地鐵車站洞樁法施工對地層沉降影響研究

王 崢 崢，　郭 翔 宇

( 大連理工大學 土木工程學院, 遼寧 大連　116024 )

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地鐵車站洞樁法施工對地層沉降影響研究

王 崢 崢*，郭 翔 宇

( 大連理工大學 土木工程學院, 遼寧 大連116024 )

摘要：結合大連地鐵松江路車站的工程條件，運用有限元軟件MIDAS-GTS建立車站結構-地層三維模型，得出了地表沉降、沉降槽以及塑性區的發展規律．結果表明：地表沉降依照施工過程具有階段性，導洞施工是控制地表沉降的關鍵階段；最大地表沉降及最終地表沉降均符合60 mm的控制基準，故洞樁法在控制地表沉降方面是有效的；沉降槽形態及深度受群洞效應影響，且與結構埋深及施工方式有密切關系；塑性區主要產生于導洞階段，洞樁法基本抑制了塑性區的發展．

關鍵詞：地鐵車站；洞樁法；地表沉降；沉降槽；群洞效應

0引言

隨著中國城市化的進展，密集的地面建筑及擁堵的交通成為制約城市發展的主要問題．地下軌道交通作為一種新興的運營方式，成為解決城市問題的理想方案．

地下軌道交通的發展離不開地下車站的建設，而地下車站的施工往往由于其埋深淺、斷面大而產生較大的地面沉降，影響地面建筑物的安全．故有效地控制施工期間的地表沉降，便成為地下車站施工的關鍵問題．

洞樁法是近年來發展起來的針對城市軟土地層中淺埋暗挖結構的施工方式[1]，在控制地表沉降方面逐步顯示出其優越性．北京地鐵東單站首先采用了洞樁法施工，地表沉降控制在15 mm，有效保護了地上結構的安全[2]．袁揚等[3]結合北京地鐵6號線朝陽門車站工程對洞樁法導洞開挖方案進行優化，指出相比于先開挖下導洞，先開挖上導洞可以更好地控制地表沉降槽的形狀和管線的變形；高成雷等[4]采用數值方法研究了洞室跨度、高度、埋深、施工工序等因素對淺埋暗挖洞樁法的影響規律；王霆等[5]采用數值方法，針對洞樁法施工引起的地表沉降和相鄰柔性接頭管道變形進行研究，指出管道正下方土體開挖過程對管道的影響最為顯著；Liu等[6]分析采用洞樁法擴挖大斷面盾構隧道從而建立地鐵車站的施工過程，得出導洞施工是控制地表最終沉降的關鍵階段的結論．

已有研究往往針對洞樁法施工的某個關鍵步驟，而涉及洞樁法完整歷程的地表最大沉降及沉降槽發展的研究較少．本文以大連地鐵松江路車站為背景，運用數值分析的方法針對洞樁法施工過程中地表最大沉降的變化及沉降槽形態發展進行研究，擬求為相關工程提供一定指導及建議．

1工程概況

大連地鐵松江路車站設在山東路與松江路交叉口，為地下車站，車站主體沿山東路方向南北設置．車站為地下兩層兩跨島式站臺形式，地下一層為站廳層，地下二層為站臺層．車站全長182.6 m，標準斷面高16.36 m，寬22.9 m，頂拱覆土厚度10.6 m．車站主體結構主要穿越素填土、黏土、卵石等地層，車站結構與地層的剖面關系如圖1所示．

圖1　車站-地層剖面關系

車站主體采用洞樁法施工，如圖2所示．施工過程可簡化為4個階段：(a)導洞開挖及初期支護；(b)樁-柱-梁體系形成；(c)扣拱；(d)車站剩余主體擴挖．其中，導洞階段依照設計說明采用“先開挖下層邊洞46，再開挖下層中洞5，接著開挖上層邊洞13，最后開挖上層中洞2”的對稱開挖方式．由于上覆土層為素填土及黏土，自穩性差，導洞及扣拱施工前需要對地層采取超前小導管加固措施，提高圍巖的穩定性．超前小導管加固采用注入水玻璃與稀硫酸混合漿液預加固措施以提高圍巖的穩定性，計算采用等效方法，在模擬計算時依據經驗將圍巖參數中的彈性模量、內摩擦角及黏聚力提高50%[7]．車站主體在已完成的地下維護結構(樁-梁-柱-拱)的保護下采用逆作法施工．施工前，已經對車站周邊地層進行降水處理，故不考慮地下水的影響．

