地鐵車站風道洞樁法施工對地層沉降的影響*

張麗麗

地鐵車站風道洞樁法施工對地層沉降的影響*

張麗麗

（北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，100042，北京//副教授）

以北京地鐵8號線某區(qū)間站PBA（洞樁法）工法施工為背景，通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件對小導洞開挖順序進行模擬，得到其最優(yōu)的施工方案。模擬結(jié)果表明：優(yōu)先施工下層導洞的方案三和方案四產(chǎn)生的地表沉降和拱頂沉降小于優(yōu)先施工上層導洞的方案一和方案二；同層導洞不同的施工順序也會對地表沉降和拱頂沉降產(chǎn)生不同的影響。最后通過四個施工方案產(chǎn)生的地表沉降和小導洞拱頂沉降的對比，確定采用方案三進行施工。方案三模擬數(shù)值與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)值比對結(jié)果表明，二者沉降趨勢和沉降量都相差不大，驗證了模擬結(jié)果的可靠性。

地鐵車站風道；PBA工法；數(shù)值模擬；沉降監(jiān)測

PBA工法俗稱洞樁法，是由我國最先提出應用的，是淺埋暗挖法的一種，結(jié)合蓋挖法與暗挖法的優(yōu)點獨創(chuàng)了其特殊性［1-4］。本工法能在含水層的地質(zhì)條件中施工，施工過程中對地層的擾動較小，對地下埋設的管線影響小，因此得到了迅速推廣。在我國地鐵隧道工程中，區(qū)間或車站采用PBA工法施工的有很多條線路，如北京地鐵6號線朝陽門車站、北京地鐵11號線雙井站、北京地鐵10號線東單車站等［6-8］。PBA工法的基本原理是，先進行小導洞開挖，在開挖的工程中進行初支，待小導洞開挖完成后進行條基、樁、冠梁、拱架等的施工，然后進行土體開挖成洞。

本文以北京地鐵8號線大紅門橋站—和義站項目為背景，通過FLAC3D數(shù)值模擬分析，得到不同的小導洞施工方案對地表沉降和小導洞拱頂沉降的影響，選取最優(yōu)施工方案，以有效控制地表沉降。

1 工程概況

北京地鐵8號線大紅門橋站—和義站區(qū)間工程位于北京市豐臺區(qū)南四環(huán)，所處建筑物密集；上方為主要交通道路，車輛繁多，下方埋設有多種市政管道。區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工。區(qū)間附屬結(jié)構(gòu)：區(qū)間共設置2個聯(lián)絡通道、1個區(qū)間風道（兼作廢水泵房），區(qū)間風井風道中心里程為K39+688.036。本工程的風道上方道路旁東邊是皮草批發(fā)市場和商業(yè)寫字樓，西側(cè)有多處民宅和一棟物流倉庫。風道上層導洞拱頂埋深為11.342 m，初支扣拱拱頂埋深為10.342 m。

風道區(qū)域的地質(zhì)情況：人工填土層有雜填土①1層和粉土填土①層；新近沉積層有粉土②層；第四紀全新世沖洪積層有粉砂③1層和卵石③層；第四紀晚更新世沖洪積層有粉細砂⑤1層、粉質(zhì)黏土⑤5層、卵石⑤3層和粉土⑤4層。風道底板位于粉細砂⑤1層。土層分布及參數(shù)見表1，地質(zhì)剖面圖見圖1。

表1 土層分布及參數(shù)

圖1 地質(zhì)剖面圖

區(qū)間內(nèi)有三種地下水賦存，潛水水位在13.89～14.29 m，層間水位在20.25～24.36 m，承壓水水位在23.75～30.24 m。

勘察顯示工程所在地層中的管線較為復雜，包括φ600雨水管，埋深1.44 m；DN500燃氣管，埋深1.56 m；DN1000上水管，埋深0.9 m；DN400中水管，埋深3.11 m；φ700污水管，埋深3.18 m；雨水方涵1 400 mm×1 200 mm，埋深1.57 m。各管線與小導洞位置關(guān)系如圖2所示。

