北京地鐵車站洞樁法施工變形規(guī)律分析

李曉萌，王金明，王智，梁春

(北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100038)

1 引 言

淺埋暗挖洞樁法在傳統(tǒng)地下工程施工技術(shù)基礎(chǔ)上，引入地上建筑施工理念，利用小導(dǎo)洞和樁技術(shù)在對(duì)地層不產(chǎn)生大擾動(dòng)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(jié)構(gòu)受力條件好、周圍環(huán)境影響小等特點(diǎn)，近年來發(fā)展尤為迅速，在多個(gè)地鐵中都得到應(yīng)用，對(duì)洞樁法的研究也隨之增多[1，2]。

翟萬波運(yùn)用數(shù)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(tái)階長(zhǎng)度不同時(shí)，掌子面掘進(jìn)中地層和地表的變形規(guī)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(tǒng)分析了車站樁柱結(jié)構(gòu)在施工過程中的應(yīng)力應(yīng)變分布特點(diǎn)[4]；楊子璇等對(duì)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(guī)律進(jìn)行了研究，提出沉降控制方案[5]；羅正高運(yùn)用有限元法模擬樁基自平衡試驗(yàn)，對(duì)比分析樁頂加載和自平衡法加載樁基力學(xué)特性及對(duì)樁基承載力影響因素[6]；王明勝依據(jù)北京地區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)及洞樁法的工藝特征，對(duì)洞樁法設(shè)計(jì)中施工豎井設(shè)置方式、橫通道設(shè)置方式、導(dǎo)洞設(shè)計(jì)、鋼管樁設(shè)計(jì)、扣拱設(shè)計(jì)等進(jìn)行系統(tǒng)研究[7]；侯旭峰等結(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用9種工況研究標(biāo)明樁間土厚度、樁徑和圍巖級(jí)別3種因素對(duì)邊樁內(nèi)力和橫向位移的影響[8]。

不斷增加的PBA工法理論研究多數(shù)都是針對(duì)雙層導(dǎo)洞車站，對(duì)于單層導(dǎo)洞的研究較少，結(jié)合工程實(shí)際情況，單層導(dǎo)洞洞樁法的應(yīng)用也逐漸增多。本文的工程背景——北京地鐵16號(hào)線蘇州街站單層導(dǎo)洞PBA工法車站，原設(shè)計(jì)方案擬采用PBA工法8導(dǎo)洞開挖，現(xiàn)調(diào)整為4導(dǎo)洞開挖，僅保留了上層4個(gè)導(dǎo)洞，導(dǎo)洞的開挖順序依舊遵循先開挖兩邊導(dǎo)洞后開挖中間導(dǎo)洞的原則，待上層導(dǎo)洞開挖后，在洞內(nèi)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(jiān)硬的卵石層中用以支撐整體結(jié)構(gòu)。本文運(yùn)用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，得出施工階段地層位移變化規(guī)律及結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，為以后類似地層車站修建提供一定的理論依據(jù)。

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(zhǎng) 240.65 m。車站主體雙層段采用暗挖單層導(dǎo)洞洞樁法實(shí)施，標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)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(duì)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(jié)構(gòu)剖面圖

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

各土層物理力學(xué)參數(shù) 表1

邊樁樁徑1.0 m，在模擬中等效為地連墻進(jìn)行計(jì)算，樁長(zhǎng) 22.8 m～27 m，相鄰樁中心標(biāo)準(zhǔn)間距 1.25 m，采用C30混凝土。鋼管柱填充C40混凝土。導(dǎo)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(xué)參數(shù)如表2所示。

各材料物理力學(xué)參數(shù) 表2

3 單層導(dǎo)洞PBA工法數(shù)值模型

3.1 建立模型

本次模擬采用FLAC3D軟件進(jìn)行模擬計(jì)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(jù)地下水位及時(shí)調(diào)整泵型泵量確保降水效果良好，盡量使地下作業(yè)處于無水狀態(tài)，因此在進(jìn)行模擬時(shí)不考慮地下水的影響。此次模擬土體時(shí)采用莫爾-庫(kù)倫模型，開挖使用null模型。一般情況下，模型計(jì)算邊界選開挖尺寸的3倍～5倍[9]，結(jié)合工程實(shí)際情況，選取 130 m×105 m×70 m區(qū)域建立三維計(jì)算模型，共產(chǎn)生 737 835個(gè)網(wǎng)格， 761 716個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。將該模型外邊界的四個(gè)垂直面(x=-50 m、x=80 m、y=0 m、y=105 m)的法向位移進(jìn)行約束，平面內(nèi)不約束；再將計(jì)算模型底部的水平邊界(z=-50 m)進(jìn)行固定約束；模型頂部為自由邊界。模型如圖3所示，車站結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 三維網(wǎng)格模型

