地鐵車(chē)站洞樁法施工時(shí)群洞效應(yīng)對(duì)比分析

李金奎， 陳 朋

(1.大連大學(xué)建筑工程學(xué)院，大連 116622；2.大連市隧道與地下工程中心，大連 116622)

中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展必將帶動(dòng)交通的發(fā)展，如進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)地鐵的高速發(fā)展。在地鐵建設(shè)過(guò)程中由于城市用地空間的約束，大部分地鐵都選擇了地下暗挖施工方法。這種施工方法減少了施工占地面積而且降低了對(duì)周邊環(huán)境的影響，其中地鐵車(chē)站的施工是整個(gè)地鐵工程施工過(guò)程中的節(jié)點(diǎn)工程。在中國(guó)成功應(yīng)用的地鐵修建工法有明挖法、暗挖法、蓋挖法、洞樁(pile-beam-arch, PBA)工法、盾構(gòu)擴(kuò)挖法及特殊工法等。由于每種工法都有其施工原理和各自的適用條件，所以在選擇施工工法時(shí)，不僅要考慮經(jīng)濟(jì)條件和工程地質(zhì)條件，還要兼顧到周?chē)┕さ沫h(huán)境和水文條件等其他條件[1-2]。

在地鐵車(chē)站施工工法中，PBA工法施工所產(chǎn)生的地表沉降較小，因而是修建淺埋地鐵車(chē)站中首選的一種工法。王崢崢等[3]根據(jù)大連地鐵松江路車(chē)站運(yùn)用數(shù)值模擬的方法研究了地鐵車(chē)站采用洞樁法施工對(duì)地層沉降的影響，得出地表沉降槽受群洞的影響明顯；杜建華等[4]結(jié)合北京地鐵10號(hào)線一期工程光華路地鐵車(chē)站，運(yùn)用FLAC3D模擬了5種施工方法所產(chǎn)生的影響，得出了中洞施工的最佳順序；劉明[5]結(jié)合徐州某地鐵車(chē)站研究了大空間地鐵車(chē)站采用洞樁法施工的力學(xué)效應(yīng)，得出了小導(dǎo)洞施工對(duì)地表沉降影響較大的結(jié)論；秦曉英[6]結(jié)合北京地鐵10號(hào)線工體北路站，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比了采用PBA工法和交叉中隔壁法(center cross diagram，CRD)法施工產(chǎn)生的地表沉降，得出了前一種工法累計(jì)的地表沉降僅為后一種工法的61%。為此，以大連地鐵5號(hào)線為工程背景，midas-GTS為數(shù)值計(jì)算工具，運(yùn)用正交試驗(yàn)的研究方法，對(duì)導(dǎo)洞施工順序、施工方法和作業(yè)方式等因素在地表沉降中所起的作用進(jìn)行研究。

1 工程概況

1.1 車(chē)站情況

大連地鐵5號(hào)線是大連市的一條在建地鐵線路，長(zhǎng)23.8 km，共有7座換乘車(chē)站，其中勞動(dòng)公園站為其中的一個(gè)換乘車(chē)站。大連地鐵5號(hào)線于2017年8月正式開(kāi)工建設(shè)，預(yù)計(jì)于2023年3月建成運(yùn)營(yíng)。勞動(dòng)公園站位于解放路與自衛(wèi)街交叉口處，沿解放路南北方向布置。勞動(dòng)公園站起點(diǎn)里程為K7+531.659，終點(diǎn)里程為K7+722.859，長(zhǎng)度為191.2 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度23.3 m。車(chē)站主體為地下兩層島式車(chē)站，站臺(tái)寬14 m，車(chē)站頂板覆土約18.7～24.0 m。車(chē)站周邊現(xiàn)狀：東北側(cè)為大連市第九中學(xué)，東南側(cè)為18層、7層、3～4層居民樓，西側(cè)為大連市第二十四中學(xué)，南側(cè)為勝利東路高架橋，周邊環(huán)境比較復(fù)雜，對(duì)施工要求比較高，施工過(guò)程中要盡量減少對(duì)周邊環(huán)境的影響，把不利影響和施工風(fēng)險(xiǎn)降到最低，所以選用占地面積較小的地下暗挖法施工。

