砂質黃土地下車站分幅施工變形規律研究

陳志敏， 藺鵬臻， 馮亞松

(1. 蘭州交通大學甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室， 甘肅 蘭州 730070；2. 蘭州交通大學道橋工程災害防治技術國家地方聯合工程實驗室，甘肅 蘭州 730070； 3. 東南大學巖土工程研究所， 江蘇 南京 210096)

砂質黃土地下車站分幅施工變形規律研究

陳志敏1, 2， 藺鵬臻1, 2， 馮亞松3

(1. 蘭州交通大學甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室， 甘肅 蘭州 730070；2. 蘭州交通大學道橋工程災害防治技術國家地方聯合工程實驗室，甘肅 蘭州 730070； 3. 東南大學巖土工程研究所， 江蘇 南京 210096)

目前尚無地下車站主體結構分幅施工的先例，也沒有此種情況下明確的不均勻沉降控制標準。蘭州中川機場地下車站采取主體結構分幅施工，通過調研相關規范與文獻，制定該地下車站不均勻沉降控制標準。采用FLAC3D軟件，分析不考慮結構頂部回填土和考慮結構頂部回填土2類共7種工況下的地基不均勻沉降變形潛勢及車站結構受力情況。結果表明： 蘭州中川機場地下車站變形潛勢可分為安全、單指標預警、雙指標預警、臨界(一指標達到即可)、超限(一指標達到即可)等5個級別； 對不均勻沉降而言，設后澆帶左右半幅施工在施工期和長期均有利。對結構受力而言，設后澆帶左右半幅施工在施工期有利，但對長期受力不利，推薦采用不設后澆帶左右半幅施工方案； 砂質黃土條件下地下車站主體結構不同施工工況變形潛勢差異明顯，左右半幅2種工況分別出現雙指標預警和單指標預警的變形潛勢等級。

砂質黃土； 地下車站； 分幅施工； 不均勻沉降； 控制標準

0 引言

在黃土地區進行地下工程建設時，對地基沉降和主體結構變形要求較高；但由于砂質黃土具有結構疏松、節理和孔隙發育等特性，使得地基基礎容易產生不均勻沉降,目前國內外關于地基、基礎不均勻沉降的研究，多集中在不均勻沉降預測、原因和機制分析、沉降計算理論及處理措施等方面。在預測方面，通常是利用經驗公式，復雜情況下結合模糊數學、神經網絡等方法[1]； 關于最終沉降的計算方法，現行GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》[2]采用半理論半經驗的修正分層總和法進行計算，但因地層土性和結構荷載等因素復雜多變，按照規范進行沉降計算的結果往往與真實情況有較大出入； 文獻[3]通過分析沉降計算方法和研究進展，指出沉降計算是地基基礎工程中的3大難題之一； 文獻[4]對黃土地區施工時常出現的工程問題進行總結，結合大同至西安客運專線黃土的地貌、分布等特征及黃土的物理力學性質進行分析，并提出相應控制措施； 文獻[5-7]深入分析了黃土地區建筑物沉降機制及處理措施； 文獻[8-9]對濕陷性黃土地區地下工程建設進行了全面的研究； 文獻[10-12]探討了黃土地區重大工程中的不均勻沉降問題及其處理措施。但目前尚無地下車站主體結構分幅施工的先例，也沒有此種情況下明確的不均勻沉降控制標準，更無針對砂質黃土地下車站工程分幅施工進行不均勻沉降預測的研究報道。本文針對蘭州中川機場砂質黃土地下車站工程分幅施工實際情況，制定該車站主體結構不均勻沉降控制標準，并分析地下車站不均勻沉降的變形潛勢及其結構受力。

1 中川機場地下車站主體結構分幅施工與不均勻沉降控制標準

1.1 工程分幅施工概況

新建蘭州至中川機場鐵路中川機場站為地下一層工程，全長550.135 m，底板埋深13～15.5 m。原設計基坑支護方案采用鉆孔灌注樁+鋼支撐結構，框架主體采用縱向12～18 m分節，橫向整體一次澆筑。因工期緊張和基坑右側縱向布置電力隧道未及時遷改，并考慮到周邊場地開闊，采用放坡開挖和車站框架結構分幅施工方案。兩級放坡，坡率為1∶0.5，中部設置一定寬度分級平臺。車站框架結構分幅施工，即先施工已開挖的左半幅框架結構，待電力隧道遷改完成后，再開挖右半幅土方進行右半幅框架結構施工，如圖1所示。

