黃土地區(qū)PBA法暗挖車站快速施工關(guān)鍵技術(shù)研究*

商學(xué)旋,徐巖軍,黃開雷,楊 焜,劉 義,席 宇,李 偉

(1.陜西建工集團(tuán)股份有限公司鐵建工程部,陜西 西安 710004;2.陜西省建筑科學(xué)研究院有限公司地下空間工程研究所,陜西 西安 710082)

0 引言

PBA(pile-beam-arch)工法結(jié)合了暗挖法和蓋挖法的特點(diǎn)[1],施工占用場(chǎng)地小,無須進(jìn)行地面交通導(dǎo)改,施工過程中路面及周邊建筑物的變形控制效果較好[2],尤其適用于城市密集區(qū)的地下地鐵車站建設(shè)。

導(dǎo)洞開挖是PBA工法施工的首要工作,為后續(xù)施工提供作業(yè)空間[3],一般可開挖3～8個(gè)導(dǎo)洞,并通過不同的導(dǎo)洞開挖順序進(jìn)行靈活組合。合理的導(dǎo)洞開挖方案至關(guān)重要,既要有利于開展后續(xù)工作,也要充分考慮如何抑制群洞效應(yīng),減小對(duì)土體的擾動(dòng)。賈蓬等[4]研究了北京地鐵6號(hào)線東四站采用不同開挖順序?qū)π?dǎo)洞和車站拱頂豎向土壓力分布的影響。李潤軍[5]研究了暗挖車站雙向小導(dǎo)洞不同開挖順序和錯(cuò)距時(shí)的變形規(guī)律。張振波等[6]對(duì)北京地鐵1號(hào)線蘋果園站PBA工法導(dǎo)洞開挖順序進(jìn)行了數(shù)值分析,對(duì)比了單導(dǎo)洞開挖、分組雙導(dǎo)洞開挖等對(duì)既有車站變形的影響。

PBA工法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于北京市地下暗挖車站施工中,相關(guān)理論及施工技術(shù)均已較成熟,吳精義等[7]基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬分析了位于粉細(xì)砂層的北京地鐵PBA車站在不同降水條件下的地表沉降規(guī)律。廖秋林等[8]詳述了位于富水砂卵石地層的北京地鐵7號(hào)線達(dá)官營站的施工關(guān)鍵技術(shù)。王勇等[9]分析了北京地鐵16號(hào)線兩個(gè)分別處于砂卵石和粉質(zhì)黏土的車站采用PBA工法修建時(shí)的地表沉降規(guī)律。與之相反的是,目前PBA工法在濕陷性黃土地區(qū)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)仍十分有限,由于黃土力學(xué)特性與北京的砂卵石地層具有顯著不同,因而有必要對(duì)黃土地區(qū)PBA工法暗挖車站的施工技術(shù)進(jìn)行深入研究。

在黃土地區(qū),西安地鐵2號(hào)線何家營站是首次應(yīng)用“上四下二”六導(dǎo)洞開挖方案的暗挖車站。出于縮短工期的需求,本文基于黃土地區(qū)的土體特性,對(duì)車站施工的關(guān)鍵工作——導(dǎo)洞開挖的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化,提出了上、下部導(dǎo)洞同時(shí)開挖、錯(cuò)距進(jìn)行的方法,通過數(shù)值模擬對(duì)比分析了優(yōu)化前后方案的安全性,并從工期和費(fèi)用兩個(gè)方面綜合說明了優(yōu)化開挖方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性,可為黃土地區(qū)類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

西安市地鐵2號(hào)線二期南延工程起于常寧站,北至韋曲南站,長(zhǎng)3.42km,設(shè)何家營、常寧宮兩座車站,其中何家營站為地下暗挖島式車站,位于長(zhǎng)安區(qū)神禾二路與南長(zhǎng)安街十字路口北側(cè),沿南長(zhǎng)安街敷設(shè),地面道路寬44m,雙向6車道,如圖1所示。何家營站設(shè)計(jì)采用三跨兩柱地下2層現(xiàn)澆直墻三連拱結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段寬度21.9m,高度16.5m,長(zhǎng)度191.7m,車站結(jié)構(gòu)斷面如圖2所示。