車(chē)站主體采用PBA暗挖法施工，主體結(jié)構(gòu)和導(dǎo)洞位置如圖1所示。導(dǎo)洞初期支護(hù)斷面結(jié)構(gòu)形式為直墻拱，邊導(dǎo)洞內(nèi)設(shè)置冠梁，導(dǎo)洞初支厚度為250 mm，導(dǎo)洞間頂拱采用300 mm初期支護(hù)，端部嵌固在冠梁內(nèi)，側(cè)壁采用豎向格柵和砂漿錨桿支護(hù)形式，局部地質(zhì)較差部位采用φ1 000灌注樁，間距為5 000 mm。

圖1 車(chē)站主體結(jié)構(gòu)和導(dǎo)洞位置Fig.1 Station main structure and guide hole location

1.2 工程地質(zhì)

根據(jù)巖土的時(shí)代成因和工程特征，車(chē)站施工范圍內(nèi)地層由上至下各層為素填土、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化板巖、中風(fēng)化輝綠巖。車(chē)站所處的中風(fēng)化灰綠巖為V級(jí)圍巖，強(qiáng)風(fēng)化板巖層為IV級(jí)圍巖。巖土參數(shù)情況如表1所示。

表1 地層巖土參數(shù)Table 1 Stratum geotechnical parameters

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

使用有限元軟件midas-GTS進(jìn)行數(shù)值模擬[7-8]。模型尺寸選為60 m×30 m×60 m，車(chē)站的軸向長(zhǎng)度選為30 m，高度為60 m，寬度為60 m，模型原點(diǎn)定在兩層導(dǎo)洞平面對(duì)稱(chēng)軸的交點(diǎn)上，這樣有利于進(jìn)行地表的變形分析。根據(jù)工程的實(shí)際巖土勘察報(bào)告將地層分為4層：素填土、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化板巖和中風(fēng)化輝綠巖，以符合工程的實(shí)際情況。在初期支護(hù)之前用小導(dǎo)管注漿的辦法加固地層，超前注漿加固通過(guò)改變巖層的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，初期支護(hù)為C25噴射混凝土，在模型中采用析取單元的方法建立初期支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)。導(dǎo)洞編號(hào)及位置如圖2所示。

圖2 導(dǎo)洞編號(hào)及位置Fig.2 Guide hole number and position

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)主要是數(shù)理統(tǒng)計(jì)中一種試驗(yàn)方法，在試驗(yàn)中主要包括試驗(yàn)因素和試驗(yàn)水平。采用正交試驗(yàn)來(lái)確定數(shù)值模擬方案的個(gè)數(shù)，在導(dǎo)洞開(kāi)挖過(guò)程中主要涉及到開(kāi)挖方式、開(kāi)挖順序、開(kāi)挖步距、作業(yè)方式4個(gè)因素，每個(gè)因素又包含不同的水平，具體的水平分布如下。

(1)開(kāi)挖方式。導(dǎo)洞的主要開(kāi)挖方式有全斷面法、臺(tái)階法、中隔壁法(center diaphragm，CD)法和CRD法。因?yàn)椴捎肞BA法修建地鐵車(chē)站，需要在導(dǎo)洞中進(jìn)行邊柱、邊梁、頂縱梁等修建，所以選擇有利該工法實(shí)施的全斷面法、臺(tái)階法和CD法。該因素共3個(gè)水平。

(2)開(kāi)挖順序。導(dǎo)洞的開(kāi)挖順序有先上層開(kāi)挖后下層開(kāi)挖、先兩邊開(kāi)挖后中間開(kāi)挖的順序，不同的開(kāi)挖順序地表的響應(yīng)情況會(huì)有一些差別。開(kāi)挖順序具體可分為a:1導(dǎo)洞→4導(dǎo)洞→2導(dǎo)洞→3導(dǎo)洞→5導(dǎo)洞→6導(dǎo)洞；b:5導(dǎo)洞→6導(dǎo)洞→1導(dǎo)洞→4導(dǎo)洞→2導(dǎo)洞→3導(dǎo)洞；c:2導(dǎo)洞→3導(dǎo)洞→1導(dǎo)洞→4導(dǎo)洞→5導(dǎo)洞→6導(dǎo)洞。該因素分為3個(gè)水平。

(3)開(kāi)挖步距。主要是在開(kāi)挖過(guò)程中無(wú)論是采用全斷面法還是臺(tái)階法等都會(huì)有開(kāi)挖步距的存在，不同的開(kāi)挖步距會(huì)涉及到導(dǎo)洞支護(hù)方式的選擇和開(kāi)挖斷面上應(yīng)力釋放的效果。該因素設(shè)置開(kāi)挖步距1、1.5和2 m 3個(gè)水平。

