復(fù)雜環(huán)境PBA法導(dǎo)洞施工順序?qū)Φ乇沓两涤绊懛治?/h1>
2020-04-13 03:10李金奎陳朋裴強(qiáng)
李金奎，陳朋，裴強(qiáng)*
(1.大連大學(xué) 建筑工程學(xué)院，遼寧 大連 116622；2.通遼市城鄉(xiāng)建設(shè)管理技術(shù)服務(wù)中心，內(nèi)蒙古 通遼 028000)
0 引言
當(dāng)下中國經(jīng)濟(jì)進(jìn)入中高速發(fā)展時(shí)期，拉動(dòng)交通等基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展，城市地鐵建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展階段。地鐵車站處于城市繁華地帶，地鐵車站修建工法有：蓋挖法、明挖法、PBA法、盾構(gòu)擴(kuò)挖法以及特殊工法。PBA法施工對(duì)周邊環(huán)境擾動(dòng)小，是復(fù)雜城市環(huán)境地鐵車站建設(shè)首選工法，但是PBA法導(dǎo)洞施工過程中容易引起群洞效應(yīng)，對(duì)地表沉降造成一定影響。邱明明等[1]基于某城市地鐵盾構(gòu)隧道工程，運(yùn)用數(shù)值模擬和理論分析的方法研究了雙線平行隧道施工地層沉降規(guī)律，并通過相對(duì)間距系數(shù)C=L/i來描述地表沉降發(fā)展規(guī)律；陳春來等[2]分析了現(xiàn)有Peck公式的優(yōu)缺點(diǎn)，并在二維土體沉降基礎(chǔ)上推導(dǎo)了三維土體沉降計(jì)算公式，并基于工程實(shí)踐進(jìn)行計(jì)算分析；任強(qiáng)等[3]結(jié)合廣州地鐵研究了雙洞體Peck公式的應(yīng)用，并應(yīng)用數(shù)值分析方法得出雙線平行隧道地表沉降主要是由地層損失引起的；白海衛(wèi)等[4]收集了18個(gè)實(shí)際地表沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，得出經(jīng)典Peck公式在雙線盾構(gòu)隧道中預(yù)測地表沉降仍然適用；張文婷等[5]以青島地鐵3號(hào)線為工程依托，運(yùn)用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測的方法進(jìn)行隧道建設(shè)過程中地表沉降和建筑的動(dòng)態(tài)耦合效應(yīng)研究。
為探討導(dǎo)洞施工順序?qū)Φ乇沓两档挠绊?，本文采用疊加法的Peck理論對(duì)勞動(dòng)公園站PBA法進(jìn)行預(yù)測，并運(yùn)用GTS軟件對(duì)不同的導(dǎo)洞施工順序進(jìn)行模擬分析，得出最佳的導(dǎo)洞施工方案，同時(shí)評(píng)價(jià)基于疊加法Peck公式的適用性，為類似工程提供參考和借鑒。
1 工程概況
1.1 車站周邊環(huán)境
大連地鐵5號(hào)線勞動(dòng)公園站位于解放路與自衛(wèi)街交叉口處，沿解放路南北方向布置，勞動(dòng)公園站起點(diǎn)里程為K7+531.659，終點(diǎn)里程為K7+722.859，總長度為191.2 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度23.3 m。車站主體為地下2層島式車站，車站頂板覆土約18.7～24.0 m。車站東北側(cè)為大連市第九中學(xué)，東南側(cè)為3、4、7、18層居民樓，西側(cè)為大連市第二十四中學(xué)，南側(cè)為勝利東路高架橋，沿道路埋設(shè)著通訊、電力、上下水、燃?xì)夤芫€，周邊環(huán)境較復(fù)雜，對(duì)地表沉降要求較高。車站采用PBA法施工，設(shè)計(jì)為上排4個(gè)、下排2個(gè)共計(jì)6個(gè)導(dǎo)洞。導(dǎo)洞初期支護(hù)斷面結(jié)構(gòu)為直墻拱，邊導(dǎo)洞內(nèi)設(shè)置冠梁，導(dǎo)洞初期支護(hù)厚度為300 mm，導(dǎo)洞間頂拱采用300 mm初期支護(hù)，端部嵌固在冠梁內(nèi)，側(cè)壁采用豎向格柵和砂漿錨桿支護(hù)形式，局部地質(zhì)較差部位采用直徑為1 000 mm灌注樁，間距為5 000 mm。勞動(dòng)公園站車站主體結(jié)構(gòu)和導(dǎo)洞位置如圖1所示。