本工程周邊建筑物密集，風道上方為道路主干道，車流量大。多條市政管道埋設于暗挖風道的上方，對施工要求高。風道暗挖段結(jié)構(gòu)形式采用雙層單跨四導洞施工（見圖3），施工過程要留有足夠長度的核心土。風道開挖長度65.05 m，風道上層導洞拱頂埋深為11.342 m，施工難度及風險大。

圖2 地下管線斷面圖

圖3 風道及小導洞斷面圖

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型設計

模型以水平向為x軸線，導洞開挖深度方向為y軸線，地面到洞底的深度為z軸線，模型尺寸為40.00 m×40.00 m×37.73 m。按照設計要求在模型上開挖4個小導洞分為A、B、C、D區(qū)，如圖4所示。

對底部邊界節(jié)點的x、y、z三個方向的速度進行約束，相當于固定支座，對x兩側(cè)的邊界進行水平速度約束［9］。由于y方向只設置一個單元長度，所以對模型中所有節(jié)點的y方向速度均進行約束，相當于進行平面分析。

土體假定為均勻、各向同性的彈塑性體，強度準則采用摩爾-庫侖準則［10］。由于施工過程會采取降水措施，所以不考慮地下水的影響。

圖4 模型示意圖

2.2 施工方案

由于風道北側(cè)為道路，南側(cè)為單層倉庫，為找到最優(yōu)的施工方案，本文擬定了 4種施工方案，通過數(shù)值模擬找到沉降最小的施工順序，作為最終的施工方案。

方案一：先施工上層A小導洞，深度達到10 m時，同時進行 B小導洞施工；當上層 A、B導洞相續(xù)封洞后，開始開挖 A、B導洞正下方對應的 C、D導洞。

方案二：先施工上層B小導洞，深度達到10 m時，同時進行 A小導洞施工；當上層 B、A導洞相續(xù)封洞后，開始開挖 A、B導洞正下方對應的 D、C導洞。

方案三：先施工下層C小導洞，深度達到10 m時，同時進行 D小導洞施工；當下層 C、D導洞相續(xù)封洞后，開始開挖 C、D導洞正上方對應的 A、B導洞。

方案四：先施工下層 D小導洞，深度達到 10 m時，同時進行 C小導洞施工；當下層D、C導洞相續(xù)封洞后，開始開挖D、C導洞正上方對應的B、A導洞。

在 FLAC3D模擬開挖施工中，遵循設計藍圖的要求每次進尺 2 m。

2.3 沉降計算結(jié)果對比

運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對不同開挖方案進行施工全過程模擬。通過歷史檢測點實時監(jiān)測模擬開挖過程中開挖對地表和拱頂造成的沉降情況。

將四個方案的沉降云圖繪制成柱狀圖（見圖5），可以看出方案二施工時造成的地表沉降值最大約為 35 mm，而方案三施工時造成的地表沉降值僅為25 mm，明顯要比其他幾種施工方案施工時造成的沉降小。從圖中可以看出四種施工方案施工時造成的拱頂沉降略有差異但相差不大。方案二施工時造成的沉降值最大為 63.698 mm，方案三施工時造成的沉降值為 63.649 mm，沉降值最小。方案三施工時造成的導洞上方的地表沉降和導洞拱頂?shù)某两抵蹬c其他三種施工方案相比最小，結(jié)合本工程對施工時的地表沉降的要求及施工時對周邊環(huán)境、地下市政管線的影響，方案三最適合本工程施工。

圖5 施工方案沉降圖

在對PBA工法施工進行全過程施工模擬時，設置了監(jiān)測點以便實時監(jiān)測施工過程中和施工完成后對導洞洞頂及地表沉降影響。為了更好地研究地表沉降，選取模型小導洞的正上方地面作為研究對象，選取了幾個檢測點來分析施工完成時對地表造成的影響。監(jiān)測曲線圖如圖6～圖11所示。

