北京地鐵車站洞樁法施工變形規律分析

李曉萌，王金明，王智，梁春

(北京市勘察設計研究院有限公司，北京 100038)

1 引 言

淺埋暗挖洞樁法在傳統地下工程施工技術基礎上，引入地上建筑施工理念，利用小導洞和樁技術在對地層不產生大擾動的情況下，在地下形成梁、柱縱向支撐體系，具有施工安全度高、結構受力條件好、周圍環境影響小等特點，近年來發展尤為迅速，在多個地鐵中都得到應用，對洞樁法的研究也隨之增多[1，2]。

翟萬波運用數值模擬方法，研究分析了洞樁法隧道左右間隔距離不同和主體開挖臺階長度不同時，掌子面掘進中地層和地表的變形規律[3]；王金明等以北京莫地鐵洞樁法施工車站為研究背景，系統分析了車站樁柱結構在施工過程中的應力應變分布特點[4]；楊子璇等對密貼下穿既有地鐵車站的洞樁法施工的地表及既有地鐵車站的沉降規律進行了研究，提出沉降控制方案[5]；羅正高運用有限元法模擬樁基自平衡試驗，對比分析樁頂加載和自平衡法加載樁基力學特性及對樁基承載力影響因素[6]；王明勝依據北京地區的環境特點及洞樁法的工藝特征，對洞樁法設計中施工豎井設置方式、橫通道設置方式、導洞設計、鋼管樁設計、扣拱設計等進行系統研究[7]；侯旭峰等結合正交試驗設計采用9種工況研究標明樁間土厚度、樁徑和圍巖級別3種因素對邊樁內力和橫向位移的影響[8]。

不斷增加的PBA工法理論研究多數都是針對雙層導洞車站，對于單層導洞的研究較少，結合工程實際情況，單層導洞洞樁法的應用也逐漸增多。本文的工程背景——北京地鐵16號線蘇州街站單層導洞PBA工法車站，原設計方案擬采用PBA工法8導洞開挖，現調整為4導洞開挖，僅保留了上層4個導洞，導洞的開挖順序依舊遵循先開挖兩邊導洞后開挖中間導洞的原則，待上層導洞開挖后，在洞內施作邊樁及中間鋼管樁，樁體深入底板下方土體，錨固在較堅硬的卵石層中用以支撐整體結構。本文運用FLAC3D軟件進行數值模擬，得出施工階段地層位移變化規律及結構變形規律，為以后類似地層車站修建提供一定的理論依據。

2 工程概況

2.1 工程概況

北京某地鐵線車站為雙層島式地下車站，總長 240.65 m。車站主體雙層段采用暗挖單層導洞洞樁法實施，標準段寬 23.5 m，高 17.12 m，覆土約 14 m；車站中部下穿某線車站為分離式平頂直墻矩形結構形式，采用PBA暗挖法施工，其中右線斷面為 9.4 m×7.67 m，左線為 9.4 m×8.77 m。

本文以車站南段暗挖主體為研究對象，平面圖如圖1所示，剖面圖如圖2所示。

圖1 南段暗挖主體平面圖

圖2 主體結構剖面圖

本車站擬建場地位于永定河沖洪積扇中上部，地貌類型為第四紀沖洪積平原，第四紀沉積韻律較為明顯。地層由人工填土層和第四紀沉積的黏性土、粉土、砂土、碎石土及第三紀基巖構成，從上至下各土層物理力學參數如表1所示。

各土層物理力學參數 表1

邊樁樁徑1.0 m，在模擬中等效為地連墻進行計算，樁長 22.8 m～27 m，相鄰樁中心標準間距 1.25 m，采用C30混凝土。鋼管柱填充C40混凝土。導洞回填澆筑采用C20混凝土，扣拱回填澆筑采用C40混凝土。二襯采用C40混凝土，中板澆筑采用C30混凝土。各材料物理力學參數如表2所示。

各材料物理力學參數 表2

3 單層導洞PBA工法數值模型

3.1 建立模型

本次模擬采用FLAC3D軟件進行模擬計算。本工程基底以上存在一層潛水，一層承壓水，因車站施工前先施工豎井，并根據地下水位及時調整泵型泵量確保降水效果良好，盡量使地下作業處于無水狀態，因此在進行模擬時不考慮地下水的影響。此次模擬土體時采用莫爾-庫倫模型，開挖使用null模型。一般情況下，模型計算邊界選開挖尺寸的3倍～5倍[9]，結合工程實際情況，選取 130 m×105 m×70 m區域建立三維計算模型，共產生 737 835個網格， 761 716個網格節點。將該模型外邊界的四個垂直面(x=-50 m、x=80 m、y=0 m、y=105 m)的法向位移進行約束，平面內不約束；再將計算模型底部的水平邊界(z=-50 m)進行固定約束；模型頂部為自由邊界。模型如圖3所示，車站結構如圖4所示。

