劉波,付春青,2,李東陽,楊航
1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083;2.北京住總集團(tuán)有限責(zé)任公司軌道交通市政總承包部,北京 100027
PBA(Pile-Beam-Arch approach)工法為洞樁法的簡(jiǎn)稱,是在傳統(tǒng)淺埋暗挖大跨隧道分部開挖的基礎(chǔ)上,綜合蓋挖法的特點(diǎn)發(fā)展而來的。采用PBA工法修建大跨隧道時(shí),分步分塊作業(yè)過程是關(guān)鍵。但是分塊多會(huì)導(dǎo)致施工縫多,分步作業(yè)頻繁會(huì)造成工序轉(zhuǎn)換多,容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不均勻受力而帶來的扣拱偏差,最終影響施工驗(yàn)收。例如,北京地鐵15號(hào)線清華東路站采用PBA工法施工,由于施工難度大、受力轉(zhuǎn)換復(fù)雜,存在施工周期長(zhǎng)、作業(yè)空間狹窄的問題,造成車站結(jié)構(gòu)縱向裂縫,導(dǎo)致防水效果較差等問題[1]。
PBA工法雖然對(duì)控制大斷面暗挖地鐵車站沉降具有一定的優(yōu)勢(shì),但在導(dǎo)洞設(shè)計(jì)、小導(dǎo)洞內(nèi)巖石地層成樁、大斷面扣拱、拱部防水等方面要結(jié)合水文地質(zhì)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行細(xì)化才能確保施工質(zhì)量[2]。造成PBA法施工車站質(zhì)量問題的主要原因是群洞作業(yè)期間導(dǎo)洞施工的先后順序不合適,引起地層應(yīng)力重分布不均,且在水平方向上反復(fù)調(diào)整使地下結(jié)構(gòu)極易產(chǎn)生變形裂縫。如何減小PBA法施工引起的地層沉降,是國(guó)內(nèi)外研究者關(guān)注的重點(diǎn)問題。近幾年的研究表明:群洞開挖階段是引起地層沉降的主要階段。研究者采用數(shù)值模擬方法分析控制沉降變形的關(guān)鍵因素,認(rèn)為沉降主要發(fā)生在導(dǎo)洞開挖和扣拱施工階段,這兩個(gè)階段地表累計(jì)沉降量分別為總沉降量的55%和80%,是控制地表沉降的關(guān)鍵工序[3]。
采用PBA法修建北京地鐵14號(hào)線將臺(tái)站時(shí),由盾構(gòu)隧道施工、側(cè)導(dǎo)洞施工和中導(dǎo)洞施工引起的地表沉降分別占總沉降的11.2%~14.1%、45.4%~48.1%和30.1%~32.5%[4-5]。對(duì)北京地鐵多條線路PBA法施工的車站地表沉降數(shù)據(jù)歸納研究表明,導(dǎo)洞開挖階段和扣拱階段的地表沉降之和約占總地表沉降的90%[6]。導(dǎo)洞開挖階段的沉降占總沉降的71%,是PBA工法中控制地層沉降的核心工序[7]。
近年來,采用數(shù)值模擬方法研究施工過程對(duì)地表沉降的影響較多[8]。例如,比較分析洞樁法和洞柱法對(duì)最終地表沉降的影響[9];PBA工法在研究不同結(jié)構(gòu)形式下不同拱部施工順序?qū)Y(jié)構(gòu)受力與中柱位移的影響,指出在中跨扣拱先行施工的情況下,兩側(cè)邊拱必須同步跟進(jìn),以避免因不對(duì)稱結(jié)構(gòu)帶來的拱腳推力對(duì)中柱的不利影響[10]。
因此,針對(duì)群洞開挖階段地層變形問題,研究PBA工法群洞作業(yè)的時(shí)空效應(yīng),是探究PBA法施工中扣拱偏差成因的關(guān)鍵。隨機(jī)介質(zhì)理論是解決地層沉降的一種非常有效的方法,能夠同時(shí)考慮時(shí)間上的累積效應(yīng)和空間上的相互影響[11-13]。本文采用隨機(jī)介質(zhì)理論,研究PBA工法群洞作業(yè)的時(shí)空效應(yīng),以期為制定合理的工程應(yīng)對(duì)措施提供科學(xué)依據(jù)。