圖6 地表監(jiān)測點2沉降曲線

圖7 地表監(jiān)測點3沉降曲線

圖8 監(jiān)測點7 B小導洞洞頂沉降曲線

圖9 監(jiān)測點7 B小導洞洞頂細部詳圖

圖10 監(jiān)測點10 C小導洞洞頂沉降曲線

從圖6～圖11不同開挖方案的沉降曲線能夠得出以下結(jié)論：

（1）從沉降曲線變化趨勢可以清晰地看出，隨著小導洞的不斷挖深，對地表沉降的影響也越來越大，其沉降值也越來越大。

圖11 監(jiān)測點10 C小導洞洞頂細部詳圖

（2）從曲線圖可以明顯地看出，當小導洞的深度坐標相同時，四種方案施工時造成的地表沉降值不同，沉降值從大到小依次是方案二、方案一、方案四、方案三，也即先施工上層導洞所造成的沉降值大于先施工下層導洞造成的沉降。

（3）方案一與方案二相比，優(yōu)先從上層導洞施工時，先開挖B導洞所造成的地表沉降相比先開挖A導洞大。方案三方案四相比，優(yōu)先從下層導洞開挖時先開挖 D導洞造成的地表沉降相比開挖 C導洞大。

（4）從監(jiān)測點的曲線細部放大圖可知，在四種施工方案中，方案三施工時造成的地表沉降值最小，方案二施工時造成的地表沉降值最大。

由以上數(shù)值模擬結(jié)果可以得出，方案三更具有可行性，是適用于本工程的最優(yōu)方案。

3 模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比

采用方案三進行施工，施工過程中對地表沉降和小導洞拱頂沉降進行監(jiān)測，將監(jiān)測結(jié)果與模擬結(jié)果進行對比，判斷該方案是否滿足要求。

3.1 地表沉降對比

圖12為實測地表沉降與數(shù)值模擬地表沉降的對比。在數(shù)值模擬中，測點2和測點3的沉降較規(guī)律，沉降速率較穩(wěn)定。測點2沉降值始終比測點3大。現(xiàn)場監(jiān)測中，測點2和測點3與模擬結(jié)果較接近。測點2在小導洞開挖后即產(chǎn)生了 20 mm的地表沉降，在開挖2～12 m范圍內(nèi)的沉降較小，僅產(chǎn)生了 5 mm的沉降，在 12～23 m范圍內(nèi)沉降迅速增加到 35 mm，隨后沉降速率減小并穩(wěn)定，開挖到 40 m的最終沉降為 42 mm。現(xiàn)場監(jiān)測點3在小導洞開挖后產(chǎn)生了17 mm的沉降，從開始到開挖到 26 m處，該點逐漸下沉到 28 mm，從 26 m以后，沉降速率加大，開挖到 40 m時沉降為 41 mm。從兩條模擬沉降曲線和其對應的現(xiàn)場監(jiān)測曲線可以看出，模擬結(jié)果較好地反映了實際施工過程中的地表沉降。

圖12 地表沉降對比

3.2 小導洞拱頂沉降對比

圖13為小導洞拱頂沉降與數(shù)值模擬的拱頂沉降對比。數(shù)值模擬中測點7 B從開挖到30 m處沉降速率穩(wěn)定，沉降值為 28 mm，開挖到 30～32 m時沉降迅速增加到 60 mm，隨后緩慢增加到63 mm。現(xiàn)場監(jiān)測點7 B與模擬結(jié)果接近，在小導洞開挖到26 m之前沉降逐漸增加到 20 mm，在 26～29 m沉降迅速增加到 58 mm，最后趨于穩(wěn)定，在小導洞 40 m處沉降值為 60 mm。數(shù)值模擬中測點 10 C測點在小導洞開挖到 20 m之前拱頂沉降逐漸增加到17 mm，開挖到 20～30 m深度時沉降迅速增加到 58 mm，隨后沉降緩慢增加到 61 mm，與模擬結(jié)果相差2 mm。現(xiàn)場監(jiān)測中該測點在開挖到15 m之前沉降較穩(wěn)定，開挖到 10～20 m時沉降迅速增加到 41 mm，隨后沉降速率逐漸降低，最終沉降為65 mm。模擬測點和實測測點的沉降趨勢和沉降量都相差不大，可以用來指導施工。