圖3 三維網格模型

圖4 車站結構圖

3.2 計算方案

為較真實模擬車站開挖過程，計算過程分為：

(1)形成初始重力場；

(2)開挖導洞，先挖邊導洞后挖中導洞，相鄰導洞掌子面進度錯開 15 m；

(3)施作邊樁、中立柱、冠梁及頂縱梁；

(4)導洞回填，開挖扣拱下方土體并施作初期支護；

(5)拆除扣拱土體周圍導洞初支并施作扣拱部分二襯；

(6)開挖站廳層土體并施作站廳層底板；

(7)開挖站臺層土體，施作底板，開挖完成。

4 單層導洞PBA工法數值模型

4.1 豎向位移分析

經過模擬計算得出各施工階段模擬云圖如圖5所示。

圖5 各施工階段模型豎向變形云圖

將地表一斷面沉降數據輸出，得出各施工階段沉降曲線如圖6所示。

圖6 地表沉降圖

由圖5云圖可知：

(1)導洞開挖完成后，地表沉降呈現以車站中線為對稱軸的對稱分布，地表最大沉降值約為 20.83 mm，發生在中間位置，兩側沉降呈現逐漸減小趨勢，以車站中線為起點，對中線兩側 20 m范圍內的地表影響較大。沉降最大值發生在中導洞頂部位置，約為 34.90 mm，邊導洞沉降值略小，約為 21.61 mm。土體隆起也呈現出以車站中線為對稱軸的對稱分布，但隆起最大值發生在中導洞底部偏向車站中線的位置。

(2)樁體系施工完成后，因結構受力穩定，地表沉降增量較小，約為 0.73 mm，坑底隆起量略有減小。

(3)導洞回填，開挖扣拱下方土體并施作扣拱初支后，因扣拱下方土體開挖，應力釋放，對土層產生較大影響，使得地表沉降量增值較大，約為 10.23 mm。最大沉降量增大并發生在中拱上方，底部隆起增大，最大值發生在中導洞位置，但向車站中線移動。

(4)拆除扣拱土體周圍導洞初支并施作扣拱部分二襯后，雖然導洞初支部分拆除，但扣拱初支及二襯發揮作用，所以地表沉降增量較小，約為 1.14 mm，此時坑底隆起小幅度增大，最大隆起發生在車站中線位置。

(5)扣拱建立起來后，對洞室穩定性有所保障，站廳和站臺層開挖對地表沉降影響較小，沉降增量較小，累計最大地表沉降量約為 35.50 mm，發生在中拱上方。最大隆起發生在車站中線位置，且邊樁外側土體隆起減小。

結合圖6可以看出，隨著施工的進行地表沉降逐漸增大，呈現對稱趨勢，車站中線左右 20 m范圍內變化明顯，20 m以外的區域地表沉降變化較小逐漸趨近于0。地表最大沉降點發生在中線位置，導洞開挖引起最大地表沉降占總體的58.7%，樁體系施作引起最大地表沉降占總體的2.1%，扣拱初支引起最大地表沉降占總體的28.8%，扣拱二襯引起最大地表沉降占總體的3.2%，站廳和站臺層施工引起最大地表沉降占總體的7.2%。導洞和扣拱施工引起的地表沉降所占比例最大，高達90.7%，主要是因為導洞土體及扣拱土體開挖土方量較大，且扣拱二襯未完成前，車站結構尚不穩定，所以這兩階段沉降增量及速率較大。

4.2 地表水平位移分析

根據模型計算結果得出同地表沉降同斷面上各節點水平位移量，得出地表水平位移規律如圖7所示。

圖7 地表水平位移圖

由圖7可知，地表水平位移是以車站中線為對稱軸的反對稱圖形，車站中線兩側土體向中線方向移動壓縮，并隨著各施工階段的進行，地表水平位移逐漸增大，在據中線約 15 m的位置達到最大，且各階段施工對地表水平位移的影響同地表沉降相似，由圖7可明顯看出導洞和扣拱施工引起的地表水平位移量占比最大。

4.3 邊樁水平變形分析

樁體系施工后的各施工階段樁體變形云圖輸出，如圖8所示。

圖8 邊樁水平變形云圖

由圖8可知，隨著扣拱下土體開挖，初支、二襯施工，使得兩側邊樁呈現向結構內部移動現象，且變形為“兩端小，中間大”，并隨著站廳、站臺層施工，最大位移發生位置向下移動，最終處于中板和底板之間。根據各施工階段樁體最大位移量可以看出，扣拱施工時樁體位移量所占比例較大。

4.4 數值模擬結果與實測結果對比分析

將點DB36-02導洞回填后的模擬結果與實測結果對比，結果如圖9所示。

圖9 DB36-02實測數據與模擬結果對比圖

根據圖9對比結果，可以看出模擬值與實測值變形趨勢相同，但實測值大于模擬值，這是由于現場實際施工時周圍環境復雜，導致沉降的原因很多，所以不能夠將實際情況完全模擬，因此實測數據與模擬數據略有差異，但變形趨勢相同，因此可以用于對洞樁法施工的變形規律分析。

5 結 論

本文通過對洞樁法施工過程數值模擬，并與實測數據進行對比分析，得出：

(1)隨著施工的進行地表沉降逐漸增大，呈現對稱趨勢，車站中線左右 20 m范圍內變化明顯，且地表最大沉降點發生在中線位置，導洞和扣拱施工引起的地表沉降所占比例最大。

(2)施工的不斷進行，底部隆起量也逐漸增大，且呈現對稱分布，最大隆起位置從中導洞逐漸移動到車站中線。

(3)地表水平位移呈現出以車站中線為對稱軸的反對稱圖形，車站中線兩側土體向中線方向移動壓縮，并隨著各施工階段的進行，地表水平位移逐漸增大。

(4)邊樁隨著施工，兩側邊樁向結構內部移動，但中間變形較大，兩端較小，且呈現為“兩端小，中間大”的“凸”形。

(5)通過對各變形量的分析，可以明顯看出導洞和扣拱施工引起的變形所占比例最大，因此在施工過程中要嚴格按照設計、規范，加強這兩道工序的管理與監測，做好支護，時刻關注變形情況，確保施工安全。