圖1 勞動(dòng)公園站車站主體結(jié)構(gòu)和導(dǎo)洞位置Fig.1 Station main structure and guide hole location
1.2 勞動(dòng)公園站地質(zhì)概況
勞動(dòng)公園站施工范圍內(nèi)地層由上至下各層為素填土、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化板巖、中風(fēng)化輝綠巖。車站所在強(qiáng)風(fēng)化板巖層為IV級(jí)圍巖，中風(fēng)化輝綠巖為V級(jí)圍巖，地層巖土體參數(shù)見表1。
表1 地層巖土參數(shù)Tab.1 Stratum geotechnical parameters
圖2 單導(dǎo)洞地表沉降Fig.2 Single-conductor surface settlement
2 Peck公式對(duì)群洞施工地表沉降預(yù)測
2.1 單導(dǎo)洞施工地表沉降預(yù)測
美國科學(xué)家Peck總結(jié)了大量單洞隧道地表沉降數(shù)據(jù)后提出Peck公式，見式(1)，認(rèn)為隧道上方地表沉降近似為正態(tài)高斯分布的沉降形式[6]。
(1)
采用PBA法修建地鐵車站時(shí)需先進(jìn)行導(dǎo)洞開挖，單個(gè)導(dǎo)洞開挖產(chǎn)生的地層變形及地表沉降與單線隧道所引起的地層變化是一樣的，所以單導(dǎo)洞Peck公式沉降槽如圖2所示。
2.2 多導(dǎo)洞施工地表沉降預(yù)測
PBA法多導(dǎo)洞施工時(shí)地表沉降變化的計(jì)算基于Peck公式采用疊加法進(jìn)行地表沉降預(yù)測[7-8]，為了便于使用Peck公式，假設(shè)每個(gè)導(dǎo)洞施工均按照單一導(dǎo)洞條件，多導(dǎo)洞施工產(chǎn)生的沉降在地表位置進(jìn)行疊加，地表沉降預(yù)測公式見式(2)：
(2)
3 導(dǎo)洞施工順序數(shù)值分析
3.1 計(jì)算模型
使用有限元軟件GTS進(jìn)行數(shù)值模擬[9-10]，模型尺寸為60 m×30 m×60 m，如圖3所示。地層參數(shù)取值來自表1，巖土模型選用摩爾-庫倫模型，本構(gòu)方程見式(3)。初期支護(hù)為C25噴射混凝土支護(hù)，在模型中采用析取單元的方法建立初期支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)。
圖3 數(shù)值模擬模型Fig.3 Numerical simulation model
(3)
式中：p為等效壓力，MPa；q為剪應(yīng)力，MPa；θ為應(yīng)力洛德角。
邊界條件：模型上表面為自由面，側(cè)向用水平位移約束，底面為全約束設(shè)置。6個(gè)導(dǎo)洞分布位置如圖3所示。
3.2 施工順序的確定
施工順序的劃分主要涉及導(dǎo)洞施工順序和施工作業(yè)方式2個(gè)因素。勞動(dòng)公園站采用6個(gè)導(dǎo)洞分為上、下2層施工，上層布置4個(gè)導(dǎo)洞，下層布置2個(gè)導(dǎo)洞。6個(gè)導(dǎo)洞施工順序根據(jù)已有的工程經(jīng)驗(yàn)和工程案例，共確定6組不同施工順序方案，如表2所示。
表2 6種不同施工順序的模擬方案Tab.2 6 different construction sequence simulation scenarios
3.3 網(wǎng)格劃分及施工階段的定義
在網(wǎng)格劃分中采用3D實(shí)體單元進(jìn)行巖層劃分，單元尺寸設(shè)置為1 m；導(dǎo)洞初期支護(hù)結(jié)構(gòu)用板單元進(jìn)行模擬，設(shè)置板單元屬性時(shí)在截面中輸入板單元厚度300 mm，進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)劃分時(shí)板單元尺寸設(shè)置為0.5 m；對(duì)于超前注漿加固通過設(shè)置注漿加固層來進(jìn)行模擬；在網(wǎng)格劃分過程中一定要檢查網(wǎng)格質(zhì)量，檢查在接觸面處節(jié)點(diǎn)的耦合情況，如果節(jié)點(diǎn)不耦合則計(jì)算結(jié)果很難收斂；模型荷載主要為自重荷載。
