黃土地區地鐵車站洞樁法對地層的影響研究*

朱鵬輝,汪 勇,關惠龍,李彬彬,余雅楠

(1.中鐵七局集團有限公司,陜西 西安 710082;2.西安建筑科技大學土木工程學院,陜西 西安 710055)

0 引言

洞樁法結合了蓋挖法與暗挖法的優點,能嚴格控制地層變形,減小地表沉降量,并對上部結構及周邊環境的影響較小,因此廣泛應用于城市地鐵車站的建設中[1]。地鐵車站在施工過程中不可避免地會引起地層變形,如周圍地層變形過大,則可能引起地下管線破壞或地下構筑物變形,傳遞至地表后,則會引起地表不均勻沉降,從而影響地面周圍其他建筑物,影響人們的生活和安全。因此,研究洞樁法施工過程中引起的變形特質,對控制施工地層沉降具有重大意義。

眾多學者利用數值模擬及實際監測數據,分析研究了地鐵車站施工中影響地層變形的因素。王鐵男等[2]依托沈陽某地鐵項目,研究了地鐵隧道開挖過程中,超前小導管預注漿環向布置范圍的影響,通過數值模擬研究確定超前小導管合理的布置范圍。向寶山等[3]結合白馬隧道,基于三維數值計算方法,建立軟巖隧道掘進計算模型,分析了超前小導管長度、環向間距、注漿范圍等參數對地表沉降的影響。劉石等[4]以長春市地鐵5號線人民廣場站為例,利用GTS NX軟件進行隧道開挖全過程地表沉降數值模擬分析,并對導洞開挖步序進行優化。李家正等[5]依托北京17號線東大橋地鐵車站,運用數值模擬的方法研究了開挖方案對地表變形的影響,采用MIDAS結合正交設計和回歸分析研究采用對稱開挖施工時,開挖順序、開挖步距與地表變形的函數關系,最終得到最優開挖方案。羅華平等[6]依托鹽坪壩連拱隧道工程,利用有限元分析軟件FLAC3D對粉煤灰堆積地層中雙連拱隧道不同開挖錯距施工進行數值模擬,研究5,10,15m不同開挖錯距對特殊地層隧道圍巖及結構的影響。

雖然地鐵車站隧道及洞樁法方面的研究已有不少先例,但目前的相關研究鮮少涉及黃土地區富水厚砂層地質條件,綜合分析小導管參數及導洞開挖方面的影響也較少見。因此,本文主要依托西安市地鐵8號線豐禾路車站,利用GTS NX數值模擬軟件,系統模擬豐禾路站的導洞開挖過程,綜合分析超前小導管加固范圍、開挖錯距、導洞開挖順序對地表沉降的影響,并結合現場地表沉降的實測數據,驗證了施工方案的高效益及合理性,以期為同類工程的設計與施工提供參考。

1 工程概況

1.1 車站情況

西安地鐵8號線豐禾路站主體段主要位于西二環大興立交與開遠門立交兩座高架快速干道之間的地面平交段,車站地面交通繁忙,車流量大,車速高;車站周邊鄰近家屬樓、寫字樓等重要建筑物;站址周邊地下管線眾多,包含給排水管、雨水管和燃氣管等,綜合考慮,車站采用洞樁法施工。豐禾路站平面如圖1所示。對于本車站來講,與其他黃土地區車站不同的是,導洞拱頂上部含有約2.5m厚的砂層,采用三導洞施工,地表沉降和拱頂沉降是研究重點。

圖1 豐禾路站平面

豐禾路站主體采用地下2層單柱雙跨結構形式,12.0m島式站臺,采用三導洞施工;車站全長237.2m,標準段寬21.3m。設置3座豎井及橫通道為車站3座導洞及扣拱提供工作面。導洞內凈寬4m×5m,埋深9.4～10.2m,采用臺階法施工。車站施工斷面如圖2所示。

圖2 車站施工斷面(單位:m)

1.2 地層變形階段分析

豐禾路站洞樁法施工小導洞及扣拱拱頂均位于砂層中,中樁穿越7～8m厚砂層;且地下水位高,車站主體位置地下水穩定水位為10.700～13.100m。洞樁法修建地鐵車站需在無水環境下作業,而地下水處理難度大、風險高,如何有效消除地下水帶來的安全隱患是洞樁法施工重點關注的問題。

相關研究表明:施工前期降水、導洞施工階段和扣拱施工階段是引起地表、地層發生沉降的主要階段。

在施工前期降水階段,采用地面管井降水方案,輔以明排水、止水措施,同時對降水區域附近建筑物、鄰近管道、地表及內部構件沉降進行實時觀測,通過分析處理沉降觀測數據,發現降水后地下水位及單個管井出水量總體穩定,驗證了管井降水的合理性。