地層沉降的整體坐標(biāo)系方向按照右手規(guī)則確定,如圖1所示。積分區(qū)域上下限的確定按照該坐標(biāo)系定正負(fù)號(hào)。其中:X方向位移值,負(fù)值表示地層向負(fù)方向運(yùn)動(dòng),正值表示向正方向運(yùn)動(dòng);Y方向位移值,負(fù)值表示地層向負(fù)方向運(yùn)動(dòng),正值表示向正方向運(yùn)動(dòng);Z方向位移值,負(fù)值表示地層隆起,正值表示地層沉降。x,y,z為地下某處開挖單元體的局部坐標(biāo)系。
圖1 隨機(jī)介質(zhì)理論模型計(jì)算的坐標(biāo)系Fig.1 Coordinate system of stochastic medium model
假設(shè)開挖區(qū)域在Z的正方向,地層的影響角為β,如圖2所示,則內(nèi)部影響半徑r(z)的計(jì)算方法為
(1)
圖2 內(nèi)部影響半徑示意圖Fig.2 Schematic diagram of Internal influence radius
為方便書寫,將tanβ(z)記為B。
對(duì)于各向同性均質(zhì)體,根據(jù)隨機(jī)介質(zhì)理論[16],在局部坐標(biāo)系下,開挖一個(gè)微元體引起的豎向位移為
(2)
將式(1)代入式(2),則由微元體dv=dxdydz引起點(diǎn)P(X,Y,Z)在整體坐標(biāo)系的沉降值為
(3)
這是理論上一個(gè)無限小微元體引起的沉降值,式(3)只存在理論上的意義。對(duì)于整個(gè)開挖三維區(qū)域Ω,所有的微元體造成點(diǎn)P(X,Y,Z)豎向位移為
(4)
在直角坐標(biāo)系中,則
(5)
式中,x1、x2、y1、y2、z1、z2分別為三維開挖區(qū)域Ω在x、y、z方向的積分上下限。
在考慮時(shí)間因素t的條件下,有
we(x,y,z,t)=(1-e-ct)we(x,y,z)
(6)
式中,c為地層沉降系數(shù)。
同理,根據(jù)隨機(jī)介質(zhì)理論,開挖一個(gè)微元體引起的水平位移為
(7)
式(7)代入式(1),則由微元體dv=dxdydz引起點(diǎn)P(X,Y,Z)在X方向的位移為
(8)
對(duì)應(yīng)三維開挖區(qū)域Ω,所有的微元體造成點(diǎn)P(X,Y,Z)在X方向的位移為
(9)
在直角坐標(biāo)系中,整理得到
(10)
同理,對(duì)應(yīng)三維開挖區(qū)域Ω,所有的微元體造成點(diǎn)P(X,Y,Z)在Y方向的位移為
(11)
PBA工法中的小導(dǎo)洞開挖是一個(gè)分步驟、多階段的過程。通常包括:①小導(dǎo)洞開挖;②樁(柱)梁施工;③扣拱;④車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工。為了在模型中體現(xiàn)時(shí)間效應(yīng)和不同施工階段地層沉降速度的差異,基于經(jīng)典的隨機(jī)介質(zhì)理論[16],假定對(duì)于某一方向,收縮邊界的移動(dòng)位移為s,則
(12)
其中,假設(shè)s0為最終邊界的收縮量,則有
s=0,(t=0)
s=s0,(t=∞)
(13)
式中,c為地層沉降系數(shù),可根據(jù)實(shí)測(cè)值或者經(jīng)驗(yàn)值求得。則有
g(t)=g0(1-e-ct)
(14)
因地下工程中后一階段的沉降是在前一階段的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的,假設(shè)PBA工法施工的沉降過程分為4個(gè)階段,則有
s1(t)=s01[1-exp(-c1t)],t∈[0,t1]