圖1 車站總平面布置

圖2 車站結(jié)構(gòu)斷面

車站正線采用PBA工法暗挖施工,采用“上四下二”導(dǎo)洞法開挖,如圖3所示。其中上部小導(dǎo)洞開挖寬度為4.0m,開挖高度為5.0m,采用臺(tái)階法施工,下部大導(dǎo)洞開挖寬度為11.4m,開挖高度為6.0m,采用CD法施工。

圖3 導(dǎo)洞開挖形式

1.2 工程地質(zhì)條件

該項(xiàng)目所在地貌單元屬一級(jí)黃土臺(tái)塬(神禾塬)區(qū),按地層沉積年代、成因類型,將勘探范圍內(nèi)的土層劃分為第四系全新統(tǒng)人工填土層、第四系上更新統(tǒng)地層、第四系中更新統(tǒng)地層三大類場(chǎng)地。各地層厚度、埋深變化不大。車站主體結(jié)構(gòu)主要位于老黃土④1-1(具輕微濕陷性)、古土壤④2-1中,綜合圍巖級(jí)別為V級(jí),工程地質(zhì)剖面及模擬分析區(qū)段如圖4所示。

圖4 工程地質(zhì)剖面

由于擬建場(chǎng)地未見地表水,地下水位于結(jié)構(gòu)底板附近,施工前已采取降水、止水措施,故在后續(xù)分析中未考慮地下水的影響。

2 導(dǎo)洞開挖方案

導(dǎo)洞開挖是進(jìn)行車站主體結(jié)構(gòu)施工的首要工作,也是決定項(xiàng)目工期的關(guān)鍵。同時(shí),地表沉降變形在導(dǎo)洞開挖階段的占比較大,因此采用合理的導(dǎo)洞開挖方案是縮短工期及進(jìn)行地表變形控制的關(guān)鍵。

導(dǎo)洞開挖方案主要包括導(dǎo)洞的開挖順序和支護(hù)措施兩個(gè)方面,本文主要針對(duì)導(dǎo)洞開挖順序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 導(dǎo)洞開挖順序

對(duì)本項(xiàng)目的組合導(dǎo)洞進(jìn)行逐一編號(hào),為方便表述,將下導(dǎo)洞從中隔壁兩側(cè)分為2個(gè)小導(dǎo)洞,導(dǎo)洞編號(hào)如圖5所示。

圖5 導(dǎo)洞編號(hào)

根據(jù)相關(guān)理論研究成果和工程經(jīng)驗(yàn),為了降低群洞效應(yīng)、減小地層擾動(dòng),各導(dǎo)洞間應(yīng)錯(cuò)距開挖,使相鄰開挖面之間保持10～15m的距離為宜;同時(shí)在水平方向應(yīng)遵循“先邊后中”的開挖原則[10-11]。

由于本項(xiàng)目下導(dǎo)洞跨度較大,考慮到導(dǎo)洞整體受力的合理性,采用“先下后上”的開挖順序可以確保在初始相對(duì)比較穩(wěn)定的土層狀態(tài)下開挖下導(dǎo)洞,且上、下導(dǎo)洞之間的內(nèi)力相互影響較小,安全系數(shù)更高,同時(shí)亦可使上導(dǎo)洞免受下導(dǎo)洞開挖產(chǎn)生的二次擾動(dòng)。基于此,本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)開挖方案遵循“先下后上、先邊后中”的開挖順序,先逐次開挖下部?jī)蓚?cè)邊導(dǎo)洞,然后再開挖下部中導(dǎo)洞,各相鄰開挖面確保最小錯(cuò)距10m。在下導(dǎo)洞全部開挖完成后再進(jìn)行上導(dǎo)洞開挖。設(shè)計(jì)導(dǎo)洞開挖方案如圖6所示,圖中橫向一格的距離表示前后工序開挖錯(cuò)距10m。

