洞樁法導(dǎo)洞施工地層響應(yīng)及施工參數(shù)優(yōu)化

呂國旗， 李 斌

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，暗挖法作為地鐵車站的一種修建方法，由于對地面交通的影響小、沉降控制相對較為容易等優(yōu)點，越來越受到人們的青睞。洞樁法作為暗挖法的一種，由于其施工效率高、結(jié)構(gòu)形式靈活等優(yōu)點，正逐漸成為修建地鐵車站時的首選[1]，因此，有越來越多的國內(nèi)外學(xué)者對洞樁法的施工過程進行了研究。黃生根等[2]通過對四洞三跨結(jié)構(gòu)洞樁法施工過程的研究得出了導(dǎo)洞同時開挖可造成群洞效應(yīng)，造成地層沉降增大，同時通過對洞樁法各施工階段的研究，得出了對地表沉降影響最大的施工階段是導(dǎo)洞開挖、初襯施工以及扣拱施工,最后研究了拱部土體水平位移的變化規(guī)律。王明勝[3]結(jié)合北京地區(qū)的水文地質(zhì)條件對洞樁法的施工工藝進行了初步研究,他結(jié)合前人經(jīng)驗總結(jié)了洞樁法施工中豎井設(shè)置、橫通道設(shè)置、導(dǎo)洞的設(shè)計、鋼管樁的設(shè)計、扣拱的設(shè)計等一系列工作,并得出了洞樁法施工中應(yīng)該滿足的應(yīng)用邊界條件，進一步發(fā)掘了洞樁法施工中關(guān)鍵的施工技術(shù)以及重難點問題。 Guan Yongping等[4]以沈陽中街地鐵站為例，研究了其關(guān)鍵施工技術(shù)以及樁-梁-拱(PBA)開挖方法對周邊環(huán)境的影響,研究探討了影響環(huán)境安全的主要風(fēng)險因素，總結(jié)了在人口密集的城市地區(qū)采用PBA開挖法進行地鐵車站建設(shè)的相應(yīng)風(fēng)險緩解措施和關(guān)鍵技術(shù)。

上述研究表明，在PBA工法施工過程中,控制地層沉降尤為重要。本文以北京地鐵7號線某車站洞樁法施工為背景，依據(jù)現(xiàn)場勘測的水文地質(zhì)資料，運用FIAC 3d軟件建立模型，對洞樁法導(dǎo)洞的開挖順序進行數(shù)值模擬，并對比了不同工況下的地層沉降。本研究對減少地鐵車站暗挖施工中地層的沉降具有一定的借鑒意義。

1 工程概況

車站采用地下兩層雙柱三跨的形式，車站主體長度237.6 m，標準段寬23.1 m，總高16.15 m，結(jié)構(gòu)底板埋深約31 m，頂板覆土厚約13.99 m。島式站臺寬度14 m。

雙井地形呈西高東低，自然地面標高在37.0～37.8 m。采用暗挖法施工，車站開挖深度范圍內(nèi)主要包括以下土層：粉土填土層、粉質(zhì)黏土層、圓礫層、圓礫卵石層、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層。

2 建立模型及模擬

2.1 模擬假設(shè)和參數(shù)

實際工程情況遠復(fù)雜于模擬情況，因此采用部分假定[5]：①將巖土體視為連續(xù)、均勻、各向同性介質(zhì)，采用摩爾-庫侖屈服準則；②僅考慮圍巖自重應(yīng)力場，不考慮構(gòu)造應(yīng)力的影響。

模擬參數(shù)：根據(jù)北京地鐵7號線地質(zhì)勘查報告和現(xiàn)行“鐵路隧道設(shè)計規(guī)范”，工程模擬的參數(shù)具體見表 1。

表1 地層材料參數(shù)

2.2 模型的建立

如圖 1所示，模型采用FIAC 3d中的extrusion橫拉形成，模型X向長120 m，Y向長60 m，Z向長60 m。X方向和Y方向均每隔2 m設(shè)置一個網(wǎng)格，模型總共有175 274個節(jié)點、171 360個單元，模型的約束條件除了地表為自由邊界外，其余各表面均沿其法向方向約束。