s2(t)=s1+s02[1-exp(-c2(t-t1))],t∈[t1,t2]
s3(t)=s2+s03[1-exp(-c3(t-t2))],t∈[t2,t3]
s4(t)=s3+s04[1-exp(-c4(t-t3))],t∈[t3,t4]
(15)
式中,s0i為第i階段的最終沉降量;si為第i階段的累積沉降量。
PBA工法導(dǎo)洞大多為直墻圓拱形,如圖3所示。對(duì)于編號(hào)為Di的導(dǎo)洞,邊界收縮后其地層損失由半圓形部分和矩形部分的損失組成。
圖3 直墻圓拱形斷面收斂變形模式Fig.3 Convergence deformation mode of arch and vertical wall section
1.5.1 半圓形導(dǎo)洞部分
開挖后邊界為
(16)
經(jīng)過時(shí)間t因收縮而形成的新邊界為
(17)
三維開挖區(qū)域的邊界由ΩC1收縮為ΩC2后,所有的微元體造成點(diǎn)P(X,Y,Z)沉降值為
(18)
1.5.2 矩形導(dǎo)洞部分
對(duì)于矩形截面,開挖后邊界為
(19)
經(jīng)過時(shí)間t因收縮而形成的新邊界,假設(shè)水平方向(x方向)的收縮量為s1,垂直方向(z方向)的收縮量為s2,則有
(20)
三維開挖區(qū)域形成邊界ΩR1而后收縮為ΩR2,所有的微元體造成點(diǎn)P(X,Y,Z)沉降值為
(21)
直墻圓拱形隧道為半圓形和矩形的組合,編號(hào)為Di的導(dǎo)洞邊界收縮后,所有的微元體造成點(diǎn)P(X,Y,Z)沉降值為
WDi(X,Y,Z,t)=WDi1(X,Y,Z,t)+WDi2(X,Y,Z,t)
(22)
地層的變形是由于諸多導(dǎo)洞施工進(jìn)度不同造成的,則在t時(shí)刻N(yùn)條導(dǎo)洞開挖引起點(diǎn)P(X,Y,Z)沉降值為
(23)
式(23)即為描述群洞開挖時(shí)空效應(yīng)的計(jì)算模型,如圖4所示。水平位移的計(jì)算模型與之類似,限于篇幅,這里不再贅述。
圖4 導(dǎo)洞開挖計(jì)算模型Fig.4 Pilot tunneling excavation calculation model
群洞開挖的計(jì)算流程如圖5所示。其中對(duì)于三維三重積分采用高斯-勒讓德法進(jìn)行數(shù)值求解,采用MATLAB軟件進(jìn)行編程。
圖5 群洞開挖時(shí)空效應(yīng)模型計(jì)算流程Fig.5 The flowchart of calculating the space-time effect model for group hole excavation
現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)洞是從兩個(gè)施工橫通道之間相向作業(yè)開始。開挖原則為:先下后上,先邊后中,所以導(dǎo)洞施工順序?yàn)閷?dǎo)洞①④②③⑤⑧⑥⑦。首先進(jìn)行下層邊導(dǎo)洞①④的開挖,然后錯(cuò)距進(jìn)行下層中導(dǎo)洞②③的開挖,接著錯(cuò)距進(jìn)行上層邊導(dǎo)洞⑤⑧的開挖,最后開挖上層中導(dǎo)洞⑥⑦。上層導(dǎo)洞與下層導(dǎo)洞、中間導(dǎo)洞與邊導(dǎo)洞開挖掌子面均相互錯(cuò)開15 m。
開挖下層邊導(dǎo)洞①,導(dǎo)洞開挖一個(gè)單位步長(zhǎng)如圖6(a)所示,第1步開挖后的豎向位移云圖如圖6(b)所示。
地表沉降曲線的沉降槽在X=-11.60 m,地表沉降最大值0.82 mm,如圖6(c)所示。地表水平位移在X=-11.60 m兩側(cè)向中心移動(dòng)(正值表示向X軸正方向運(yùn)動(dòng),負(fù)值表示向X軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)),地表的水平運(yùn)動(dòng)位移值很小,最大值僅0.20 mm,且發(fā)生在地層內(nèi)部。
