卵石-泥巖復合地層中淺埋車站暗挖逆作施工引起地表沉降規(guī)律

文/新疆城建試驗檢測有限公司 李天華 白文英 孟效成

烏魯木齊市地層條件主要為上部卵石與下伏泥巖的復合地層，地質(zhì)條件比較特殊。同時1號線大多數(shù)車站采用“洞-樁-墻”淺埋暗挖法的施工方式（Pile-Beam-Arch，簡稱PBA施工工法），而復合地層條件下淺埋車站施工對環(huán)境的影響一直是工程界關(guān)心的核心問題。

因此本文以烏魯木齊地鐵1號線八樓站為背景，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析研究卵石與泥巖復合地層條件下地鐵車站PBA工法施工對地表沉降的影響，研究PBA工法各施工階段地表沉降規(guī)律，復合地層條件下地表沉降槽寬度參數(shù)，地表最大沉降量等內(nèi)容，為類似地鐵車站建設(shè)起指導作用。

工程概況

八樓站工程簡介

烏魯木齊市軌道交通1號線八樓站為換乘站。1號線車站沿新醫(yī)路東西方向，新醫(yī)路與友好北路、鯉魚山南路交口設(shè)站，車站總長329.4m，其中小里程暗挖段198m，設(shè)3座工作豎井，暗挖車站中心里程覆土高度約為10.67m，小里程端覆土高度為10.9m，小里程端與盾構(gòu)區(qū)間相接。暗挖主體橫斷面為雙柱三拱直墻平底斷面，采用暗挖類PBA工法施工。

設(shè)計概況

暗挖車站主體為地下兩層島式明暗挖結(jié)合車站，車站中心里程為YDK11+302.515。明暗挖分界里程為YDK11+397.115，標準段寬為23.3m，車站高度為16.68m。初期支護采用格柵鋼架加噴射混凝土支護體系，主體斷面采用4導洞形式開挖，上層中間一個大導洞3，兩側(cè)各一個小導洞1和2，下層中間一個大導洞4。兩側(cè)邊導洞采用上下臺階法開挖，上下中導洞采用“CD”法開挖。

車站開挖步驟

臺階法施工主體兩側(cè)小導洞1和2，施做圍護邊樁及樁頂縱梁，初期支護；CD法施工上下中導洞3和4，初期支護；施做頂部扣拱及初期支護；開挖上層土體，施做頂部二襯、中板及中縱梁；開挖下層土體，施做結(jié)構(gòu)底板。待底板達到設(shè)計強度后施做下部側(cè)墻，完成主體結(jié)構(gòu)施工。

圖1 暗挖車站結(jié)構(gòu)示意圖

地質(zhì)條件

本車站詳細地層分布及地層特征如下：

第四系全新統(tǒng)（Q4）

人工填筑土（Q4ml）：①-1雜填土；

第四系沖洪積（Q4al+pl）：②-10卵石（Q4al+pl）。

侏羅系（J）

⑤-1-2強風化泥巖（J2+3Ms)，⑤-1-3中風化泥巖（J2+3Ms)，⑤-2-2強風化砂巖（J2+3Ss）；

⑤-2-3中風化砂巖（J2+3Ss）；

⑤-3-2強風化礫巖，⑤-3-3中風化礫巖；

⑤-4煤。

圖2 八樓站暗挖車站地質(zhì)斷面圖

車站開挖數(shù)值模擬

數(shù)值模型

根據(jù)設(shè)計資料使用midas軟件建立模型，考慮邊界效應(yīng)的影響，土體寬度為80m，高度為40m，開挖方向長度為80m，地鐵車站以及導洞的模型尺寸及埋深按照設(shè)計資料進行建模，建立的數(shù)值模型如圖3所示，模型左右、前后邊界水平位移約束，下表面豎向位移約束，隧道各斷面開挖通過施工過程中單元的激活和鈍化功能完成。

導洞的噴射混凝土和車站結(jié)構(gòu)的混凝土采用面單元進行模擬，車站內(nèi)部的中柱以及車站側(cè)墻外部的圍護樁均采用梁單元進行模擬，土體分為四層，從上到下分別是雜填土、卵石層、強風化泥巖層和中風化泥巖層。

