地鐵車(chē)站風(fēng)道洞樁法施工對(duì)地層沉降的影響*

張麗麗

地鐵車(chē)站風(fēng)道洞樁法施工對(duì)地層沉降的影響*

張麗麗

（北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，100042，北京//副教授）

以北京地鐵8號(hào)線(xiàn)某區(qū)間站PBA（洞樁法）工法施工為背景，通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)小導(dǎo)洞開(kāi)挖順序進(jìn)行模擬，得到其最優(yōu)的施工方案。模擬結(jié)果表明：優(yōu)先施工下層導(dǎo)洞的方案三和方案四產(chǎn)生的地表沉降和拱頂沉降小于優(yōu)先施工上層導(dǎo)洞的方案一和方案二；同層導(dǎo)洞不同的施工順序也會(huì)對(duì)地表沉降和拱頂沉降產(chǎn)生不同的影響。最后通過(guò)四個(gè)施工方案產(chǎn)生的地表沉降和小導(dǎo)洞拱頂沉降的對(duì)比，確定采用方案三進(jìn)行施工。方案三模擬數(shù)值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)值比對(duì)結(jié)果表明，二者沉降趨勢(shì)和沉降量都相差不大，驗(yàn)證了模擬結(jié)果的可靠性。

地鐵車(chē)站風(fēng)道；PBA工法；數(shù)值模擬；沉降監(jiān)測(cè)

PBA工法俗稱(chēng)洞樁法，是由我國(guó)最先提出應(yīng)用的，是淺埋暗挖法的一種，結(jié)合蓋挖法與暗挖法的優(yōu)點(diǎn)獨(dú)創(chuàng)了其特殊性［1-4］。本工法能在含水層的地質(zhì)條件中施工，施工過(guò)程中對(duì)地層的擾動(dòng)較小，對(duì)地下埋設(shè)的管線(xiàn)影響小，因此得到了迅速推廣。在我國(guó)地鐵隧道工程中，區(qū)間或車(chē)站采用PBA工法施工的有很多條線(xiàn)路，如北京地鐵6號(hào)線(xiàn)朝陽(yáng)門(mén)車(chē)站、北京地鐵11號(hào)線(xiàn)雙井站、北京地鐵10號(hào)線(xiàn)東單車(chē)站等［6-8］。PBA工法的基本原理是，先進(jìn)行小導(dǎo)洞開(kāi)挖，在開(kāi)挖的工程中進(jìn)行初支，待小導(dǎo)洞開(kāi)挖完成后進(jìn)行條基、樁、冠梁、拱架等的施工，然后進(jìn)行土體開(kāi)挖成洞。

本文以北京地鐵8號(hào)線(xiàn)大紅門(mén)橋站—和義站項(xiàng)目為背景，通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬分析，得到不同的小導(dǎo)洞施工方案對(duì)地表沉降和小導(dǎo)洞拱頂沉降的影響，選取最優(yōu)施工方案，以有效控制地表沉降。

1 工程概況

北京地鐵8號(hào)線(xiàn)大紅門(mén)橋站—和義站區(qū)間工程位于北京市豐臺(tái)區(qū)南四環(huán)，所處建筑物密集；上方為主要交通道路，車(chē)輛繁多，下方埋設(shè)有多種市政管道。區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工。區(qū)間附屬結(jié)構(gòu)：區(qū)間共設(shè)置2個(gè)聯(lián)絡(luò)通道、1個(gè)區(qū)間風(fēng)道（兼作廢水泵房），區(qū)間風(fēng)井風(fēng)道中心里程為K39+688.036。本工程的風(fēng)道上方道路旁東邊是皮草批發(fā)市場(chǎng)和商業(yè)寫(xiě)字樓，西側(cè)有多處民宅和一棟物流倉(cāng)庫(kù)。風(fēng)道上層導(dǎo)洞拱頂埋深為11.342 m，初支扣拱拱頂埋深為10.342 m。

風(fēng)道區(qū)域的地質(zhì)情況：人工填土層有雜填土①1層和粉土填土①層；新近沉積層有粉土②層；第四紀(jì)全新世沖洪積層有粉砂③1層和卵石③層；第四紀(jì)晚更新世沖洪積層有粉細(xì)砂⑤1層、粉質(zhì)黏土⑤5層、卵石⑤3層和粉土⑤4層。風(fēng)道底板位于粉細(xì)砂⑤1層。土層分布及參數(shù)見(jiàn)表1，地質(zhì)剖面圖見(jiàn)圖1。

表1 土層分布及參數(shù)