1.2 工程地質和水文地質概況

圖1 車站結構示意圖

1.3 中川機場地下車站主體結構不均勻沉降控制標準

鑒于目前尚無地下車站主體結構分幅施工的先例，也沒有明確此種情況下的不均勻沉降控制標準，可借鑒類似建筑工程和地鐵鄰近施工等的相關控制標準制定本工程中的不均勻沉降控制標準。現行GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》要求框架結構和單層排架結構應由相鄰柱基的沉降差控制。對于中、低壓縮性地基土，框架結構的工業與民用建筑相鄰柱基的允許沉降差為0.002l，單層排架結構(柱距為6 m)柱基的允許沉降量為120 mm; 文獻[13]指出北京地區地鐵隧道鄰近建(構)筑物施工時，一般建(構)筑物地表沉降按30 mm、傾斜按3‰控制，重要建(構)筑物地表沉降按15～20 mm、傾斜按1‰控制，特別重要的建(構)筑物地表沉降按10 mm、差異沉降按5 mm 控制。鄰近橋梁施工時，預應力混凝土簡支T梁順橋向和橫橋向差異沉降控制基準分別為20 mm和5 mm，其他橋梁結構類型順橋向和橫橋向差異沉降均控制為5 mm; 文獻[14]對國內外幾十年來沉降理論和觀測成果進行分析，結合我國地基規范和其他相關規范給出了儲罐地基變形控制標準的建議值; 文獻[15]總結了目前各種建(構)筑物沉降和差異沉降的控制標準，如表1所示。

表1 建(構)筑物的允許沉降量和差異沉降量[15]

中川機場地下車站的基層主要為無水砂質黃土層，屬于中、低壓縮性土，按照GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》，則沉降差按照0.002l(即77 mm)控制，總沉降可參照體型簡單的高層建筑基礎的平均沉降量200 mm控制； 按照文獻[13]，則地表沉降按30 mm(30 mm不是基底沉降)、建筑物傾斜按3‰(即116 mm)控制； 按照文獻[15]，砂土鋼筋混凝土結構筏板基礎最大沉降量為5.0～8.0 cm、差異沉降量為2.0～3.0 cm。由于文獻[15]中砂土鋼筋混凝土結構筏板基礎控制標準最符合中川機場地下車站的地質和結構類型，且比現行GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》指標嚴格；因此，參照表1和文獻[15]制定中川機場地下車站主體結構沉降控制標準，如表2所示。根據表2中的沉降控制標準，可將變形潛勢分為安全、單指標預警、雙指標預警、臨界(只要一指標達到即可)、超限(只要一指標達到即可)等5個級別。

表2 中川機場地下車站主體結構沉降控制標準

Table 2 Settlement control standards for main structure of Zhongchuan Airport Underground Station mm

2 計算工況與計算模型

為全面比較與分析放坡開挖及車站框架結構施作分為左右半幅2步時，主體結構施工期間及長期的變形和受力狀況，分別擬定7種不同工況進行建模計算和對比分析。

2.1 計算工況

7種計算工況見表3。為分析車站主體框架結構施工期間整體施工、單一縱向施工縫和預留后澆帶3種施工方法對框架結構變形和受力的影響，不考慮放坡后的回填土和主體結構上覆土層及上部荷載，擬定前3種工況進行分析； 在前3種工況的基礎上，進一步考慮主體結構兩側回填土、上覆土層及上部荷載，擬定后4種工況，分析放坡開挖回填土壓力及左右半幅施工對結構的影響。

2.2 模型建立

采用FLAC3D軟件進行數值模擬，計算斷面如圖2所示。建立數值計算模型，如圖3所示。模型尺寸為120 m (長) ×1 m (寬)× 60 m (高)，整個計算域共劃分為3 462個節點和1 660個單元。

土體為彈塑性材料，摩爾-庫侖本構模型主要用來模擬松散或膠結的粒狀材料，比如土體、巖石、混凝土等，故地層采用彈塑性模型，屈服條件采用摩爾-庫侖準則。模型底部施加X、Y和Z方向的約束，側面及頂面施加法向約束。根據地質勘察報告，將相近的地層物理力學參數進行分組以便于建模計算，具體取值如表4所示，土層參數歸納為埋深2 m以上部分、2 m以下部分和回填土層3部分， 還有混凝土墊層和框架結構參數。

表3 計算工況匯總

圖2 計算斷面(單位： mm)

圖3 數值模擬計算模型

項目密度/(kg/m3)變形模量/MPa泊松比內摩擦角/(°)黏聚力/kPa土層2m以上165060.4222192m以下175070.42520回填土1780230.382722墊層2300310000.3323250框架結構2800300000.2406000