根據(jù)計(jì)算結(jié)果,僅開挖一個(gè)導(dǎo)洞時(shí),從俯視圖上看,沉降槽的中心線是一條直線如圖6(d)所示。
圖6 第1步開挖位移Fig.6 The first stage of excavation displacement
開挖下層邊導(dǎo)洞④,邊導(dǎo)洞①繼續(xù)開挖,至導(dǎo)洞①開挖兩個(gè)步長(zhǎng),導(dǎo)洞④開挖一個(gè)步長(zhǎng),第2步開挖后的計(jì)算結(jié)果如圖7所示。
圖7 第2步開挖位移Fig.7 The second stage of excavation displacement
開挖導(dǎo)洞④之后,地面沉降量開始增大,地表沉降最大值由0.82 mm增至1.60 mm。但是沉降的開始不對(duì)稱,沉降槽的中心線開始向X軸正方向有輕微的移動(dòng)。
開挖下層中導(dǎo)洞②,導(dǎo)洞①④繼續(xù)開挖,第3步開挖后的計(jì)算結(jié)果,如圖8所示。
圖8 第3步開挖位移Fig.8 The third stage of excavation displacement
導(dǎo)洞②開挖后,地面沉降量開始增大,地表沉降最大值由1.60 mm增至3.27 mm。
由于不對(duì)稱開挖,沉降槽的不對(duì)稱性開始加劇。沉降槽的中心線開始向X軸正方向移動(dòng),由第一步的-11.6 m至-6.5 m處,移動(dòng)了約5.1 m。
開挖下層中導(dǎo)洞③,已開挖導(dǎo)洞同速開挖,導(dǎo)洞①開挖4個(gè)步長(zhǎng),導(dǎo)洞④開挖3個(gè)步長(zhǎng),導(dǎo)洞②開挖2個(gè)步長(zhǎng),導(dǎo)洞③開挖1個(gè)步長(zhǎng),計(jì)算結(jié)果如圖9所示。
圖9 第4步開挖位移Fig.9 The fourth stage of excavation displacement
導(dǎo)洞③開挖后,地面沉降量繼續(xù)增大,沉降最大值由3.27 mm增加至5.32 mm。沉降槽的中心線由第三步的-6.5 m處移動(dòng)至-3.0 m處,向X軸方向移動(dòng)了約3.5 m。
開挖下層中導(dǎo)洞⑤,已開挖導(dǎo)洞同速開挖,導(dǎo)洞①開挖5個(gè)步長(zhǎng),導(dǎo)洞④開挖4個(gè)步長(zhǎng),導(dǎo)洞②開挖3個(gè)步長(zhǎng),導(dǎo)洞③開挖2個(gè)步長(zhǎng),導(dǎo)洞⑤開挖1個(gè)步長(zhǎng),計(jì)算結(jié)果如圖10所示。
圖10 第5步開挖位移Fig.10 The fifth stage of excavation displacement
導(dǎo)洞⑤開挖后,地面沉降量繼續(xù)增大,最大值由5.32 mm增加至8.08 mm。沉降槽的中心線開始扭曲,在Y=0 m處,沉降槽中心線由第④步的 -3.0 m處移動(dòng)至-5.5 m處,向X軸負(fù)方向移動(dòng)了約2.5 m。而在Y=25 m處,沉降槽中心仍位于 -3.0 m處。整個(gè)沉降槽底部發(fā)生較大的扭曲變形。
開挖下層中導(dǎo)洞⑧,已開挖導(dǎo)洞同速開挖,其中導(dǎo)洞①開挖6個(gè)步長(zhǎng),導(dǎo)洞④開挖5個(gè)步長(zhǎng),導(dǎo)洞②開挖4個(gè)步長(zhǎng),導(dǎo)洞③開挖3個(gè)步長(zhǎng),導(dǎo)洞⑤開挖2個(gè)步長(zhǎng),導(dǎo)洞⑧開挖1個(gè)步長(zhǎng)。計(jì)算結(jié)果如圖11所示。
圖11 第6步開挖位移Fig.11 The sixth stage of excavation displacement
