對南水北調暗涵影響規律研究

PBA施工過程中會對土體造成振動和擠壓,這種土體變動可能會對暗涵管道造成垂直或水平方向的壓力和變形,進而導致管道結構的損壞或破裂[6]。四種工況施工模擬結果顯示,暗涵管道的變形主要發生在豎直方向、水平方向上變形較小。土體開挖結束后暗涵豎向變形云圖如圖7所示。

圖7 四種工況下南水北調暗涵豎向變形云圖

導洞開挖過程中四種工況的暗涵豎向變形變化規律基本一致。土體開挖階段結束后,四種工況下南水北調暗涵豎向最大變形分別為11.995、12.137、13.378和12.553 mm,工況1方案引起暗涵的最大變形沉降最小, “先下后上-先邊后中”的導洞施工順序略優。

優先考慮地表最大累計沉降,再考慮導洞施工對南水北調暗涵的影響,綜合兩者結果,顯然,工況1(“先下后上-先邊后中”)為最優方案。

3 理論計算與實測對比分析

工程中實際的監測數據,會受到地質條件、地下水等各種各樣條件的影響。例如,在城市化過程中,建筑物的施工和使用可能導致土壤壓實和沉降;某些地區受季節變化影響,會導致土壤含水量的變化,因此監測數據與模擬結果難免有所差別。四季青車站地表沉降模擬計算結果和實地監測結果如圖8和圖9所示。

圖8 模擬與監測地表沉降曲線對比

圖9 地表沉降隨施工進度的時間曲線對比

整體地表變形規律表現為地鐵車站中軸線向兩側沉降值逐漸減小,車站上方地表沉降隨著施工的進展形成沉降凹槽,車站中軸線地表沉降最大。地表沉降增加主要在導洞開挖和初支扣拱階段,且增速極快,而施作頂底縱梁和灌注樁以及土體分層開挖階段對地表沉降影響極小,最終沉降值趨于穩定,可以看出PBA法施工可以有效控制地表沉降。對比實地監測曲線和數值模擬曲線,兩條曲線趨勢大致相同,實地監測的最大沉降值為43.38 mm,數值模擬的最大沉降值為41.3 mm。數值計算結果與實地監測值較為吻合。

4 結束語

(1)將四種不同工況的地表沉降、土體塑性狀態特征和南水北調暗涵豎向變形沉降進行對比分析,確定了“先下后上-先兩邊后中間”為最優導洞施工順序,為PBA法暗挖地鐵車站近接南水北調暗涵施工提供了技術支撐。

(2)施工監測與數值模擬結果較為吻合,兩者表明車站上方地表沉降增加集中在導洞開挖和初支扣拱階段,而施作頂底縱梁和灌注樁以及土體分層開挖階段對地表沉降影響較小。