3 計算結果分析

3.1 框架施工期間前3種工況對比分析

為分析車站主體框架結構施工期間整體施工、單一縱向施工縫和預留后澆帶3種施工方法對框架結構變形和受力的影響，首先對前3種工況進行分析比較。前3種工況施工期間基底沉降對比曲線如圖4所示，水平坐標原點位于左右分幅縱向施工縫位置(下同)。由圖4可知： 工況1(整體施工)基底沉降最大為12.39 mm，最小為11.04 mm，不均勻沉降為1.35 mm，沉降差很小，可忽略不計； 工況2(單一縱向施工縫)基底沉降最大為19.32 mm，最小為9.83 mm，不均勻沉降為9.49 mm； 工況3(預留后澆帶)基底沉降最大為16.29 mm，最小為5.55 mm，先施工左部分沉降差較大，不均勻沉降為10.74 mm，左右框架間出現8.3 mm 的錯臺。故分左右半幅施工均會產生一定量的不均勻沉降，預留后澆帶則會使不均勻沉降稍微增加，并使左右框架間出現錯臺。

圖4 不考慮頂部回填土下3種工況施工期間基底沉降曲線

Fig. 4 Curves of foundation settlement under 3 working conditions without consideration of top roof backfill

前3種工況施工期間框架結構受力情況分別為：工況1(整體施工)車站框架結構的豎向最大拉應力和最大壓應力分別為0.110 MPa和0.104 MPa，水平最大拉應力和最大壓應力分別為0.218 MPa和0.215 MPa，受力較小； 工況2(單一縱向施工縫)車站框架結構的豎向最大拉應力和最大壓應力分別為3.77 MPa和4.54 MPa，水平最大拉應力和最大壓應力分別為4.57 MPa和4.62 MPa，受力相對較大； 工況3(預留后澆帶)車站框架結構的豎向最大拉應力和最大壓應力分別為2.15 MPa和1.43 MPa，水平最大拉應力和最大壓應力分別為2.73 MPa和2.66 MPa，相對工況2，結構受力明顯減小，說明預留后澆帶能有效改善結構受力。

3.2 兩側回填土和上覆荷載對結構長期變形的影響分析

兩側回填土產生的土壓力主要影響結構的水平方向位移，尤其是水平方向位移差對側墻和中間柱體的結構安全有明顯影響。為此，通過對比后4種工況下車站框架結構水平方向的變形來分析兩側回填土對結構的影響。

采用工況4時，框架結構豎向最大水平位移差約為0.5 mm，變形較小； 采用工況5時，框架結構豎向最大水平位移差約為10 mm； 采用工況6時，框架結構豎向最大水平位移差約為10 mm； 采用工況7時，框架結構豎向最大水平位移差約為0.7 mm。由此可見，兩側回填土產生的土壓力對結構的水平方向位移有一定影響。若采用左右半幅施工，預留后澆帶可以明顯減小沿框架結構豎向的最大水平位移差，與整體施工相差不大，明顯改善了結構受力。

3.3 兩側回填土和上覆荷載條件下左右半幅施工對基底長期沉降的影響分析

后4種工況施工完成后的基底沉降對比曲線如圖5所示。由圖5可知： 采用工況4時，車站框架結構的基底沉降在40 mm以內，最大為38.53 mm，最小為35.39 mm，不均勻沉降為3.14 mm，沉降差較小； 采用工況5時，基底沉降也在40 mm之內，最大為38.85 mm，最小為35.8 mm，不均勻沉降為3.05 mm，沉降差較小，并且后期兩側基坑土回填對框架結構兩側地基的沉降稍有影響，促進了基坑坡腳處沉降值的增加，對結構的整體均勻沉降有一定的促進作用； 采用工況6時，基底沉降已經超過40 mm，最大為47.52 mm，最小為34.62 mm，不均勻沉降為12.9 mm，且長期沉降曲線從左到右呈線性連續下降，斜率約為0.3‰； 采用工況7時，基底沉降最大為44.4 mm，最小為36.74 mm，且長期沉降曲線呈兩端大中間小的規律。左半幅不均勻沉降為3.83 mm，斜率約為0.2‰。右半幅不均勻沉降為7.97 mm，斜率約為0.4‰。由此可見，兩側回填土和上覆荷載共同作用下，雖然采用預留后澆帶措施后基底不均勻沉降值有一定減小，但由于設后澆帶后長期沉降曲線呈兩端大中間小的規律，使得右半幅沉降斜率大于工況6中的沉降斜率。

圖5 考慮結構頂部回填土下4種工況施工完成后的基底沉降曲線

Fig. 5 Curves of foundation settlement under 4 working conditions considering top roof backfill