圖6 設(shè)計(jì)開挖方案

由于項(xiàng)目工期緊張,為加快施工進(jìn)度,本文對(duì)原方案進(jìn)行了優(yōu)化,在“先邊后中,錯(cuò)距開挖”的原則下同時(shí)開挖上、下導(dǎo)洞。第1步先開挖上部邊導(dǎo)洞,而后再逐次開挖下部邊導(dǎo)洞、下部中導(dǎo)洞,最后開挖上部中導(dǎo)洞,各相鄰開挖面之間保持最小錯(cuò)距10m。優(yōu)化開挖方案的具體開挖順序如圖7所示。

圖7 優(yōu)化開挖方案

優(yōu)化開挖方案對(duì)“先下后上”和“先上后下”進(jìn)行了折中考慮,上、下導(dǎo)洞之間保持錯(cuò)距開挖、同時(shí)作業(yè)。相比于原設(shè)計(jì)開挖方案,優(yōu)化方案可同時(shí)開展的作業(yè)面更多,且由于上、下邊導(dǎo)洞均能較早地開挖,后續(xù)的邊樁施工可緊隨其后進(jìn)行,從而加快施工進(jìn)度,有效縮短工期。但下導(dǎo)洞開挖時(shí)勢(shì)必對(duì)已完成初期支護(hù)的上導(dǎo)洞產(chǎn)生影響,引起上導(dǎo)洞初支結(jié)構(gòu)的位移和變形,具有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 導(dǎo)洞支護(hù)措施

為確保施工安全,在導(dǎo)洞開挖前對(duì)導(dǎo)洞上方地層進(jìn)行超前小導(dǎo)管注漿加固,沿拱部外輪廓打設(shè)超前小導(dǎo)管,環(huán)向間距0.3m,外徑d=42mm,長(zhǎng)度L=3m,外插角為10°～15°。

導(dǎo)洞開挖每次進(jìn)尺0.5m,采用臺(tái)階法開挖,及時(shí)施作初期支護(hù)。采用“鋼格柵+鋼筋網(wǎng)片+噴射混凝土”作為支護(hù)結(jié)構(gòu),格柵鋼架在車間分塊加工制作,在洞內(nèi)地面拼裝,各單元間使用螺栓連接,上、下導(dǎo)洞格柵鋼架的厚度分別為0.25,0.30m,縱向連接筋分別采用φ22和φ25鋼筋。在開挖臺(tái)階處設(shè)2根φ42×3.5鎖腳錨管,確保與鋼架焊接牢固。

3 計(jì)算模型

為研究車站主體導(dǎo)洞采用不同開挖方案時(shí)對(duì)地層變形和初支結(jié)構(gòu)的影響,本文采用巖土工程領(lǐng)域?qū)Ｓ糜邢拊治鲕浖﨧IDAS GTS NX建立三維數(shù)值分析模型。

3.1 模型建立

為提高建模分析的效率,在確保計(jì)算可靠性的基礎(chǔ)上進(jìn)行下述假定或簡(jiǎn)化。

1)地表是水平的,各土層厚度均勻,取地質(zhì)勘察報(bào)告中實(shí)際土層厚度的平均值。

2)初支結(jié)構(gòu)和鎖腳錨管分別采用2D板單元和1D植入式桁架單元模擬[12],如圖8所示。兩者均按線彈性材料考慮,其中初支結(jié)構(gòu)根據(jù)等效剛度原則計(jì)算復(fù)合彈性模量。

圖8 導(dǎo)洞支護(hù)結(jié)構(gòu)

3)通過在施工步中選擇“改變材料屬性”來模擬土體的注漿加固效果。

4)每個(gè)施工步開挖進(jìn)尺0.5m,簡(jiǎn)化考慮為全斷面開挖,開挖、支護(hù)同步進(jìn)行。

5)模型計(jì)算時(shí)不考慮地下水的作用。

沿導(dǎo)洞進(jìn)深方向,在車站中部取長(zhǎng)度為35m的開挖區(qū)段作為模擬段,模型上邊界取至地表,下邊界從下導(dǎo)洞底部向下延伸約3倍開挖高度;左、右邊界從車站導(dǎo)洞兩側(cè)開挖邊界分別向外延伸約3倍車站寬度[13],整體模型尺寸為160.0m×62.3m× 35.0m,如圖9所示。