圖1 地質(zhì)剖面圖

區(qū)間內(nèi)有三種地下水賦存，潛水水位在13.89～14.29 m，層間水位在20.25～24.36 m，承壓水水位在23.75～30.24 m。

勘察顯示工程所在地層中的管線(xiàn)較為復(fù)雜，包括φ600雨水管，埋深1.44 m；DN500燃?xì)夤?，埋?.56 m；DN1000上水管，埋深0.9 m；DN400中水管，埋深3.11 m；φ700污水管，埋深3.18 m；雨水方涵1 400 mm×1 200 mm，埋深1.57 m。各管線(xiàn)與小導(dǎo)洞位置關(guān)系如圖2所示。

本工程周邊建筑物密集，風(fēng)道上方為道路主干道，車(chē)流量大。多條市政管道埋設(shè)于暗挖風(fēng)道的上方，對(duì)施工要求高。風(fēng)道暗挖段結(jié)構(gòu)形式采用雙層單跨四導(dǎo)洞施工（見(jiàn)圖3），施工過(guò)程要留有足夠長(zhǎng)度的核心土。風(fēng)道開(kāi)挖長(zhǎng)度65.05 m，風(fēng)道上層導(dǎo)洞拱頂埋深為11.342 m，施工難度及風(fēng)險(xiǎn)大。

圖2 地下管線(xiàn)斷面圖

圖3 風(fēng)道及小導(dǎo)洞斷面圖

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型設(shè)計(jì)

模型以水平向?yàn)閤軸線(xiàn)，導(dǎo)洞開(kāi)挖深度方向?yàn)閥軸線(xiàn)，地面到洞底的深度為z軸線(xiàn)，模型尺寸為40.00 m×40.00 m×37.73 m。按照設(shè)計(jì)要求在模型上開(kāi)挖4個(gè)小導(dǎo)洞分為A、B、C、D區(qū)，如圖4所示。

對(duì)底部邊界節(jié)點(diǎn)的x、y、z三個(gè)方向的速度進(jìn)行約束，相當(dāng)于固定支座，對(duì)x兩側(cè)的邊界進(jìn)行水平速度約束［9］。由于y方向只設(shè)置一個(gè)單元長(zhǎng)度，所以對(duì)模型中所有節(jié)點(diǎn)的y方向速度均進(jìn)行約束，相當(dāng)于進(jìn)行平面分析。

土體假定為均勻、各向同性的彈塑性體，強(qiáng)度準(zhǔn)則采用摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則［10］。由于施工過(guò)程會(huì)采取降水措施，所以不考慮地下水的影響。

圖4 模型示意圖

2.2 施工方案

由于風(fēng)道北側(cè)為道路，南側(cè)為單層倉(cāng)庫(kù)，為找到最優(yōu)的施工方案，本文擬定了 4種施工方案，通過(guò)數(shù)值模擬找到沉降最小的施工順序，作為最終的施工方案。

方案一：先施工上層A小導(dǎo)洞，深度達(dá)到10 m時(shí)，同時(shí)進(jìn)行 B小導(dǎo)洞施工；當(dāng)上層 A、B導(dǎo)洞相續(xù)封洞后，開(kāi)始開(kāi)挖 A、B導(dǎo)洞正下方對(duì)應(yīng)的 C、D導(dǎo)洞。

方案二：先施工上層B小導(dǎo)洞，深度達(dá)到10 m時(shí)，同時(shí)進(jìn)行 A小導(dǎo)洞施工；當(dāng)上層 B、A導(dǎo)洞相續(xù)封洞后，開(kāi)始開(kāi)挖 A、B導(dǎo)洞正下方對(duì)應(yīng)的 D、C導(dǎo)洞。

方案三：先施工下層C小導(dǎo)洞，深度達(dá)到10 m時(shí)，同時(shí)進(jìn)行 D小導(dǎo)洞施工；當(dāng)下層 C、D導(dǎo)洞相續(xù)封洞后，開(kāi)始開(kāi)挖 C、D導(dǎo)洞正上方對(duì)應(yīng)的 A、B導(dǎo)洞。

方案四：先施工下層 D小導(dǎo)洞，深度達(dá)到 10 m時(shí)，同時(shí)進(jìn)行 C小導(dǎo)洞施工；當(dāng)下層D、C導(dǎo)洞相續(xù)封洞后，開(kāi)始開(kāi)挖D、C導(dǎo)洞正上方對(duì)應(yīng)的B、A導(dǎo)洞。