圖2　施工開挖順序

工程實踐證明，指定統一的沉降控制基準是不妥的，應按照不同地區、不同建筑類別區別對待，以確定經濟、合理的控制標準[8]．從以往統計資料來看，大多數暗挖車站地表沉降值的變動范圍為 40～120 mm；地表沉降值小于 40 mm 和大于 120 mm發生的頻率均不超過10%[9]．王夢恕[8]在廣泛研究國內外地鐵項目的基礎上，提出地鐵隧道暗挖法施工區間地面沉降控制基準為30 mm，車站地面沉降控制基準為60 mm．姚宣德等[9]在綜合運用模糊聚類分析方法對實地調研數據進行統計分析的基礎上，提出車站地面沉降在80 mm 以下、區間地面沉降在35 mm 以下，不會對地表建構筑物(淺基礎)和地下管線產生較大的影響．故在此選取60 mm作為地鐵車站暗挖法施工的地表沉降控制基準．

2計算模型

使用有限元軟件MIDAS-GTS建立車站結構-地層三維計算模型，尺寸為橫向×豎向×縱向=90 m×50 m×40 m(圖3)．洞周地層假定為均質連續彈塑性體，采用摩爾-庫侖本構模型．初期支護、二次襯砌、鋼管混凝土柱及導洞內回填均采用線彈性模型．計算過程共計84個施工步．

(a) 整體模型

(b) 車站主體

圖3計算模型網格劃分

Fig.3Numerical model mesh

計算模型采用位移邊界條件，模型底部限制豎向位移，4個側面約束法向位移，上表面為自由面．

以《大連市地鐵1號線工程松江路站巖土工程勘探報告》為基礎，把土體劃分為3層不同材料性質的土層，確定模型中材料的計算參數，見表1．

表1　材料的物理力學參數

3計算結果與分析

3.1地表沉降歷程分析

土體開挖后，圍巖應力重分布，引發地表沉降．選取中導洞對應地表中心點作為監測點，研究洞樁法施工過程中地表沉降的變化規律．圖4為地表監測點隨施工過程的沉降曲線．

圖4　地表沉降隨施工步曲線

由圖4可以看出，地表沉降趨勢依據施工階段分為4個部分．

(1)導洞開挖階段．在整個導洞開挖過程中，地表監測點一直處于下沉趨勢，地表總沉降值達到26.4 mm．下層導洞開挖導致地表下沉7.46 mm，占導洞開挖階段地表沉降量的28.3%，變形趨勢相對平緩，沉降量較小．上層導洞開挖導致地表繼續下沉18.94 mm，占導洞開挖階段地表沉降量的71.7%，并且地表監測點出現兩次較大的沉降，下沉趨勢陡急，沉降量較大．說明在施工過程中，上層導洞的開挖對地表沉降的影響大于下層導洞．其原因有二：①上層導洞相對下層導洞埋深較淺，開挖造成的應力重分布對地表影響較大；②下層導洞優先施工，開挖造成的圍巖擾動一定程度上影響了上層導洞周邊圍巖的穩定性，使得上層導洞開挖造成更大的地表變形．

(2)樁-柱-梁體系形成階段．導洞開挖完成后，在下層導洞邊洞(導洞46)內施作樁底縱梁，人工挖孔施作結構圍護邊樁及樁頂縱梁；施作下層導洞中洞(導洞5)內縱梁，人工挖孔，自下而上施作中柱，最后施作頂縱梁．此階段地表沉降量達到30.4 mm，增加4 mm，沉降較小．這部分沉降主要是由于人工挖孔施作邊樁及中柱過程中對地層的擾動引起的．