3.4 兩側回填土和上覆荷載條件下左右半幅施工對結構長期受力的影響分析

采用工況4時，車站框架結構的豎向最大拉應力和最大壓應力分別為4.18 MPa和4.10 MPa，水平最大拉應力和最大壓應力分別為5.53 MPa和5.59 MPa； 采用工況5時，車站框架結構的豎向最大拉應力和最大壓應力分別為3.65 MPa和3.60 MPa，水平最大拉應力和最大壓應力分別為5.34 MPa和6.33 MPa； 采用工況6時，車站框架結構的豎向最大拉應力和最大壓應力分別為4.13 MPa和4.18 MPa，水平最大拉應力和最大壓應力分別為3.27 MPa和4.91 MPa。施工縫處拉應力為0.4 MPa，壓應力為0.2 MPa； 采用工況7時，車站框架結構的豎向最大拉應力和最大壓應力分別為3.28 MPa和3.96 MPa，水平最大拉應力和最大壓應力分別為4.21 MPa和4.86 MPa。施工縫處拉應力為3 MPa，壓應力為1 MPa。由此可見，后4種工況的車站框架結構最大拉應力和最大壓應力差別不大。不設后澆帶的工況6長期沉降曲線從左到右呈線性連續下降； 設后澆帶后的工況7長期沉降呈兩端大中間小的規律，施工縫處拉應力較大。

3.5 不同工況變形潛勢等級分析

為方便和中川機場地下車站主體結構不均勻沉降控制標準進行比較，確定其變形潛勢等級，匯總7種工況的最大應力、變形和變形潛勢等級，如表5所示。可以看出： 所有工況均滿足中川機場地下車站主體結構沉降控制標準。對不均勻沉降而言，設后澆帶在施工期和長期均有利； 但對結構受力而言，設后澆帶左右半幅施工在施工期有利，但對長期受力不利。不設后澆帶左右半幅施工不均勻沉降遠小于規范要求，且對結構長期變形和受力有利；因此推薦采用不設后澆帶左右半幅施工方案。

表5 7種工況下車站結構應力及變形潛勢對比

4 結論與建議

1)中川機場站變形潛勢可分為安全、單指標預警、雙指標預警、臨界(一指標達到即可)、超限(一指標達到即可)等5個級別； 數值模擬的所有工況均滿足中川機場地下車站主體結構沉降控制標準。砂質黃土條件下地下車站主體結構不同施工工況變形潛勢差異明顯，左右半幅2種工況分別出現雙指標預警和單指標預警的變形潛勢等級。

2)左右半幅單一縱向施工縫施工會產生一定量的不均勻沉降，預留后澆帶則會使不均勻沉降稍微增加，并使左右框架間出現錯臺，設后澆帶在施工期和長期均有利； 預留后澆帶可明顯改善結構在施工期的受力情況，但對長期受力不利，推薦采用不設后澆帶左右半幅施工方案。

3)本文對砂質黃土地下車站分幅施工變形規律進行了研究，可為類似工程控制不均勻沉降和指定合理的施工方案提供參考。今后遇到類似問題時，建議在本研究的基礎上，考慮工程地質條件的復雜性和結構類型的多變性，適度修正不均勻沉降控制標準與施工措施。

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Study of Deformation Rules of Underground Station in Sandy Loess Constructed by Semi Construction Method

CHEN Zhimin1, 2, LIN Pengzhen1, 2, FENG Yasong3

(1.KeyLaboratoryofRoad&BridgeandUndergroundEngineeringofGansuProvince,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,Gansu,China; 2.NationalandProvincialJointEngineeringLaboratoryofRoad&BridgeDisasterPreventionandControl,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,Gansu,China;3.InstituteofGeotechnicalEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,Jiangsu,China)

At present, there is no semi construction experience and settlement control standard for main structure of underground station. The main structure of Lanzhou Zhongchuan Airport Underground Station is constructed by semi construction method; and the uneven settlement standards for the underground station should be settled according to relevant standards and documents. The uneven deformation rules of the foundation and the stress of the station structure are analyzed under 7 conditions of the station structure with and without top roof backfill by software FLAC3D. The study results show that: 1) The deformation potentials can be classified into 5 levels, i.e. safety, single index warning, double index warning, critical state (as long as one index reached) and ultralimit (as long as one index reached). 2) The semi construction with post-cast strip is good for uneven settlement control during construction period and following long term. It is also good for structural stress during construction period but not for structural stress in long term. As a result, the semi construction without post-cast strip is recommended. 3) The deformation potentials of underground station in sandy loess under different working conditions vary obviously. The double index warning and single index warning occur under working conditions of semi construction.

sandy loess; underground station; semi construction; uneven settlement; control standard

2017-03-10;

2017-06-27

國家自然科學基金(11662007)； 甘肅省建筑節能和建設科技專項(JK2014-15)； 長江學者和創新團隊發展計劃滾動資助(IRT_15R29)

陳志敏(1979—)，男，河北臨城人，2012年畢業于蘭州交通大學，巖土工程專業，博士，副教授，主要從事巖土與地下工程方面的教學與科研工作。E-mail： chenzhimin0523@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.08.008

U 45

A

1672-741X(2017)08-0966-07