開挖了導(dǎo)洞⑧之后,地面沉降量繼續(xù)增大,最大值由8.08 mm增加至10.44 mm。沉降槽的中心線扭曲,在Y=0 m處,沉降槽中心線由第⑤步的-5.5 m處移動(dòng)至-5.6 m處,向X軸負(fù)方向移動(dòng)了約0.1 m。而在Y=36 m處,沉降槽中心位于-3.2 m處。整個(gè)沉降槽底部發(fā)生較大扭曲變形的位置,隨開挖的推進(jìn)再次發(fā)生較大變化。
開挖上層中導(dǎo)洞⑥,已開挖導(dǎo)洞同速開挖,其中導(dǎo)洞①開挖7個(gè)步長(zhǎng),導(dǎo)洞④開挖6個(gè)步長(zhǎng),導(dǎo)洞②開挖5個(gè)步長(zhǎng),導(dǎo)洞③開挖4個(gè)步長(zhǎng),導(dǎo)洞⑤開挖3個(gè)步長(zhǎng),導(dǎo)洞⑧開挖2個(gè)步長(zhǎng),導(dǎo)洞⑥開挖1個(gè)步長(zhǎng)。計(jì)算結(jié)果如圖12所示。
圖12 第7步開挖位移Fig.12 The seventh stage of excavation displacement
導(dǎo)洞⑥開挖后,地面沉降量繼續(xù)增大,最大值由10.44 mm增加至13.70 mm。
隨著開挖的進(jìn)行,沉降槽的中心線在開挖方向上繼續(xù)扭曲,在Y=0 m處,沉降槽中心線由第⑥步的-5.6 m移動(dòng)至-4.8 m處,向X軸正方向移動(dòng)了約0.8 m。而在Y=52 m處,沉降槽中心位于-3.2 m處。整個(gè)沉降槽底部在后部趨于穩(wěn)定,而前部開挖部分發(fā)生較大的扭曲變形。
開挖下層中導(dǎo)洞⑦,已開挖導(dǎo)洞同速開挖。其中,導(dǎo)洞①開挖8個(gè)步長(zhǎng),導(dǎo)洞④開挖7個(gè)步長(zhǎng),導(dǎo)洞②開挖6個(gè)步長(zhǎng),導(dǎo)洞③開挖5個(gè)步長(zhǎng),導(dǎo)洞⑤開挖4個(gè)步長(zhǎng),導(dǎo)洞⑧開挖3個(gè)步長(zhǎng),導(dǎo)洞⑥開挖2個(gè)步長(zhǎng),導(dǎo)洞⑦開挖1個(gè)步長(zhǎng)。計(jì)算結(jié)果如圖13所示。
圖13 第8步開挖位移Fig.13 The eighth stage of excavation displacement
開挖了導(dǎo)洞⑦之后,地面沉降量繼續(xù)增大,最大值由13.70 mm增加至16.90 mm。最大沉降位置在車站中心處,即最大沉降值位置向右移動(dòng)5 m。
開挖過程中,每步相對(duì)于上一個(gè)工序,最大沉降值逐步增加,完整體現(xiàn)了開挖過程中地層變化的時(shí)間效應(yīng)。
車站大斷面施工經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)扣拱偏差現(xiàn)象。根據(jù)第2節(jié)的計(jì)算分析,由于理想PBA工法左右對(duì)稱同步開挖無法實(shí)現(xiàn),群洞施工的非對(duì)稱不同步,引起了隧道、地層和地面的復(fù)雜變化,不均勻受力、位移變形差異大,必然會(huì)引發(fā)多種工程質(zhì)量問題。
特別是大斷面隧道,分步作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)、空間結(jié)構(gòu)連接頻繁,地層重復(fù)卸載-重分布-支護(hù)加載,隧道與地層之間不可避免地存在著空隙,隧道周邊的圍巖地層中連續(xù)發(fā)生復(fù)雜的力和位移變化。
雖然群洞效應(yīng)不可避免,但是可以合理選擇施工順序。① 快速完成梁柱體系有利于快速形成豎向支撐,并對(duì)結(jié)構(gòu)頂部地層形成有效支護(hù)反力。② 土體開挖按照先邊跨后中跨的順序,減小臨空范圍,縮短大跨臨空時(shí)長(zhǎng)。
大跨隧道斷面分塊施工順序按照左右兩側(cè)分跨扣拱原則,豎向可分為三部分。如圖14所示。
