PBA暗挖車站施工近接南水北調(diào)暗涵地表沉降研究

張萌萌, 李 凱, 劉 柳, 馮衛(wèi)星

(1.石家莊鐵道大學交通運輸學院,河北 石家莊 050043;2.中鐵三局集團第四工程有限公司,北京 102300;3.石家莊鐵道大學土木工程學院,河北 石家莊 050043)

四季青站和南水北調(diào)暗涵距離較近,淺埋暗挖地鐵施工時會產(chǎn)生地表沉降,過大沉降可能導致地面塌陷,形成坑洞或下陷區(qū)域,甚至可能導致地下的管線(如供水管道、天然氣管道、電力線路等)破裂或斷裂。通過采用合理施工方法并輔以精確的監(jiān)控量測,可以有效降低地表沉降對周圍環(huán)境和建筑物的影響[1,2]。研究地鐵車站開挖過程中地鐵車站和南水北調(diào)暗涵上方的地表沉降對保障施工順利進行具有重要意義。

1 工程概況

1.1 工程位置及車站結(jié)構(gòu)形式

四季青站為北京地鐵12號線起點站,車站位于西四環(huán)北路與紫竹院路(杏石口路)交叉口南側(cè),沿西四環(huán)輔路西側(cè)南北向布置。四季青站周邊重大風險西側(cè)有西郊機場鐵路,東側(cè)有南水北調(diào)暗涵。南水北調(diào)暗涵為兩條并行圓形段,管道半徑2.0 m,西線距離四季青站C出入口最近為6.1 m。南水北調(diào)中線工程西四環(huán)暗涵工程為Ⅰ等工程,主要建筑物為Ⅰ級建筑物。工程輸水規(guī)模為30 m3/s,加大流量為35 m3/s。四季青站主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 四季青站主體結(jié)構(gòu)及監(jiān)測點布置

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)勘察報告,車站主體工程地質(zhì)剖面見圖1。車站主體上導洞主要穿越卵石⑤層,拱頂位于卵石⑤層;車站扣拱位于卵石⑤層,車站下導洞主要穿越卵石⑦層,拱頂主要位于粉質(zhì)黏土⑥層與卵石⑦層,局部位于粉細砂⑥4層與中粗砂⑥3層。車站底板位于卵石⑦層。

潛水(二):水位埋深為18.68 m,水位標高34.83 m。層間水(三):水位埋深約為29.80～31.20 m,水位標高約23.60～24.04 m?？垢≡O(shè)計水位標高按42.00 m考慮。

1.3 沉降監(jiān)測點布設(shè)

以車站主體結(jié)構(gòu)模型縱向中間截面為監(jiān)測斷面,監(jiān)測點布設(shè)于地表,位置分布在車站中軸線的兩側(cè),導洞上方地表沉降監(jiān)測點布置如圖1所示。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 建立模型

本文采用邁達斯GTS NX對四季青站施工進行三維模擬計算,車站雙層雙跨暗挖段總長304.0 m,寬度為21.3 m,總高16.57 m,覆土約8.3 m左右。單柱雙跨雙聯(lián)拱結(jié)構(gòu)型式,用6導洞“PBA”暗挖工法施工,雙層單柱雙跨島式車站。將PBA暗挖車站施工建模過程劃分為四個關(guān)鍵階段:導洞開挖(步序1)、頂?shù)卓v梁和樁的施作(步序2)、初支扣拱(步序3)、土體分層開挖(步序4)。據(jù)此建立數(shù)值分析模型,模型長、寬、高分別為143 m、20 m、50 m,共有39 691個節(jié)點、54 603個單元。整體模型、車站主體模型及其結(jié)構(gòu)材料參數(shù)和地層物理力學參數(shù)如圖2、圖3和表1和表2所示。

表1 車站主體結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

表2 土層物理學參數(shù)

圖2 三維有限元整體模型圖3 車站模型

2.2 不同施工順序下地表沉降控制分析

適合雙層單柱雙跨島式車站中導洞最優(yōu)的施工順序所引起的地表沉降值最小。分別建立了相同條件下車站模型的四種不同的導洞施工順序:工況1(先下后上-先兩邊后中間)、工況2(先下后上-先中間后兩邊)、工況3(先上后下-先兩邊后中間)、工況4(先上后下-先中間后兩邊)。土體開挖后,圍巖應(yīng)力重分布,引發(fā)地表沉降,各工況地表最終沉降及最大沉降值見圖4和表3。

表3 四種工況最大沉降值對比

圖4 四種工況的地表沉降和車站沉降

四種工況地表的沉降曲線趨勢大致相同(如圖5所示),導洞上方沉降均呈漏斗狀,地表沉降最大值均在車站中軸線上,是因為導洞位于砂軟層,黏聚力很小,成拱困難,主要是靠土層中的顆粒摩擦維持穩(wěn)定[3]。導洞開挖造成卸載,導洞底部出現(xiàn)一定的隆起[4]。工況1、2、3、4的最大隆起值分別為34.58、36.59、43.45和35.33 mm,工況1車站底板的隆起最少。原因可能是先挖兩邊導洞,可以在較短的跨度范圍內(nèi)形成初步的支護結(jié)構(gòu),再挖中間導洞時,由于兩邊已經(jīng)開挖并形成了相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),可以有效減小導洞底部的隆起值。