(4)作業(yè)方式。多個(gè)導(dǎo)洞施工的過(guò)程中可以采用同步作業(yè)的方式，也可以采用流水作業(yè)的方式。同步作業(yè)的方式就是兩個(gè)或者多個(gè)導(dǎo)洞同時(shí)施工，但這樣的施工方法各導(dǎo)洞之間的相互影響會(huì)更大一些，在施工過(guò)程中要注意地表變形，加強(qiáng)施工過(guò)程中的監(jiān)測(cè)；采用流水作業(yè)的方式就是每導(dǎo)洞按照安排好的順序施工，這樣就不會(huì)相互影響，但是工期會(huì)相應(yīng)地比同步作業(yè)的長(zhǎng)。該因素設(shè)置兩個(gè)水平。

根據(jù)所研究涉及的4個(gè)因素，每個(gè)因素又分為不同的水平，所以選用混合水平正交試驗(yàn)，并且以地表沉降值作為試驗(yàn)結(jié)果的分析指標(biāo)，混合正交表的因素和水平如表2所示。

表2 混合正交試驗(yàn)因素與水平Table 2 Mixed orthogonal test factors and levels

這是一個(gè)三因素三水平和一因素兩水平的混合正交試驗(yàn)，所以選用L9(21×33)混合水平正交試驗(yàn)表，共9個(gè)試驗(yàn)方案，具體的正交試驗(yàn)及結(jié)果如表3所示，正交表中A、B、C、D各代表一個(gè)因素，每一行代表了一個(gè)模型試驗(yàn)方案，例如試驗(yàn)號(hào)1：A1B1C1D1為運(yùn)用全斷面法、采用循環(huán)順序?yàn)閍、開(kāi)挖步距為1 m、流水作業(yè)開(kāi)挖導(dǎo)洞的方案。

表3 混合正交試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Mixed orthogonal test results

3 計(jì)算結(jié)果分析

按照極差分析的方法對(duì)混合正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，各因素不同的水平會(huì)對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生不同的影響，根據(jù)極差的大小，可以判斷出哪個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)的影響最大，該因素在實(shí)際工程所產(chǎn)生的影響也可能就越大，并根據(jù)實(shí)際工程的情況進(jìn)行重點(diǎn)防控[9-11]。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)各因素的極差進(jìn)行排列：R4>R3>R1>R2，因此各因素影響的主次關(guān)系為作業(yè)方式、開(kāi)挖步距、開(kāi)挖方式、開(kāi)挖順序。圖3所示為各方案數(shù)值模擬所得到的地表沉降，從中可以看出雖然各個(gè)方案的施工方法、作業(yè)方式等并不相同，但是所有的試驗(yàn)方案所產(chǎn)生的地表沉降卻是大致一致的。

圖3 地表沉降曲線Fig.3 Surface settlement curve

從圖4中可以詳細(xì)地分析出各個(gè)因素與地表沉降之間關(guān)系。

圖4 因素水平關(guān)系Fig.4 Factor level relationship

3.1 地表沉降和開(kāi)挖方式(因素A)的關(guān)系

開(kāi)挖方式表現(xiàn)出了單個(gè)導(dǎo)洞施工方法的問(wèn)題。采用不同的方法施工導(dǎo)洞會(huì)和地鐵修建工期、經(jīng)濟(jì)成本和機(jī)械設(shè)備周轉(zhuǎn)等產(chǎn)生直接關(guān)系。根據(jù)極差分析可知，開(kāi)挖方式是影響地表沉降的第三重要因素，因此在地表沉降中占有重要的地位。在試驗(yàn)中共設(shè)置了全斷面法、臺(tái)階法和CD法3種開(kāi)挖方式，從計(jì)算結(jié)果中可以看出，采用臺(tái)階法開(kāi)挖所產(chǎn)生的地表沉降最小。這是因?yàn)椴捎门_(tái)階法中蘊(yùn)含了“化整為零”的思想，而全斷面法開(kāi)挖，一次開(kāi)挖整個(gè)斷面，整個(gè)斷面上的應(yīng)力全部釋放，所產(chǎn)生的地層響應(yīng)效果是不利的。采用臺(tái)階法則不然，在施工過(guò)程中把整個(gè)斷面分為上下兩個(gè)臺(tái)階，開(kāi)挖完成一個(gè)臺(tái)階后進(jìn)行支護(hù)一次，應(yīng)力分為多次釋放，不會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生不利的影響。應(yīng)力釋放過(guò)程是個(gè)緩慢的釋放過(guò)程，所以在地表沉降方面的影響也會(huì)進(jìn)一步減小，所以對(duì)于控制地表沉降是有利的。然而在采用CD法施工過(guò)程中，雖然地表沉降也得到了一部分的控制，略小于全斷面法，但是在施工的過(guò)程中把整個(gè)斷面分為左右兩部分，而且在初期支護(hù)方面，會(huì)在導(dǎo)洞橫斷面內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)中隔面，施工工作面小，不利于PBA工法施做。