在施工階段組定義中主要是通過設(shè)置導(dǎo)洞中巖體單元的激活與鈍化來實(shí)現(xiàn)該導(dǎo)洞開挖過程的模擬，導(dǎo)洞施工順序分別按照表2中每組方案的順序進(jìn)行，當(dāng)施工到該導(dǎo)洞時(shí)導(dǎo)洞的單元就處于鈍化狀態(tài)模擬開挖施工。在施工階段定義中要注意初始位移清零的設(shè)置，這樣所得計(jì)算結(jié)果才更加準(zhǔn)確。模擬過程中導(dǎo)洞采用臺(tái)階法施工，上下臺(tái)階進(jìn)尺為1 m。
3.4 計(jì)算結(jié)果
根據(jù)6種不同施工順序模擬計(jì)算結(jié)果，在地表上方每2 m設(shè)置1個(gè)沉降監(jiān)控點(diǎn)，共計(jì)設(shè)立30個(gè)地表沉降監(jiān)控點(diǎn)，從每個(gè)模型中提取出關(guān)鍵步的地表沉降數(shù)據(jù)值并繪制地表沉降曲線，6種不同施工順序的關(guān)鍵步沉降曲線如圖4所示。
(a) 方案1關(guān)鍵步地表沉降曲線
(b) 方案2關(guān)鍵步地表沉降曲線
(c) 方案3關(guān)鍵步地表沉降曲線
(d) 方案4關(guān)鍵步地表沉降曲線
(e) 方案5關(guān)鍵步地表沉降曲線
(f) 方案6關(guān)鍵步地表沉降曲線
3.5 模擬結(jié)果分析
3.5.1 單導(dǎo)洞流水作業(yè)施工順序?qū)Ρ确治?/p>
流水作業(yè)施工順序(方案1、2、3)地表沉降結(jié)果分別如圖4(a)、(b)、(c)所示。其中方案1、方案2[圖4(a)、(b)]為先上層4個(gè)導(dǎo)洞施工后下層2個(gè)導(dǎo)洞施工，方案3[圖4(c)]為先施工下層2個(gè)導(dǎo)洞后施工上層4個(gè)導(dǎo)洞。從方案1[圖4(a)]可以看出，開挖上層1導(dǎo)洞地表沉降最大值為1.7 mm，導(dǎo)洞4開挖后地表沉降最大值2.16 mm，1、4導(dǎo)洞開挖結(jié)束后地表沉降值在1.21～2.16 mm，地表沉降整體較小且較均勻。當(dāng)2導(dǎo)洞開挖后，地表沉降急劇增大，最大沉降值達(dá)到4.39 mm，增幅達(dá)到103.24 %。當(dāng)3導(dǎo)洞開挖后，地表沉降繼續(xù)增大，最大沉降值達(dá)到6.88 mm，增幅達(dá)到56.72 %。當(dāng)5、6號(hào)導(dǎo)洞開挖后地表沉降值在5.19～11.55 mm，最大值達(dá)到11.55 mm，發(fā)生在車站結(jié)構(gòu)縱向中心位置，整體呈正態(tài)分布，與Peck公式預(yù)測趨勢基本相符。當(dāng)各個(gè)導(dǎo)洞開挖后上覆地層發(fā)生卸載作用，地層發(fā)生不均勻沉降。各個(gè)關(guān)鍵步地表沉降峰值點(diǎn)不同，每個(gè)導(dǎo)洞開挖均導(dǎo)致地表沉降有所增加，增加幅度約在0.46～2.55 mm，6個(gè)導(dǎo)洞開挖后，地表沉降峰值點(diǎn)移至車站結(jié)構(gòu)縱向中心位置。
流水作業(yè)方案2中，2導(dǎo)洞施工完成后地表沉降最大值2.56 mm，較方案1中關(guān)鍵步1沉降增大0.86 mm，增幅50.59 %；3導(dǎo)洞挖完后地表沉降最大值5.62 mm，較2導(dǎo)洞挖完后沉降增大3.06 mm，增幅達(dá)到119.53 %，較方案1中關(guān)鍵步2沉降增大3.46 mm，增幅達(dá)到160.18 %。當(dāng)5、6號(hào)導(dǎo)洞開挖后地表沉降值在7.57～16.09 mm，較方案一沉降增加2.38～4.54 mm，最大值增幅達(dá)到39.31 %。
流水作業(yè)方案3中，5導(dǎo)洞施工完成后地表沉降最大值3.18 mm，較方案1中關(guān)鍵步1沉降增大1.48 mm，較方案2中關(guān)鍵步1沉降增大0.62 mm，地表沉降增幅36.47 %～87.06 %；6導(dǎo)洞施工完成后地表沉降最大值6.73 mm，較5導(dǎo)洞挖完后沉降增加3.55 mm，增幅達(dá)到111.64 %，較方案1中關(guān)鍵步2沉降增加2.34 mm，較方案2中關(guān)鍵步2沉降增加1.11 mm，增幅達(dá)到34.91 %～111.64 %。當(dāng)2、3號(hào)導(dǎo)洞開挖后地表沉降值在7.25～16.27 mm，較方案1最大沉降增加2.06～4.72 mm，最大值增幅達(dá)到40.87 %。較方案2最大沉降-0.32～-0.18 mm，最大值增幅降低4.41 %。方案3較方案2地表沉降整體差距較小。