(3)扣拱階段．此階段的沉降主要是中洞處土體開挖，在開挖面上方形成松動圈，從而造成地表下沉．扣拱施工完畢后，地表沉降為37.1 mm，增加6.7 mm．扣拱階段開挖斷面大，但引起的地表沉降明顯小于導洞階段的地表沉降，究其原因是松動圈通過扣拱初支將力傳遞至上層邊洞內初支及上層中洞初支，多個初支共同構成支撐拱，拱壓力作用于頂部縱梁，頂部縱梁通過邊樁及中柱將力傳遞至底部縱梁，整個樁-柱-梁體系對上部土體起到支撐作用，有效抑制了地層的進一步下沉，使得地表沉降受到約束．故地表沒有因為拱部土體開挖而產生過大沉降(圖5)．

圖5　樁-柱-梁體系承壓示意

(4)剩余主體擴挖階段．車站主體施工完畢，地表最終沉降為30.2 mm，減少6.9 mm，地表沉降出現了明顯的回彈現象．在扣拱施工完畢后，車站結構形成了邊樁-縱梁-中柱-扣拱共同支撐的框架體系，約束內部土體，承受內外土壓差，與內部土體形成結構-內部土體共同體系．隨著車站主體進一步擴挖，內部土體減少，體系自重減輕，車站結構發生上浮，使得地表沉降反彈(圖6)．

圖6　已建成車站結構上浮示意

3.2地表沉降槽分析

選取地表縱向20 m處的所有節點，施作地表沉降曲線(圖7)．

圖7　地表沉降曲線

由圖7可以看出，地表沉降槽具有明顯階段性：

(1)導洞開挖階段．導洞46開挖完成后，地表沉降槽淺而寬且滿足高斯公式擬合．地鐵平行雙隧道施工往往由于其近接性產生相互擾動，地表沉降相互疊加而產生雙凹槽形態的地表沉降曲線[10]．然而導洞46開挖完成后并未出現預料中的雙凹槽形，這是由于兩導洞間距較小，彼此之間擾動明顯，且導洞埋深較深，對地表影響較小，故兩導洞的沉降槽疊合后在地表呈現出單凹槽形式，說明埋深于此階段對地表沉降槽形狀影響大于施工方式影響．導洞5開挖后，由于地層擾動，地表進一步下沉，又因為其埋深較深，地表沉降槽依舊保持淺而寬的形式．導洞13開挖后，地表沉降增加明顯，且地表沉降槽由單凹槽變為雙凹槽．導洞13屬于上層邊洞，埋深較淺，導洞開挖造成的地表沉降槽深而窄，對地表沉降槽形式影響較大．又上層中洞未開挖，其余導洞施工對上層中洞處土體擾動有限，車站中心線處地表未發生較大沉降．中洞處地表與邊洞處地表沉降差值較大，故地表凹槽形式發生改變．這說明施工方式于此階段對地表沉降槽的影響大于埋深．導洞2屬于上層中洞，埋深淺且最后開挖，受其余導洞開挖造成的地層擾動影響，開挖后地表出現較大下沉，地表沉降槽恢復單凹槽形式．

(2)樁-柱-梁體系形成階段．人工挖孔做樁對地層有一定擾動作用，地表出現小幅下沉，凹槽形式未改變．

(3)扣拱階段．由于開挖面積大且開挖部分埋深較淺，地表出現較大沉降，又上部土體開挖過程等同單孔隧道施工，故地表沉降槽仍保持單凹槽形式．

(4)剩余主體擴挖階段．車站結構帶動周邊地層發生上浮，地表沉降減小，地表沉降槽寬度收窄，地表最終沉降及沉降槽寬度均小于扣拱階段．

從以上過程可以看出，地表沉降槽的分布形式，不僅與施工方式有關，而且與結構的埋深聯系密切．導洞開挖階段受群洞效應影響明顯，導洞46的施工因群洞效應相互擾動，直接影響到沉降槽形態．而導洞13及導洞2由于后期開挖，其所處地層受先行洞開挖的影響而松弛，致使導洞13及導洞5開挖時地表均有較大沉降，地表沉降槽下降幅度較大．