3.2 地表沉降和開(kāi)挖順序(B因素)的關(guān)系

在試驗(yàn)結(jié)果中可以得到，本次試驗(yàn)無(wú)論是采用先兩邊、中間然后下層的施工方法還是先下層后上層的施工方法對(duì)地表沉降都不會(huì)產(chǎn)生太大的影響。這主要是因?yàn)椋紫缺竟こ痰膶?shí)際情況是地鐵車(chē)站埋深較大，而且整個(gè)車(chē)站都處在中風(fēng)化輝綠巖之中，其次上層是較為穩(wěn)定的強(qiáng)風(fēng)化板巖，巖層的差異性較小，再次是各導(dǎo)洞的層距較大，導(dǎo)洞之間的相互影響較小，所以無(wú)論是采用何種的開(kāi)挖順序?qū)Φ乇沓两档挠绊懚驾^小。但是在施工中還是會(huì)根據(jù)工程的實(shí)際情況、施工的難易性和施工的風(fēng)險(xiǎn)等選擇合適的開(kāi)挖順序，其中較為認(rèn)定的開(kāi)挖方式是先兩邊后中間的開(kāi)挖方式，上下層之間的開(kāi)挖順序主要根據(jù)工程的特點(diǎn)來(lái)決定。

3.3 地表沉降和開(kāi)挖步距(C因素)的關(guān)系

不同開(kāi)挖步距的選擇主要和工程的地質(zhì)情況、機(jī)械設(shè)備和施工進(jìn)度有關(guān)。試驗(yàn)中共設(shè)置了1、1.5和2 m 3個(gè)水平，采用不同的開(kāi)挖步距與導(dǎo)洞支護(hù)方式也密切相關(guān)，從數(shù)據(jù)中可以看出，采用1 m的開(kāi)挖步距地表沉降比較小，這與隧道“短開(kāi)挖、強(qiáng)支護(hù)”[5]的施工原則是符合的，采用短的開(kāi)挖步距，每次應(yīng)力釋放比較小，而且支護(hù)及時(shí)，所以地表沉降較小。但具體的開(kāi)挖步距還和工程地質(zhì)情況緊密相連，在比較容易開(kāi)挖的地層中可以選擇一些長(zhǎng)進(jìn)尺的施工步距，以加快施工進(jìn)度。

3.4 地表沉降和作業(yè)方式(因素D)的關(guān)系

試驗(yàn)的結(jié)果分析可知，作業(yè)方式為最主要的影響因素，而且采用流水作業(yè)的方式所產(chǎn)生的地表沉降最小，主要是因?yàn)椴捎昧魉淖鳂I(yè)方式，各導(dǎo)洞之間施工沒(méi)有干擾，不會(huì)產(chǎn)生多導(dǎo)洞之間的耦合作用。采用何種的作業(yè)方式主要和支護(hù)方式、工期的要求有很大關(guān)系。采用比較強(qiáng)的支護(hù)方式進(jìn)行施工的時(shí)，對(duì)巖層的變形約束較大，可以考慮采用同步作業(yè)的方式。但是采用同步作業(yè)的方式，施工風(fēng)險(xiǎn)比較大，一定要在安全的前提下進(jìn)行導(dǎo)洞開(kāi)挖，不能為了追求工期而不顧安全。在采用同步作業(yè)施工時(shí)，也可選用先兩邊后中間、先上層后下層的跳洞開(kāi)挖方式，這樣會(huì)減少各導(dǎo)洞之間的耦合作用，有利于工程安全。