圖5 四種工況地表沉降曲線對比

工況1、2(先下后上)的沉降值小于工況3、4(先上后下)的沉降值,“先下后上”的施工方法優(yōu)于“先上后下”;工況1、3(先邊后中)的地表沉降值,分別低于工況2、4(先中后邊)的地表沉降,可以得到“先邊后中”地表沉降更小。具體原因可能如下:

(1)先下后上。導洞位于卵石層,由于顆粒之間的膠結(jié)能力和黏聚力較差,整體的穩(wěn)定性相對較低,在上層導洞施工時,會對下方的卵石層造成較大的振動和擾動;下層導洞開挖之后,可以利用下層導洞作為支護基礎(chǔ)來進行上層導洞的挖掘,提高穩(wěn)定性與安全性,減少上層施工過程中可能發(fā)生的地層坍塌或失穩(wěn)風險。

(2)先邊后中。卵石地層的地質(zhì)特性通常不均勻,存在顆粒大小、密實度、隨機分布等方面的變化。先開挖兩邊導洞,可以為中間導洞開挖提供較好的工作空間和支撐條件,將地質(zhì)風險分散到兩側(cè),減少施工風險的擴散范圍,而且有利于及時采取適當?shù)陌踩胧┖捅O(jiān)測手段。如果先開挖中間,對中間導洞周圍土體進行二次擾動,可能會最終導致沉降增大。

所以從控制地表沉降角度來看,“先下后上-先邊后中”的導洞施工順序略優(yōu)。

2.3 不同工況下土體塑性狀態(tài)特征分析

土體塑性狀態(tài)是指當土體或巖石受到加載時,如果達到或超過其塑性極限,將會發(fā)生塑性變形[5]。不同工況施工將會導致土體不同程度的變形,四種工況地層塑性區(qū)分布如圖6所示。

圖6 四種工況塑性區(qū)分布

四種工況塑性區(qū)分布基本相同,均集中在下層兩邊導洞底部內(nèi)側(cè)區(qū)域,主要表現(xiàn)為受剪塑性區(qū)。四種工況最大塑性值分別為21.6、22.1、22.7和26.1,工況4塑性值最大且塑性區(qū)面積最大,工況1、2、3塑性區(qū)面積相似、最大塑性值接近,所以工況4“先上后下先中后邊”的導洞施工順序?qū)Φ貙拥臄_動更大,擾動主要集中在靠近車站底板部分圍巖。

2.4 施工對南水北調(diào)暗涵影響規(guī)律研究

PBA施工過程中會對土體造成振動和擠壓,這種土體變動可能會對暗涵管道造成垂直或水平方向的壓力和變形,進而導致管道結(jié)構(gòu)的損壞或破裂[6]。四種工況施工模擬結(jié)果顯示,暗涵管道的變形主要發(fā)生在豎直方向、水平方向上變形較小。土體開挖結(jié)束后暗涵豎向變形云圖如圖7所示。

圖7 四種工況下南水北調(diào)暗涵豎向變形云圖

導洞開挖過程中四種工況的暗涵豎向變形變化規(guī)律基本一致。土體開挖階段結(jié)束后,四種工況下南水北調(diào)暗涵豎向最大變形分別為11.995、12.137、13.378和12.553 mm,工況1方案引起暗涵的最大變形沉降最小, “先下后上-先邊后中”的導洞施工順序略優(yōu)。

優(yōu)先考慮地表最大累計沉降,再考慮導洞施工對南水北調(diào)暗涵的影響,綜合兩者結(jié)果,顯然,工況1(“先下后上-先邊后中”)為最優(yōu)方案。

3 理論計算與實測對比分析

工程中實際的監(jiān)測數(shù)據(jù),會受到地質(zhì)條件、地下水等各種各樣條件的影響。例如,在城市化過程中,建筑物的施工和使用可能導致土壤壓實和沉降;某些地區(qū)受季節(jié)變化影響,會導致土壤含水量的變化,因此監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果難免有所差別。四季青車站地表沉降模擬計算結(jié)果和實地監(jiān)測結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 模擬與監(jiān)測地表沉降曲線對比

圖9 地表沉降隨施工進度的時間曲線對比

整體地表變形規(guī)律表現(xiàn)為地鐵車站中軸線向兩側(cè)沉降值逐漸減小,車站上方地表沉降隨著施工的進展形成沉降凹槽,車站中軸線地表沉降最大。地表沉降增加主要在導洞開挖和初支扣拱階段,且增速極快,而施作頂?shù)卓v梁和灌注樁以及土體分層開挖階段對地表沉降影響極小,最終沉降值趨于穩(wěn)定,可以看出PBA法施工可以有效控制地表沉降。對比實地監(jiān)測曲線和數(shù)值模擬曲線,兩條曲線趨勢大致相同,實地監(jiān)測的最大沉降值為43.38 mm,數(shù)值模擬的最大沉降值為41.3 mm。數(shù)值計算結(jié)果與實地監(jiān)測值較為吻合。

4 結(jié)束語

(1)將四種不同工況的地表沉降、土體塑性狀態(tài)特征和南水北調(diào)暗涵豎向變形沉降進行對比分析,確定了“先下后上-先兩邊后中間”為最優(yōu)導洞施工順序,為PBA法暗挖地鐵車站近接南水北調(diào)暗涵施工提供了技術(shù)支撐。

(2)施工監(jiān)測與數(shù)值模擬結(jié)果較為吻合,兩者表明車站上方地表沉降增加集中在導洞開挖和初支扣拱階段,而施作頂?shù)卓v梁和灌注樁以及土體分層開挖階段對地表沉降影響較小。