圖13 小導洞拱頂沉降對比

4 結(jié)論

（1）通過對四種施工方案的數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)優(yōu)先施工上層導洞所造成的沉降大于優(yōu)先施工下層導洞造成的地表沉降。

（2）同層導洞開挖時，不同的開挖順序也會影響地表沉降大小，在施工前應充分考慮周邊的施工情況，采用數(shù)值模擬分析找出最優(yōu)的施工方案。

（3）地表沉降在小導洞開挖過程中增加較大，在施工時應注意加強小導洞的監(jiān)測和支護，防止地表沉降過大。

［1］ 戴玉超，張志斌.軟弱地層大跨度暗挖地鐵車站柱洞逆筑施工方 法［J］.鐵道 標 準 設計，2008（10）：78-82.

［2］ 肖廣智.北京地鐵天安門西站設計施工方案比選及優(yōu)化［J］.世界 隧道，2000（1）：23-27.

［ 3］ GAO C L，ZHU Y Q.Sensitivity analysis of parameters of cavern-pile method for shallow buried underground excavated tunnels［J］.Rock&Soil Mechanics，2007（S1）：536-539.

［4］ 申家國，張占彪.淺埋暗挖地鐵車站采用洞樁支承法施工技術(shù)［J］.西部探礦 工 程 ，2001（3）：55-57.

［5］ 徐治中，殷文華，王恒.鄰近建筑物暗挖地鐵車站采用洞樁法的 技術(shù)探討［J］.鐵道標準 設 計 ，2004（4）：82-84.

［6］ 蘇會鋒，劉維寧，彭智勇.北京地鐵 6號線朝陽門站導洞暗挖施 工 數(shù)值模 擬 研 究［J］.鐵道建 筑 ，2011（9）：62-65.

［7］ 杜建華，鮑薇，劉志娜，等.北京地鐵 10號線光華路站開挖群洞 效 應 的 數(shù) 值 模 擬 研 究［J］.北 京 科 技 大 學 學 報 ，2007（S2）：36-41.

［8］ 袁揚，劉維寧，丁德云，等.洞樁法施工地鐵車站導洞開挖方案優(yōu) 化 分 析［J］.地下 空 間 與 工 程 學 報 ，2011（S2）：1692-1696.

［9］ 韓健勇，趙文，關(guān)永平，等.地鐵車站洞樁法開挖變形規(guī)律分析［J］.應 用 力 學 學 報 ，2010（10）：623-629.

［10］ 劉軍，荀桂富，王剛，等.地鐵車站洞樁法施工方案對比研究［J］.施 工 技 術(shù) ，2015（19）：91-93.

［11］ 戴文亭，武皓，孫明志，等.長春地鐵解放大路站基于三維數(shù)值模擬的地鐵車站施工工法優(yōu)化分析［J］.隧道建設，2016，36（1）：12-19.

Influence of Pile-Beam-Arch Method on Metro Station Ground Settlement

ZHANG Lili

Based on the PBA construction method of an interval station on Beijing metro Line 8，F(xiàn)LAC3D numerical simulation software is used to simulate the excavating sequence of pilot tunnels，an optimized construction scheme is obtained.The simulation results show that the ground settlement and crown settlement caused by the constructions of lower pilot tunnel in scheme 3 and scheme 4 are less than that by the constructions of upper pilot tunnel in scheme 1 and scheme 2，different construction sequences in the same layer pilot tunnel also result in different impacts on ground settlement and crown settlement. Finally，based on a comparison between ground settlement and crown settlement of pilot tunnels in four construction schemes，scheme 3 is chosen to execute construction.A comparison between the simulation data of scheme 3 and the field monitoring data shows，the ground settlement and crown settlement in both cases are not very different，which verifies the simulation reliability of scheme 3.

metro station duct； PBA （pile-beam-arch）method； numerical simulation； settlement monitoring

TU433：U231.4

10.16037/j.1007-869x.2017.10.020

Author′s address Beijing Polytechnic College，100042，Beijing，China

*北京市教委科研計劃資助項目（KM20160853002）

2016-12-01）