3.5 最佳施工方案的選擇

從上面分析可知：在開(kāi)挖方式中選用臺(tái)階法能比較好地控制地表沉降；在開(kāi)挖順序中可以根據(jù)工程具體情況選用不同的方式，但建議選用先兩邊、中間、后下層的開(kāi)挖順序，這樣的施工順序比較有利于施工安排；在開(kāi)挖步距中，可以?xún)?yōu)先選用1 m的開(kāi)挖步距，這樣的開(kāi)挖步距雖然工序比較繁瑣，但是地表沉降較小，在對(duì)地表沉降比較敏感的地下施工時(shí)可以選用1 m的施工步距；在作業(yè)方式上應(yīng)選用流水作業(yè)的方式，這樣的作業(yè)方式避免了多斷面施工的交叉影響，而且施工風(fēng)險(xiǎn)低，地表沉降較小，是很合理的施工方式。因此最佳的施工方案是A2B1C1D1。

4 實(shí)際監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬的對(duì)比分析

車(chē)站主體東側(cè)為大連市第九中學(xué)，西側(cè)為大連市第二十四中學(xué)，均為比較重要的建筑，而且在施工影響范圍內(nèi)管線主要有通線光纜、燃?xì)夤堋⑽鬯堋⒆詠?lái)水管等，周邊環(huán)境比較復(fù)雜。為了把施工影響降到最低，應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的施工監(jiān)測(cè)[12-13]，主要進(jìn)行地表沉降監(jiān)測(cè)，進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集，并繪制沉降曲線圖這樣可以更好地了解在施工時(shí)地層及周邊建筑的反映情況，一旦出現(xiàn)危險(xiǎn)現(xiàn)象可以及時(shí)采取應(yīng)急措施，使險(xiǎn)情在掌控范圍之內(nèi)，不造成人身危害和財(cái)產(chǎn)損失。地表沉降監(jiān)測(cè)布點(diǎn)圖如圖5所示。

圖5 地表沉降監(jiān)測(cè)布點(diǎn)Fig.5 Surface settlement monitoring

從圖6中可以看出，地表沉降曲線的線型和數(shù)值模擬得到的線型是一致的，兩條曲線在邊界上基本重合，說(shuō)明地下施工的影響是隨著距離施工中心線逐漸減弱的，在施工中線上方形成了一個(gè)基本對(duì)稱(chēng)的沉降槽曲線，在對(duì)稱(chēng)中線上地表沉降達(dá)到最大值。實(shí)際監(jiān)測(cè)沉降曲線在以中線左右各20 m范圍內(nèi)的地表沉降只略大于數(shù)值模擬得到的結(jié)果，所以在實(shí)際的工程中，要以數(shù)值模擬得到的結(jié)果作為參考，來(lái)預(yù)測(cè)地表沉降的大概趨勢(shì)，必須進(jìn)行工程的實(shí)際監(jiān)測(cè)，來(lái)具體掌握整個(gè)工程范圍內(nèi)的地層變形情況。

圖6 地表沉降對(duì)比分析Fig.6 Comparative analysis of surface settlement

5 結(jié)論

結(jié)合大連地鐵5號(hào)線勞動(dòng)公園站工程實(shí)踐，運(yùn)用有限元數(shù)值模擬和正交試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了在采用PBA工法施工過(guò)程中與群洞效應(yīng)有關(guān)的因素及對(duì)群洞效應(yīng)的影響，結(jié)論如下。

(1)在采用PBA工法修建車(chē)站過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)群洞效應(yīng)，在產(chǎn)生的地表沉降中，導(dǎo)洞的作業(yè)方式起決定性作用。

(2)采用正交試驗(yàn)、數(shù)值模擬和極差分析的方法，能夠合理地安排試驗(yàn)方案，確定了對(duì)地表沉降產(chǎn)生影響的因素的主次關(guān)系。

(3)得出了在大連濱海地區(qū)采用PBA工法施工過(guò)程中比較適合的導(dǎo)洞施工方案，即采用臺(tái)階法、先上層后下層、先兩邊后中間的導(dǎo)洞開(kāi)挖順序、開(kāi)挖步距為1 m的流水作業(yè)方案能有效地控制施工過(guò)程中地層的變形反應(yīng)情況，并且能有效地減少地面沉降，使地層的向上變形影響降到最低，能為后續(xù)的工程建設(shè)提供經(jīng)驗(yàn)。

(4)通過(guò)實(shí)際工程監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)地表沉降呈現(xiàn)出沉降槽的規(guī)律，并且實(shí)際監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬得到的結(jié)果基本吻合，為地表沉降的預(yù)測(cè)提供合理的依據(jù)。