圖9 有限元模型

3.2 邊界條件及荷載

對(duì)整體模型的底部施加固定約束,約束模型四個(gè)側(cè)面的法向位移,模型上部地表為自由邊界,無約束。模型所受荷載為土體自重及20kPa地面超載。

3.3 材料參數(shù)

模型中土體采用修正莫爾-庫倫本構(gòu),能夠較好地體現(xiàn)其加、卸荷時(shí)的剛度差異,避免出現(xiàn)使用莫爾-庫倫本構(gòu)時(shí)開挖回彈量過大的問題[14]。模型自上而下劃分了6個(gè)土層,各土層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

導(dǎo)洞的結(jié)構(gòu)材料包括初支結(jié)構(gòu)、鎖腳錨管及注漿土,其中將導(dǎo)洞初支結(jié)構(gòu)考慮為線彈性單一均質(zhì)材料,參數(shù)如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

4 結(jié)果對(duì)比分析

對(duì)兩種導(dǎo)洞開挖方案分別進(jìn)行施工階段模擬,模型沿導(dǎo)洞方向的變形趨勢(shì)基本一致,在模型中部的變形較大。故選取模型中間部位沿導(dǎo)洞開挖方向的截面,分析開挖完成后的地表沉降變形和導(dǎo)洞初支結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形以對(duì)比方案的安全性。此外,從工期和費(fèi)用角度進(jìn)行方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比分析。

4.1 地表沉降變形

進(jìn)行地下暗挖車站施工會(huì)引起地表沉降,其沉降值大小是施工過程中重要的變形控制指標(biāo),也是評(píng)價(jià)方案優(yōu)劣的關(guān)鍵參數(shù)。選定截面處原開挖方案和優(yōu)化開挖方案對(duì)應(yīng)的地表沉降結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同開挖方案的地表沉降對(duì)比

從圖10可以看出,車站導(dǎo)洞開挖完成后,地表沉降沿車站中線基本對(duì)稱并呈槽形分布,在車站中線位置的地表沉降值最大。原方案和優(yōu)化方案產(chǎn)生的最大地表沉降分別為36.37,31.08mm,按優(yōu)化方案開挖產(chǎn)生的地表沉降更小,其主要原因是上導(dǎo)洞先開挖后,隨著地層變形在其上方形成天然土拱,能夠?qū)⒉糠指餐梁奢d傳至兩側(cè)。且上導(dǎo)洞的初支結(jié)構(gòu)和對(duì)導(dǎo)洞上方土體的注漿加固措施一定程度上增強(qiáng)了車站上方的土體剛度,減小了下導(dǎo)洞開挖引起的地表沉降。

4.2 導(dǎo)洞初支結(jié)構(gòu)變形及彎矩

為分析導(dǎo)洞初支結(jié)構(gòu)的變形及受力情況,在導(dǎo)洞初支結(jié)構(gòu)上選取若干節(jié)點(diǎn),如圖11所示。

圖11 導(dǎo)洞節(jié)點(diǎn)選取

導(dǎo)洞拱頂和仰拱中部的豎向變形如表3所示。

表3 導(dǎo)洞豎向變形

從表3可看出,采用優(yōu)化方案開挖時(shí),上1導(dǎo)洞的拱頂豎向變形明顯增大,其余導(dǎo)洞節(jié)點(diǎn)在采用優(yōu)化方案開挖時(shí)的豎向變形均略小于原方案。因此優(yōu)化開挖方案,主要對(duì)先行開挖的上部邊導(dǎo)洞的變形不利,故應(yīng)在其施工放樣時(shí)提前考慮一定的外放量。

各導(dǎo)洞初支結(jié)構(gòu)在拱頂、側(cè)墻中部和仰拱中部的彎矩如表4所示。

表4 導(dǎo)洞初支結(jié)構(gòu)彎矩

從表4可看出,采用優(yōu)化方案開挖時(shí),上1導(dǎo)洞初支結(jié)構(gòu)拱頂、仰拱的彎矩有小幅增長(zhǎng),其余導(dǎo)洞初支結(jié)構(gòu)上選取點(diǎn)的彎矩略小于原方案。