3.3地層塑性區

圖8為各個階段圍巖塑性區情況．

由圖8可以看出，導洞開挖階段，下導洞處的塑性區較小且未貫通．這是因為下導洞開挖時，地層擾動較弱，塑性區發展不明顯．而上導洞開挖階段，塑性區較大且相互貫通，是因為下導洞開挖引起的地層擾動對上導洞造成了較大影響．樁-柱-梁形成階段，施工對地層擾動較小，塑性區變化不明顯．扣拱階段，拱部超前支護以及樁-柱-梁支撐體系的存在有效地控制了塑性區的發展，扣拱上方及邊樁外側塑性區很小．剩余主體擴挖階段，車站主體已經形成了樁、梁、拱支撐框架體系，結構穩定．但扣拱承受上部土壓力，使得拱座處產生水平推力(圖9)，又拱座處僅有導洞初支而無其他

(a) 導洞開挖階段

(b) 樁-柱-梁體系形成階段

(c) 扣拱階段

(d) 剩余主體擴挖階段

圖8塑性區發展

Fig.8Development of plastic zone

圖9　拱座推力

支護措施，拱座抗推力不足，故拱座區域出現局部塑性區發展．所以在施工過程中，拱座區域需要加強支護措施，例如加強注漿等．

4結論

(1)地表沉降呈現明顯的階段性．整個施工過程中，地表最大沉降為37.1 mm，地表最終沉降為30.2 mm，地表最大沉降及最終沉降均符合地鐵車站地表沉降控制基準．故洞樁法施工控制地表沉降是有效的．導洞施工完畢后地表沉降為26.4 mm，占地表最終沉降的87.4%，是控制地表位移的關鍵階段．剩余主體擴挖后，由于車站主體自重減輕，地表沉降發生回彈．

(2)地表沉降槽發展受群洞效應影響明顯，且與結構埋深及施工方式有緊密關系．在導洞開挖階段，受導洞開挖順序影響，地表沉降槽曾出現雙凹槽形態．

(3)整個施工過程中，塑性區呈現出上部大、下部小的特點，導洞開挖順序對其影響顯著．樁-柱-梁體系形成后，有效地控制了塑性區的發展．由于拱座處存在推力，在剩余主體擴挖階段拱座位置存在局部塑性區，施工過程中需針對此位置加強支護措施．

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Research on ground settlement of metro station construction by PBA method

WANGZheng-zheng*,GUOXiang-yu

( School of Civil Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China )

Abstract：Combined with engineering conditions of Songjiang Road metro station in Dalian, a three-dimensional model of underground station was built using finite element software MIDAS-GTS, and the development tendencies of surface settlement, settlement trough and plastic zone were analyzed. The analytical results show that the surface settlement has obvious stages and the construction of pilot tunnel is the key phase to control surface settlement. Furthermore, the maximum surface settlement and the final surface settlement both meet the control criterion 60 mm, so PBA (pile-beam-arch) method is effective to control surface settlement. And the mode and depth of the settlement trough are affected not only by multi-tunnel effect, but also by burial depth and construction mode. Finally, plastic zone generates at pilot tunnel phase, PBA method could control the development of plastic zone effectively.

Key words：metro station; PBA (pile-beam-arch) method; ground settlement; settlement trough; multi-tunnel effect

中圖分類號：TU443

文獻標識碼：A

doi:10.7511/dllgxb201603006

作者簡介:王崢崢*(1982-)，男，博士，副教授，E-mail:wangzhengzheng@dlut.edu.cn；郭翔宇(1991-)，男，碩士生，E-mail:117763009@qq.com.

基金項目:住房和城鄉建設部科學技術計劃項目(2014-K5-005)；大連市建委科技項目(052033).

收稿日期：2015-12-01；修回日期: 2016-03-29．

文章編號：1000-8608(2016)03-0257-06