在扣拱施工階段,采用上下臺階法施工,其開挖、支護須嚴格遵循“21字原則”,即“先降水、管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、早封閉、勤量測”。采用超前支護、較強的初期支護等措施來控制地表沉降,確保地面建筑物和地下管線的安全。

在導洞施工階段,超前小導管加固范圍、開挖錯距、導洞開挖順序都會對地層沉降產生一定的影響,本文依托豐禾路地鐵車站,模擬導洞施工階段3種因素對地層沉降的影響,驗證了實際施工過程中選擇導洞施工方案的合理性,最大限度地減小了地層的沉降。

2 數值計算模型

2.1 隧道模型及邊界設置

以豐禾路地鐵車站為計算對象,利用MIDAS軟件建立三維有限單元計算模型,如圖3所示。車站采用臺階法施工,巖體采用莫爾-庫倫(Mohr-Coulomb)本構模型,開挖采用Null模型,圍巖注漿加固土采用實體單元進行模擬。

圖3 網格劃分示意(單位:m)

取x方向為橫向128m,y方向為縱向30m,z方向為豎向64.9m。采用固定邊界條件,左右兩端邊界為水平方向固定約束邊界,底部采用固定約束,地表為自由邊界,施加等效荷載。

導洞如圖4所示,注漿加固模型及初支模型如圖5,6所示。

圖4 導洞示意

圖5 注漿加固模型

圖6 初支模型

2.2 地層基本參數分析

豐禾路站位于西二環與豐禾路十字南側,地勢南高北低,地面高程為394.550～395.600m,屬皂河Ⅰ級階地。場地地層組成自上而下為:第四系全新統①1雜填土,①2素填土,②1-1黃土狀土(具有濕陷性,為Ⅰ級非自重濕陷性黃土場地),②2粉質黏土;上更新統②5-2及②5-3中砂,③4粉質黏土,③7-3中砂;中更新統④4及④4-1粉質黏土,④7-3中砂。根據場地地層巖性特征和地下水位埋深,綜合考慮將導洞圍巖劃分為Ⅵ級。巖土參數情況如表1所示。

表1 地層巖土參數

2.3 工況設置

本文利用數值模擬分析影響黃土地區富水砂層洞樁法地鐵車站地表沉降的3種因素:超前小導管加固范圍、開挖錯距、導洞開挖順序,工況設置如表2所示。

表2 工況設置

1)研究超前小導管加固范圍對地表變形的影響時,加固范圍分別考慮1.0,1.5,2.0m 3個工況,開挖錯距按10m考慮,導洞施工工序為先邊后中,即先施工左導洞,然后施工右導洞,最后施工中導洞,按照左-右-中的順序施工。

2)研究開挖錯距對地表變形的影響時,分別考慮6,10,14m 3個工況,超前小導管加固范圍為1.5m,導洞開挖也按左-右-中的順序施工。

3)研究導洞開挖順序對地表沉降的影響時,分別考慮左-右-中,右-左-中,中-左-右,中-右-左4種工況,超前小導管加固范圍為1.5m,開挖錯距為10m。

3 結果分析

3.1 超前小導管加固范圍對地層沉降的影響

豐禾路地鐵車站拱頂存在富水厚砂層,而富水砂層結構松散、自穩性差,在施工過程中極易被擾動甚至可能出現坍塌現象,嚴重影響地鐵車站建造質量和施工安全。因此,需在導洞施工前對一定范圍的土體進行注漿,通過超前支護加固土體,減小地層沉降。在實際施工過程中,超前注漿加固能有效減小地層沉降,但成本較高,為達到良好的經濟效益,需提前確定最適宜的注漿范圍[7]。

按表2設置導洞開挖錯距為10m,開挖順序為左-右-中,超前小導管的加固范圍分別設置為1.0,1.5,2.0m。結果如圖7～9所示。

圖7 不同加固深度下的地表沉降

由圖8可知,加固范圍對該地區地鐵車站施工有一定的影響,加固范圍為1.0m時引起的地表沉降最大,值為14.96mm;加固范圍為1.5m時引起的地表沉降次之,值為14.32mm;加固范圍為2.0m時引起的地表沉降最小,值為13.84mm。

圖8 不同加固范圍下的地表沉降曲線

由圖9可知,在加固范圍為1.0m時,拱頂沉降較大,加固范圍為1.5,2.0m時,兩者的拱頂沉降值十分接近,注漿加固范圍為2.0m時的加固效果最好,但隨著注漿加固范圍的增大,施工所需成本也會增加,并隨著地層間的相互擠壓作用,產生的地表隆起值也會增大。因此,綜合考慮,在豐禾路地鐵車站實際施工過程中的加固范圍選擇1.5m。