圖1 數(shù)值計算模型

2.3 監(jiān)測點的布設(shè)

考慮到邊界效應(yīng)[6]，因此選擇Y=30 m處作為監(jiān)測截面。車站橫向監(jiān)測范圍為120 m,沿地表設(shè)置47個監(jiān)測點。在X=28 m到X=92 m處，每隔2 m設(shè)置一個監(jiān)測點。在X=0 m到X=28 m和X=92 m到X=120 m處每隔4 m設(shè)置一個監(jiān)測點。另外，在每個導(dǎo)洞的洞頂設(shè)置一個監(jiān)測點。

2.4 模擬工況的選擇

車站采用洞樁法八導(dǎo)洞施工，拱分上下兩排，從上到下從左到右按序從小到大排列。小導(dǎo)洞寬4 m，高4.5 m，上下間距8.15 m。根據(jù)某車站主體小導(dǎo)洞的實際情況，研究對比分析先開挖上導(dǎo)洞跳躍錯挖法(工況一)、先開挖下導(dǎo)洞跳躍錯挖法(工況二)、先開挖上導(dǎo)洞先外后內(nèi)錯挖法(工況三)和先開挖下導(dǎo)洞先外后內(nèi)錯挖法(工況四)的不同開挖順序的影響。

2.5 施工步驟的說明

導(dǎo)洞開挖過程：由于導(dǎo)洞的同時開挖會導(dǎo)致群洞效應(yīng)使得地層沉降加大[7]，因此8個導(dǎo)洞需要錯距開挖。施工采用先開挖上導(dǎo)洞跳躍錯距開挖工況、先開挖下導(dǎo)洞跳躍錯距開挖工況、先開挖上導(dǎo)洞先外后內(nèi)開挖工況和先開挖下導(dǎo)洞先外后內(nèi)開挖工況，開挖順序如下：

工況一：①-③-④-②-⑤-⑦-⑧-⑥；

工況二：⑤-⑦-⑧-⑥-①-③-④-②；

工況三：①-④-②-③-⑤-⑧-⑥-⑦;

工況四：①-④-②-③-⑤-⑧-⑥-⑦。

相鄰開挖的導(dǎo)洞之間掌子面相隔8 m，導(dǎo)洞采用臺階法開挖，上下臺階之間相隔4 m，每2 m一個開挖步距。

3 計算結(jié)果分析

3.1 橫向地表沉降分析

選取四種工況次排導(dǎo)洞貫通時在Y=30 m截面的地層沉降模擬云圖，如圖 2所示。

圖2 四種工況地層沉降云圖

由圖2可知，四種工況下，當導(dǎo)洞全部貫通時地表最大沉降點回歸到模型中線，沉降槽中線出現(xiàn)在2號與3號導(dǎo)洞之間，最大地表沉降點出現(xiàn)在模型的中線附近[8]。從圖2還可以看出,在此階段四種工況的沉降趨勢基本相同，地表沉降方面，先開挖下導(dǎo)洞均大于先開挖上導(dǎo)洞。而在最大沉降方面，四種工況的最大沉降均在2號導(dǎo)洞與3號導(dǎo)洞之間，分別是17.57 mm、20.11 mm、18.20 mm、21.57 mm。

提取四種工況下導(dǎo)洞貫通時模型Y=30 m處地表沉降數(shù)據(jù)繪圖，如圖 3所示。從圖3可以看出，下層導(dǎo)洞開挖完成時，四種工況的地表沉降槽曲線大致相同，最大地表沉降均出現(xiàn)在模型中線處，但是最大地表沉降差距較大，工況一、工況二、工況三、工況四分別為15.10 mm、17.80 mm、16.30 mm、19.21 mm。其中先開挖上層導(dǎo)洞的地表沉降小于先開挖下層導(dǎo)洞，這說明在地表沉降控制方面先開挖上層導(dǎo)洞要優(yōu)于先開挖下層導(dǎo)洞[9]。同時，工況一、二的地表沉降分別小于工況三、四，這說明在地表沉降控制方面，跳躍錯挖開挖優(yōu)于先外后內(nèi)開挖。