圖14 大跨隧道斷面分塊施工順序示意圖Fig.14 Schematic diagram of the construction sequence for large-span tunnel sections
大跨PBA工法優(yōu)化策略的總體思路就要考慮大跨合理邏輯分塊、分跨順序,合理有效管控施工空間臨空范圍、時(shí)空演化時(shí)長(zhǎng),從而減弱施工引起的隧道結(jié)構(gòu)、周邊圍巖以及地表沉降變形趨勢(shì)。
(1) 優(yōu)化原則:大跨側(cè)洞分跨、空間先邊后中、跨內(nèi)群洞對(duì)稱、同步快速成環(huán)、側(cè)洞先后成拱、中跨快速聯(lián)拱。以此原則作為指導(dǎo)理念,在分跨作業(yè)中繼續(xù)執(zhí)行“先下后上、先邊后中、同步對(duì)稱”的作業(yè)工序。需要同步進(jìn)行的工序是,小導(dǎo)洞在邊跨內(nèi)的群洞施工、柱梁體系的快速施工;不能同步對(duì)稱的工序是,邊跨拱部土體開挖支護(hù)、初支扣拱、斷拱作業(yè)及二襯扣拱。需要錯(cuò)距組織的施工是左、右邊跨整體施工以及部分小導(dǎo)洞開設(shè)馬頭門。跳倉作業(yè)是為了解決非同時(shí)大面積臨空問題,可以調(diào)整工序,通過輕體臺(tái)車的快速作業(yè)替代[14-15]。
(2) 工序調(diào)整:大跨在橫斷面內(nèi)將8個(gè)導(dǎo)洞按車站中線分為左右兩側(cè)導(dǎo)洞(圖15),整個(gè)車站的施工組織按照左右分跨為單元進(jìn)行。每個(gè)側(cè)跨內(nèi)4個(gè)導(dǎo)洞作為一個(gè)空間單元,群洞按照對(duì)稱同步作業(yè),快速形成2個(gè)柱梁結(jié)構(gòu)體系。豎向支撐提前快速分跨扣拱,也是為側(cè)跨成環(huán)提供時(shí)空條件,形成的側(cè)洞分跨扣拱結(jié)構(gòu)就是最先形成的柱梁拱(PBA)棚護(hù)結(jié)構(gòu)。然后,在兩側(cè)開挖及初期支護(hù)依次進(jìn)行,待側(cè)洞二襯依次完成扣拱后,再進(jìn)行中跨快速開挖、初支及二襯流水作業(yè)。
圖15 PBA工法結(jié)構(gòu)施工順序Fig.15 Schematic diagram of structural construction sequence by PBA approach
因此,要從消除施工的左右對(duì)稱無法同步入手,采取分別成拱封閉成環(huán)、快速作業(yè)的同洞同步作業(yè)和平行減小群洞作業(yè)影響的工程對(duì)策,通過側(cè)洞分跨扣拱設(shè)計(jì)細(xì)化及施工優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)對(duì)稱同步,以消除或減小扣拱偏差現(xiàn)象。
(1) 針對(duì)大垮PBA工法施工的地下工程出現(xiàn)的梁柱等結(jié)構(gòu)尺寸偏差、初支裂縫和表觀缺陷現(xiàn)象,分析了PBA工法左右不對(duì)稱施工導(dǎo)致扣拱偏差的原因。
(2) 采用隨機(jī)介質(zhì)理論,建立群洞開挖時(shí)空效應(yīng)的理論分析模型,對(duì)扣拱偏差現(xiàn)象產(chǎn)生的本質(zhì)成因進(jìn)行分析,分析了地表沉降槽空間形態(tài)隨導(dǎo)洞開挖而左右擺動(dòng)的變形規(guī)律。
(3) 指出了分別成拱封閉成環(huán)、快速作業(yè)的同洞同步作業(yè)和平行作業(yè)減小群洞影響,通過側(cè)洞分跨扣拱設(shè)計(jì)細(xì)化及施工優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)對(duì)稱同步是消除或減小扣拱偏差現(xiàn)象的主要對(duì)策。