圖9 不同加固范圍下的拱頂沉降曲線

3.2 開挖錯距對地層沉降的影響

在導洞開挖施工過程中,開挖錯距是決定施工進度及施工安全性的一項重要因素。當開挖錯距較小時,會使施工速度變慢,進而延長工期;當開挖錯距較大時,開挖后的圍巖會變形,甚至出現塌方[8]。因此,確定合理的開挖錯距,使施工進度和施工安全達到相對平衡的狀態,在實際施工過程中有重要意義。

本文設置超前小導管的加固范圍為1.5m,按左-右-中的導洞開挖順序進行施工,開挖錯距分別設置為6,10,14m,模擬結果如圖10～12所示。

圖10 不同開挖錯距下的地表沉降

由圖11可知,距導洞中心距離越近,地表沉降值越大;開挖錯距為14m時引起的導洞中心地表沉降最大,值為14.42mm;開挖錯距為10m時引起的地表沉降次之,值為14.33mm;開挖錯距為6m時引起的地表沉降最小,值為14.26mm。曲線呈單峰形,在導洞中心位置處產生的地表沉降最大,三者曲線較接近,地表沉降差異不大,因此,開挖錯距對該地區地層沉降的影響不大。

圖11 不同開挖錯距下的地表沉降曲線

圖12 不同開挖錯距下的拱頂沉降曲線

同時,洞樁法在施工過程中,由于多導洞開挖,會出現“群洞效應”[9],通過增加開挖錯距可減弱多導洞開挖引起的地層擾動疊加效應。但在實際工程中,開挖錯距增大會使先開挖導洞承受更大的荷載,使其處于不利地位[10]。因此,實際施工中的開挖步距不應過大。

由圖11,12可知,開挖錯距為6,10,14m時,導洞地表的沉降值基本一致,沉降值的差距為0.1mm,而拱頂沉降隨導洞開挖步距的增大而增大,綜合考慮其施工效率以及“群洞效應”,本工程實際施工中選擇最合適的開挖步距為10m。

3.3 導洞開挖順序對地層沉降的影響

在地鐵車站施工過程中,導洞開挖會引起地層沉降,產生拱頂變形,且不同導洞開挖對于地層的擾動會形成疊加效果,從而產生“群洞效應”。先開挖邊導洞、再開挖中導洞,或先開挖中導洞、再開挖邊導洞所產生的地層沉降也有差異。施工過程中,不同的導洞施工順序影響圍巖及支護結構的受力特征變化過程[11],因此,以導洞開挖順序為分析對象,對研究地層沉降影響因素有重要意義。

設置超前小導管的加固范圍為1.5m,開挖錯距為10m,導洞開挖順序設置4組:左-右-中、右-左-中、中-左-右、中-右-左。模擬結果如圖13～15所示。

圖13 不同開挖順序下的地表沉降

由圖14可知,導洞開挖引起的地表沉降槽呈單峰分布,產生地表最大沉降的開挖順序依次為:中-右-左(14.42mm)>中-左-右(14.35mm)>左-右-中(13.27mm)>右-左-中(13.29mm),先開挖兩邊導洞再開挖中間導洞比先開挖中間導洞再開挖兩邊導洞引起的地表沉降小。開挖順序對地表沉降影響較大,選擇先邊洞后中洞的開挖順序最合適[12]。

圖14 不同開挖順序下的地表沉降曲線

由圖15可知,先邊后中的開挖順序引起的沉降值更小。因此,該項目在施工過程中選擇先開挖邊導洞,再開挖中間導洞的施工順序是合理的。

圖15 不同開挖順序下的拱頂沉降曲線

4 結語

本文利用數值模擬軟件,依托豐禾路地鐵車站項目,對于黃土地區富水砂層洞樁法地鐵車站的地層沉降進行了影響因素的敏感性分析。

1)加固范圍對黃土地區富水厚砂層地鐵車站地表沉降及拱頂沉降影響較大,隨著加固范圍的增大,地層沉降逐漸減小,但考慮到經濟效益,加固范圍存在最優解,故在實際施工中選擇加固范圍為1.5m。

2)導洞開挖順序對該黃土地區富水厚砂層地鐵車站地表沉降及拱頂沉降有一定影響,先開挖中間導洞或者先開挖兩邊導洞所引起的地表沉降產生明顯差異,先開挖邊導洞再開挖中間導洞產生的地表沉降及拱頂沉降更小。因此,在實際施工中選擇先邊后中的導洞開挖順序。

3)導洞的開挖錯距對該黃土地區富水厚砂層地鐵車站地表沉降及拱頂沉降影響不大,隨著開挖錯距的增大,地層沉降逐漸增大,但變化程度較小。綜合考慮,在實際施工中選擇開挖錯距為10m。