圖3 地表沉降圖

3.2 拱頂歷時沉降分析

提取模型Y=30 m處各拱頂?shù)哪M計算數(shù)據(jù)繪圖，如圖4所示。

圖4 四種工況導(dǎo)洞拱頂歷時沉降圖

根據(jù)圖4，我們可以得出以下結(jié)論：

(1)工況一和工況三各導(dǎo)洞拱頂?shù)某两第厔荽笾孪嗤?。當上層?dǎo)洞開挖時，上層導(dǎo)洞的拱頂會出現(xiàn)沉降，且沉降速率較大，下層導(dǎo)洞拱頂則會出現(xiàn)隆起[10]。當下層導(dǎo)洞開挖時，下層導(dǎo)洞拱頂出現(xiàn)較大幅度的沉降，上層導(dǎo)洞出現(xiàn)較為和緩的沉降。對于工況二和工況四，下層導(dǎo)洞開挖時，上層和下層導(dǎo)洞頂均出現(xiàn)沉降，但下層導(dǎo)洞的沉降速率大于上層導(dǎo)洞。當上層導(dǎo)洞開挖時，上層導(dǎo)洞頂?shù)某两邓俾始哟?，而下層?dǎo)洞頂由于土體卸荷沉降小幅減小。

(2)對比工況一和工況二，工況二的各導(dǎo)洞沉降均大于工況一，這說明在拱頂沉降控制方面，先開挖上層導(dǎo)洞工況優(yōu)于先開挖下層導(dǎo)洞工況。對比工況一和工況三，二者的各導(dǎo)洞頂?shù)某两迪嗖畈淮?，說明跳躍錯距開挖和先外后內(nèi)開挖對導(dǎo)洞頂?shù)某两涤绊懖淮蟆?/p>

(3)在四種工況中，上層導(dǎo)洞中2號和3號導(dǎo)洞的拱頂沉降最大，下層導(dǎo)洞中6號和7號導(dǎo)洞的拱頂沉降最大，這是因為2號、3號、6號、7號導(dǎo)洞位于各層導(dǎo)洞的中間，受到各層導(dǎo)洞開挖的土體擾動較大[11]。

4 結(jié) 論

本章依托北京地鐵7號線某車站工程，對PBA工法施工過程進行模擬，提出了先開挖上導(dǎo)洞跳躍錯距開挖、先開挖下導(dǎo)洞跳躍錯距開挖、先開挖上導(dǎo)洞先外后內(nèi)開挖、先開挖下導(dǎo)洞先外后內(nèi)四種工況，并對開挖完成后的地表和地層沉降進行分析，之后對拱頂歷時沉降進行了分析，得出以下結(jié)論：

(1) 先開挖上導(dǎo)洞工況地表最終沉降均小于先開挖下導(dǎo)洞工況。同時，由于群洞效應(yīng)的影響，后開挖導(dǎo)洞拱頂沉降大于先開挖導(dǎo)洞。因此在施工過程中應(yīng)優(yōu)先考慮先開挖上導(dǎo)洞方案，并做好后開挖導(dǎo)洞的拱頂沉降的控制。

(2)對比工況一和工況二，工況二的各導(dǎo)洞沉降均大于工況一，這說明在拱頂沉降控制方面，先開挖上層導(dǎo)洞工況優(yōu)于先開挖下層導(dǎo)洞工況。對比工況一和工況三，二者各導(dǎo)洞頂?shù)某两迪嗖畈淮?，說明跳躍錯距開挖和先外后內(nèi)開挖對導(dǎo)洞頂?shù)某两涤绊懖淮蟆?/p>

(3)在四種工況中，上層導(dǎo)洞中2號和3號導(dǎo)洞的拱頂沉降最大，下層導(dǎo)洞中6號和7號導(dǎo)洞的拱頂沉降最大，這是因為2號、3號、6號、7號導(dǎo)洞位于各層導(dǎo)洞的中間，受到各層導(dǎo)洞開挖的土體擾動較大。