綜上所述,按優(yōu)化方案開挖時(shí),對(duì)上部邊導(dǎo)洞的結(jié)構(gòu)受力是較為不利的,但總體上增長(zhǎng)不大;對(duì)中導(dǎo)洞和下部邊導(dǎo)洞的結(jié)構(gòu)受力較為有利。

4.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

兩種不同方案的導(dǎo)洞開挖工效不同,本文從工期和費(fèi)用兩個(gè)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比了兩種方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性,優(yōu)化方案和原設(shè)計(jì)開挖方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比如表5所示。

表5 不同開挖方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

由表5可知,按優(yōu)化開挖方案進(jìn)行導(dǎo)洞開挖,可以極大提高施工效率,縮短施工工期,有效降低施工成本。

4.4 小結(jié)

為分析原設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化方案的施工安全性,綜合比較了兩種方案開挖時(shí)的地表沉降、導(dǎo)洞初支結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力,并進(jìn)行了兩種方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比分析。結(jié)果表明:采用優(yōu)化方案開挖時(shí),地表沉降較小;上部邊導(dǎo)洞的拱頂豎向變形明顯增大,需采取施工措施加以控制。其余導(dǎo)洞的豎向變形均略小于原方案;上部邊導(dǎo)洞的初支結(jié)構(gòu)彎矩有小幅增長(zhǎng),其他導(dǎo)洞初支結(jié)構(gòu)彎矩則略有減小。優(yōu)化方案可以在確保安全的前提下提高施工效率,達(dá)到縮短工期的目標(biāo)。因此,本項(xiàng)目最終選擇按優(yōu)化開挖方案進(jìn)行導(dǎo)洞施工。

5 施工監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

施工過程中,在車站暗挖范圍內(nèi),通過地表上沿車站正線方向間隔布置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行地表沉降變形的實(shí)時(shí)觀測(cè),位于模擬區(qū)段中部開挖斷面上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖12所示。

圖12 地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

選取模擬區(qū)段的中間位置,將導(dǎo)洞開挖階段施工完成后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)沉降值與優(yōu)化開挖方案對(duì)應(yīng)的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖13所示。

圖13 地表沉降模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

由圖13可知,導(dǎo)洞開挖完成后的實(shí)測(cè)地表最大沉降為37.72mm,比數(shù)值計(jì)算結(jié)果高出約6.64mm,其主要原因?yàn)?①模型中開挖與支護(hù)是同步進(jìn)行的,而實(shí)際施工時(shí)為先開挖后支護(hù),導(dǎo)洞初期支護(hù)滯后于開挖;②實(shí)際施工時(shí)在邊導(dǎo)洞具備作業(yè)空間后即開始進(jìn)行邊樁施工,使地層變形進(jìn)一步增大。總體來看,數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好。

該項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)等級(jí)為一級(jí),要求施工導(dǎo)洞完成后車站上方地表的最大累積沉降值≤50mm,故按優(yōu)化方案施工的地表沉降滿足施工控制要求。

6 結(jié)語

本文以西安地鐵何家營站為例,研究了位于黃土地區(qū)采用“上四下二”六導(dǎo)洞PBA工法施工的暗挖車站在不同導(dǎo)洞開挖方案下的地表變形、初支結(jié)構(gòu)變形和受力及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

1)采用優(yōu)化方案開挖時(shí),地表沉降明顯小于原方案,對(duì)地表變形控制是有利的;對(duì)上部邊導(dǎo)洞的變形和初支結(jié)構(gòu)受力是不利的,但總體上影響較小。

2)通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的對(duì)比分析,優(yōu)化開挖方案在保障施工質(zhì)量和安全的同時(shí),可以極大提高施工效率,縮短施工工期,有效降低施工成本。經(jīng)過綜合比較,本工程最終采用優(yōu)化開挖方案進(jìn)行車站主體導(dǎo)洞施工。

3)通過與施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比,導(dǎo)洞開挖完成后的實(shí)測(cè)地表沉降滿足施工控制要求。其數(shù)值大于模擬結(jié)果,總體上吻合較好,反映了模型的有效性和開挖方案對(duì)比分析結(jié)果的合理性。