在 FLAC3D模擬開(kāi)挖施工中，遵循設(shè)計(jì)藍(lán)圖的要求每次進(jìn)尺 2 m。

2.3 沉降計(jì)算結(jié)果對(duì)比

運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)不同開(kāi)挖方案進(jìn)行施工全過(guò)程模擬。通過(guò)歷史檢測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模擬開(kāi)挖過(guò)程中開(kāi)挖對(duì)地表和拱頂造成的沉降情況。

將四個(gè)方案的沉降云圖繪制成柱狀圖（見(jiàn)圖5），可以看出方案二施工時(shí)造成的地表沉降值最大約為 35 mm，而方案三施工時(shí)造成的地表沉降值僅為25 mm，明顯要比其他幾種施工方案施工時(shí)造成的沉降小。從圖中可以看出四種施工方案施工時(shí)造成的拱頂沉降略有差異但相差不大。方案二施工時(shí)造成的沉降值最大為 63.698 mm，方案三施工時(shí)造成的沉降值為 63.649 mm，沉降值最小。方案三施工時(shí)造成的導(dǎo)洞上方的地表沉降和導(dǎo)洞拱頂?shù)某两抵蹬c其他三種施工方案相比最小，結(jié)合本工程對(duì)施工時(shí)的地表沉降的要求及施工時(shí)對(duì)周邊環(huán)境、地下市政管線(xiàn)的影響，方案三最適合本工程施工。

圖5 施工方案沉降圖

在對(duì)PBA工法施工進(jìn)行全過(guò)程施工模擬時(shí)，設(shè)置了監(jiān)測(cè)點(diǎn)以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施工過(guò)程中和施工完成后對(duì)導(dǎo)洞洞頂及地表沉降影響。為了更好地研究地表沉降，選取模型小導(dǎo)洞的正上方地面作為研究對(duì)象，選取了幾個(gè)檢測(cè)點(diǎn)來(lái)分析施工完成時(shí)對(duì)地表造成的影響。監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)圖如圖6～圖11所示。

圖6 地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)2沉降曲線(xiàn)

圖7 地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)3沉降曲線(xiàn)

圖8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)7 B小導(dǎo)洞洞頂沉降曲線(xiàn)

圖9 監(jiān)測(cè)點(diǎn)7 B小導(dǎo)洞洞頂細(xì)部詳圖

圖10 監(jiān)測(cè)點(diǎn)10 C小導(dǎo)洞洞頂沉降曲線(xiàn)

從圖6～圖11不同開(kāi)挖方案的沉降曲線(xiàn)能夠得出以下結(jié)論：

（1）從沉降曲線(xiàn)變化趨勢(shì)可以清晰地看出，隨著小導(dǎo)洞的不斷挖深，對(duì)地表沉降的影響也越來(lái)越大，其沉降值也越來(lái)越大。

圖11 監(jiān)測(cè)點(diǎn)10 C小導(dǎo)洞洞頂細(xì)部詳圖

（2）從曲線(xiàn)圖可以明顯地看出，當(dāng)小導(dǎo)洞的深度坐標(biāo)相同時(shí)，四種方案施工時(shí)造成的地表沉降值不同，沉降值從大到小依次是方案二、方案一、方案四、方案三，也即先施工上層導(dǎo)洞所造成的沉降值大于先施工下層導(dǎo)洞造成的沉降。

（3）方案一與方案二相比，優(yōu)先從上層導(dǎo)洞施工時(shí)，先開(kāi)挖B導(dǎo)洞所造成的地表沉降相比先開(kāi)挖A導(dǎo)洞大。方案三方案四相比，優(yōu)先從下層導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)先開(kāi)挖 D導(dǎo)洞造成的地表沉降相比開(kāi)挖 C導(dǎo)洞大。

（4）從監(jiān)測(cè)點(diǎn)的曲線(xiàn)細(xì)部放大圖可知，在四種施工方案中，方案三施工時(shí)造成的地表沉降值最小，方案二施工時(shí)造成的地表沉降值最大。

由以上數(shù)值模擬結(jié)果可以得出，方案三更具有可行性，是適用于本工程的最優(yōu)方案。

3 模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

采用方案三進(jìn)行施工，施工過(guò)程中對(duì)地表沉降和小導(dǎo)洞拱頂沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，判斷該方案是否滿(mǎn)足要求。