圖3 車站數(shù)值模型

參數(shù)選取

土體采用摩爾-庫倫模型，土體參數(shù)如表1所示。

車站襯砌及其他梁、板、柱等結(jié)構(gòu)的參數(shù)按照相應(yīng)的混凝土等級進行選取使用。

模擬開挖過程

根據(jù)實際施工情況，在開挖過程中以2米為一個施工步進行模擬，地鐵車站的整個開挖過程分為4步：

形成初始重力場；開挖導洞，施做初期支護；施做圍護樁、中柱以及車站頂拱，開挖上層土體并施做車站中板；開挖下層土體，施做底板、側(cè)墻，完成開挖。

計算結(jié)果及分析

地鐵車站采用PBA工法，土體開挖主要分為三部分：導洞開挖；車站上層土體開挖；車站下層土體開挖。

以車站中間斷面分析，根據(jù)計算結(jié)果可以看出，在導洞開挖后，地面最大沉降量為2.98mm，即由于導洞開挖面積比較小，對地層的擾動影響小，因此地表沉降量較小。車站上層土體開挖后，地面最大沉降為10.1mm，沉降量明顯大于導洞開挖施工階段，這說明在PBA工法施工過程中，車站上層土體的開挖對地層的擾動遠大于導洞開挖，土體加固措施在此施工階段應(yīng)當予以重視，但其沉降總量依然比較小，這是因為地鐵車站開挖地層上方是卵石層，在擾動較小的情況下，具有一定的承載能力，因此其地表沉降量也小于軟土地區(qū)。車站下層土體開挖后，其地面沉降量幾乎保持不變，這是因為PBA工法中，車站下層土體開挖前，進行了圍護樁以及頂拱二襯等車站結(jié)構(gòu)的施做，在下層土體開挖前形成了良好的支撐體系，因此車站下層土體開挖后不會引起地面進一步沉降。圖4為各施工階段后地面沉降曲線圖，從中可以看出地表沉降主要發(fā)生在車站上層土體開挖階段，導洞開挖階段與車站上層土體開挖階段的地表沉降量大致為3∶7。

圖4 車站各施工階段開挖后地表沉降曲線

隧道施工引起的地表沉降曲線與Peck公式或一系列修正的Peck公式所給出的地表沉降曲線吻合較好，沉降曲線可近似為正態(tài)分布曲線，Peck橫向分布公式為∶

式中：s為距離車站中心軸線x處地表沉降值；smax為地表最大沉降量；i為地表沉降槽寬度系數(shù)，可通過回歸求得。

地表沉降槽反彎點距離i反映開挖對地表影響的范圍，不同地層條件下車站開挖的地表沉降槽參數(shù)一般不同，本文通過數(shù)值模擬計算結(jié)果進行擬合得到了在該復合地層條件下的地表沉降槽參數(shù)i=5.86m。

選取車站正上方處節(jié)點數(shù)據(jù)進行分析，得到不同施工階段地表沉降隨開挖掌子面位置的關(guān)系，如圖5、圖6所示。從結(jié)果中可以看出，在導洞開挖階段，當開挖掌子面經(jīng)過地表測點斷面位置時，地表沉降量為該施工階段總沉降量的25%作用，掌子面遠離后，地表還會有比較大的沉降量，體現(xiàn)了地表沉降具有一定的時效特性。在上層土體開挖階段，發(fā)現(xiàn)在掌子面距離監(jiān)測斷面較遠時，地面雖然開始發(fā)生沉降，但沉降趨勢比較緩慢，當掌子面達到監(jiān)測斷面附近時，地表沉降速率明顯增加，當掌子面遠離監(jiān)測斷面并達到一定距離后，地表沉降量趨于收斂。

表1 土層物理力學參數(shù)

圖5 導洞開挖階段地表沉降與掌子面位置關(guān)系曲線

圖6 車站上層土體開挖階段地表沉降與掌子面位置關(guān)系曲線

監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

測點布置

沿車站開挖方向總共有20個監(jiān)測斷面，斷面編號為DB-50到DB-69，其中6個斷面為主要監(jiān)測斷面，每個斷面的監(jiān)測點數(shù)量為7或10個，地表沉降測點的具體布置如下圖7所示。

地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

圖7 車站地表沉降監(jiān)測點布置圖

圖8 DB-55斷面1號測點車站上層土體開挖階段地表沉降時程曲線

圖8和圖9分別為DB-55斷面1號測點和2號測點在車站土體整體開挖過程的地表沉降時程曲線，根據(jù)地表沉降時程曲線可以看出，在車站土體開挖過程中，當掌子面靠近監(jiān)測斷面時，監(jiān)測斷面地表收到地層擾動影響，產(chǎn)生輕微沉降現(xiàn)象，當掌子面經(jīng)過監(jiān)測斷面時，地表發(fā)生明顯沉降，且沉降速率較快。其中1號測點的地表沉降量為4.7mm，2號測點的沉降量為5.53mm。2號測點的沉降量大于1號測點，并且2號測點地表沉降速率也大于1號測點，分析原因是其測點位置更靠近車站中軸線，受土體開挖的影響更大造成的。通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)地表沉降主要發(fā)生在車站上層土體開挖階段，其規(guī)律與數(shù)值計算分析得到的結(jié)果相吻合。

選取DB-56斷面、DB-58斷面、DB-60斷面地表測點與數(shù)值計算得到的地表沉降槽曲線進行對比分析如圖10所示，可以看出地表測點的實測數(shù)據(jù)基本符合數(shù)值計算擬合的地表沉降槽曲線，即該地表沉降槽參數(shù)可以比較精確地刻畫卵石-泥巖復合地層條件下淺埋地鐵車站PBA工法開挖的地表沉降規(guī)律。

圖10 地表沉降槽曲線