圖4 車站結(jié)構(gòu)圖

3.2 計(jì)算方案

為較真實(shí)模擬車站開挖過程，計(jì)算過程分為：

(1)形成初始重力場(chǎng)；

(2)開挖導(dǎo)洞，先挖邊導(dǎo)洞后挖中導(dǎo)洞，相鄰導(dǎo)洞掌子面進(jìn)度錯(cuò)開 15 m；

(3)施作邊樁、中立柱、冠梁及頂縱梁；

(4)導(dǎo)洞回填，開挖扣拱下方土體并施作初期支護(hù)；

(5)拆除扣拱土體周圍導(dǎo)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(tái)層土體，施作底板，開挖完成。

4 單層導(dǎo)洞PBA工法數(shù)值模型

4.1 豎向位移分析

經(jīng)過模擬計(jì)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(shù)據(jù)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(dǎo)洞開挖完成后，地表沉降呈現(xiàn)以車站中線為對(duì)稱軸的對(duì)稱分布，地表最大沉降值約為 20.83 mm，發(fā)生在中間位置，兩側(cè)沉降呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)，以車站中線為起點(diǎn)，對(duì)中線兩側(cè) 20 m范圍內(nèi)的地表影響較大。沉降最大值發(fā)生在中導(dǎo)洞頂部位置，約為 34.90 mm，邊導(dǎo)洞沉降值略小，約為 21.61 mm。土體隆起也呈現(xiàn)出以車站中線為對(duì)稱軸的對(duì)稱分布，但隆起最大值發(fā)生在中導(dǎo)洞底部偏向車站中線的位置。

(2)樁體系施工完成后，因結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)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(dǎo)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(yīng)力釋放，對(duì)土層產(chǎn)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(fā)生在中拱上方，底部隆起增大，最大值發(fā)生在中導(dǎo)洞位置，但向車站中線移動(dòng)。

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

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

結(jié)合圖6可以看出，隨著施工的進(jìn)行地表沉降逐漸增大，呈現(xiàn)對(duì)稱趨勢(shì)，車站中線左右 20 m范圍內(nèi)變化明顯，20 m以外的區(qū)域地表沉降變化較小逐漸趨近于0。地表最大沉降點(diǎn)發(fā)生在中線位置，導(dǎo)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(tái)層施工引起最大地表沉降占總體的7.2%。導(dǎo)洞和扣拱施工引起的地表沉降所占比例最大，高達(dá)90.7%，主要是因?yàn)閷?dǎo)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(jié)構(gòu)尚不穩(wěn)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(jù)模型計(jì)算結(jié)果得出同地表沉降同斷面上各節(jié)點(diǎn)水平位移量，得出地表水平位移規(guī)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(duì)稱軸的反對(duì)稱圖形，車站中線兩側(cè)土體向中線方向移動(dòng)壓縮，并隨著各施工階段的進(jìn)行，地表水平位移逐漸增大，在據(jù)中線約 15 m的位置達(dá)到最大，且各階段施工對(duì)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(dǎo)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(cè)邊樁呈現(xiàn)向結(jié)構(gòu)內(nèi)部移動(dòng)現(xiàn)象，且變形為“兩端小，中間大”，并隨著站廳、站臺(tái)層施工，最大位移發(fā)生位置向下移動(dòng)，最終處于中板和底板之間。根據(jù)各施工階段樁體最大位移量可以看出，扣拱施工時(shí)樁體位移量所占比例較大。

4.4 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

將點(diǎn)DB36-02導(dǎo)洞回填后的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，結(jié)果如圖9所示。

圖9 DB36-02實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對(duì)比圖

根據(jù)圖9對(duì)比結(jié)果，可以看出模擬值與實(shí)測(cè)值變形趨勢(shì)相同，但實(shí)測(cè)值大于模擬值，這是由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工時(shí)周圍環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致沉降的原因很多，所以不能夠?qū)?shí)際情況完全模擬，因此實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)略有差異，但變形趨勢(shì)相同，因此可以用于對(duì)洞樁法施工的變形規(guī)律分析。

5 結(jié) 論

本文通過對(duì)洞樁法施工過程數(shù)值模擬，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得出：

(1)隨著施工的進(jìn)行地表沉降逐漸增大，呈現(xiàn)對(duì)稱趨勢(shì)，車站中線左右 20 m范圍內(nèi)變化明顯，且地表最大沉降點(diǎn)發(fā)生在中線位置，導(dǎo)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(jìn)行，底部隆起量也逐漸增大，且呈現(xiàn)對(duì)稱分布，最大隆起位置從中導(dǎo)洞逐漸移動(dòng)到車站中線。

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

(4)邊樁隨著施工，兩側(cè)邊樁向結(jié)構(gòu)內(nèi)部移動(dòng)，但中間變形較大，兩端較小，且呈現(xiàn)為“兩端小，中間大”的“凸”形。

(5)通過對(duì)各變形量的分析，可以明顯看出導(dǎo)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(yán)格按照設(shè)計(jì)、規(guī)范，加強(qiáng)這兩道工序的管理與監(jiān)測(cè)，做好支護(hù)，時(shí)刻關(guān)注變形情況，確保施工安全。