3.1 地表沉降對(duì)比

圖12為實(shí)測(cè)地表沉降與數(shù)值模擬地表沉降的對(duì)比。在數(shù)值模擬中，測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3的沉降較規(guī)律，沉降速率較穩(wěn)定。測(cè)點(diǎn)2沉降值始終比測(cè)點(diǎn)3大?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中，測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3與模擬結(jié)果較接近。測(cè)點(diǎn)2在小導(dǎo)洞開(kāi)挖后即產(chǎn)生了 20 mm的地表沉降，在開(kāi)挖2～12 m范圍內(nèi)的沉降較小，僅產(chǎn)生了 5 mm的沉降，在 12～23 m范圍內(nèi)沉降迅速增加到 35 mm，隨后沉降速率減小并穩(wěn)定，開(kāi)挖到 40 m的最終沉降為 42 mm?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)3在小導(dǎo)洞開(kāi)挖后產(chǎn)生了17 mm的沉降，從開(kāi)始到開(kāi)挖到 26 m處，該點(diǎn)逐漸下沉到 28 mm，從 26 m以后，沉降速率加大，開(kāi)挖到 40 m時(shí)沉降為 41 mm。從兩條模擬沉降曲線(xiàn)和其對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)可以看出，模擬結(jié)果較好地反映了實(shí)際施工過(guò)程中的地表沉降。

圖12 地表沉降對(duì)比

3.2 小導(dǎo)洞拱頂沉降對(duì)比

圖13為小導(dǎo)洞拱頂沉降與數(shù)值模擬的拱頂沉降對(duì)比。數(shù)值模擬中測(cè)點(diǎn)7 B從開(kāi)挖到30 m處沉降速率穩(wěn)定，沉降值為 28 mm，開(kāi)挖到 30～32 m時(shí)沉降迅速增加到 60 mm，隨后緩慢增加到63 mm。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)7 B與模擬結(jié)果接近，在小導(dǎo)洞開(kāi)挖到26 m之前沉降逐漸增加到 20 mm，在 26～29 m沉降迅速增加到 58 mm，最后趨于穩(wěn)定，在小導(dǎo)洞 40 m處沉降值為 60 mm。數(shù)值模擬中測(cè)點(diǎn) 10 C測(cè)點(diǎn)在小導(dǎo)洞開(kāi)挖到 20 m之前拱頂沉降逐漸增加到17 mm，開(kāi)挖到 20～30 m深度時(shí)沉降迅速增加到 58 mm，隨后沉降緩慢增加到 61 mm，與模擬結(jié)果相差2 mm?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中該測(cè)點(diǎn)在開(kāi)挖到15 m之前沉降較穩(wěn)定，開(kāi)挖到 10～20 m時(shí)沉降迅速增加到 41 mm，隨后沉降速率逐漸降低，最終沉降為65 mm。模擬測(cè)點(diǎn)和實(shí)測(cè)測(cè)點(diǎn)的沉降趨勢(shì)和沉降量都相差不大，可以用來(lái)指導(dǎo)施工。

圖13 小導(dǎo)洞拱頂沉降對(duì)比

4 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)四種施工方案的數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)優(yōu)先施工上層導(dǎo)洞所造成的沉降大于優(yōu)先施工下層導(dǎo)洞造成的地表沉降。

（2）同層導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)，不同的開(kāi)挖順序也會(huì)影響地表沉降大小，在施工前應(yīng)充分考慮周邊的施工情況，采用數(shù)值模擬分析找出最優(yōu)的施工方案。

（3）地表沉降在小導(dǎo)洞開(kāi)挖過(guò)程中增加較大，在施工時(shí)應(yīng)注意加強(qiáng)小導(dǎo)洞的監(jiān)測(cè)和支護(hù)，防止地表沉降過(guò)大。

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Influence of Pile-Beam-Arch Method on Metro Station Ground Settlement

ZHANG Lili

Based on the PBA construction method of an interval station on Beijing metro Line 8，F(xiàn)LAC3D numerical simulation software is used to simulate the excavating sequence of pilot tunnels，an optimized construction scheme is obtained.The simulation results show that the ground settlement and crown settlement caused by the constructions of lower pilot tunnel in scheme 3 and scheme 4 are less than that by the constructions of upper pilot tunnel in scheme 1 and scheme 2，different construction sequences in the same layer pilot tunnel also result in different impacts on ground settlement and crown settlement. Finally，based on a comparison between ground settlement and crown settlement of pilot tunnels in four construction schemes，scheme 3 is chosen to execute construction.A comparison between the simulation data of scheme 3 and the field monitoring data shows，the ground settlement and crown settlement in both cases are not very different，which verifies the simulation reliability of scheme 3.

metro station duct； PBA （pile-beam-arch）method； numerical simulation； settlement monitoring

TU433：U231.4

10.16037/j.1007-869x.2017.10.020

Author′s address Beijing Polytechnic College，100042，Beijing，China

*北京市教委科研計(jì)劃資助項(xiàng)目（KM20160853002）

2016-12-01）