在單導(dǎo)洞流水作業(yè)施工順序方案1、2、3比較中，方案1地表沉降量及沉降分布明顯優(yōu)于方案2、3。
3.5.2 雙導(dǎo)洞同步作業(yè)施工順序?qū)Ρ确治?/p>
雙導(dǎo)洞同步施工作業(yè)方案(方案4、5、6)地表沉降結(jié)果見圖4(d)、(e)、(f)所示。其中方案4[圖4(d)]、5[圖4(e)]為先施工上層4個(gè)導(dǎo)洞后施工下層2個(gè)導(dǎo)洞，方案6[圖4(f)]為先施工下層2個(gè)導(dǎo)洞后施工上層4個(gè)導(dǎo)洞，3種方案都是2個(gè)導(dǎo)洞同時(shí)進(jìn)行施工。方案4中施工1、4導(dǎo)洞后地表沉降值在1.72～3.04 mm，2、3導(dǎo)洞施工結(jié)束后地表沉降值在4.28～11.82 mm，較1、4導(dǎo)洞施工后地表沉降增加2.56～8.78 mm，增幅為148.82 %～288.82 %，5、6導(dǎo)洞施工結(jié)束后地表沉降值在8.45～19.85 mm，較2、3導(dǎo)洞施工后地表沉降增加4.17～8.03 mm，增幅為91.46 %～162.89 %。
方案5中施工2、3導(dǎo)洞后地表沉降值在2.73～8.73 mm，1、4導(dǎo)洞施工結(jié)束后地表沉降值在5.30～13.45 mm，較2、3導(dǎo)洞施工后地表沉降增加2.57～4.72 mm，增幅為54.07 %～94.14 %，5、6導(dǎo)洞施工結(jié)束后地表沉降值在10.36～23.26 mm，較1、4導(dǎo)洞施工后地表沉降增加5.06～9.81 mm，增幅為72.94 %～95.47 %。
方案6中施工5、6導(dǎo)洞后地表沉降值在5.98～10.06 mm，1、4導(dǎo)洞施工結(jié)束后地表沉降值在7.60～14.51 mm，較5、6導(dǎo)洞施工后地表沉降增加1.62～4.45 mm，增幅為27.1 %～44.23 %，2、3導(dǎo)洞施工結(jié)束后地表沉降值在9.76～22.73 mm，較1、4導(dǎo)洞施工后地表沉降增加2.16～8.22 mm，增幅為22.13 %～36.16 %。
雙導(dǎo)洞同步施工作業(yè)優(yōu)點(diǎn)在于縮短工期平行作業(yè)，但施工管理較復(fù)雜，需加強(qiáng)支護(hù)，重點(diǎn)防控地表沉降。
3.5.3 單導(dǎo)洞流水作業(yè)、雙導(dǎo)洞同步作業(yè)施工順序?qū)Ρ确治?/p>
方案4、5、6雙導(dǎo)洞同步施工作業(yè)引起地表沉降值19.85～23.26 mm，明顯高于方案1、2、3單導(dǎo)洞流水作業(yè)施工順序(沉降值11.55～16.27 mm)。方案4、5、6雙導(dǎo)洞同步施工作業(yè)關(guān)鍵步地表沉降變化明顯，單個(gè)關(guān)鍵步施工后最大沉降增量8.78 mm，最大增幅達(dá)到288.82 %，地表沉降突變易對(duì)地下管線及周邊環(huán)境帶來危害。
導(dǎo)洞群施工引起地表沉降與導(dǎo)洞施工順序有較大關(guān)系[11-12]，可以選擇單導(dǎo)洞流水作業(yè)、雙導(dǎo)洞同步作業(yè)施工順序。雙導(dǎo)洞同步作業(yè)施工順序有利于施工工期，單導(dǎo)洞流水作業(yè)便于控制地表沉降，有利于安全施工[13-14]。在6個(gè)施工方案中，盡管作業(yè)方式和導(dǎo)洞施工順序不同，但最終地表沉降槽形狀與Peck公式預(yù)測基本一致，是以地下結(jié)構(gòu)中心線為對(duì)稱軸的正態(tài)分布曲線；每個(gè)方案中地表沉降的峰值都是不斷從兩邊向中間移動(dòng)，并最終在結(jié)構(gòu)中線形成單峰值沉降槽，不同的流水作業(yè)施工順序沉降槽峰值有所不同，雙導(dǎo)洞同步作業(yè)施工順序的沉降峰值明顯高于單導(dǎo)洞流水作業(yè)沉降峰值。
3.6 工程實(shí)測和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析
根據(jù)數(shù)值模擬[15]結(jié)果，采用方案1流水作業(yè)施工順序組織勞動(dòng)公園站施工，以某一觀測斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，進(jìn)行Peck公式預(yù)測、數(shù)值模擬對(duì)比分析如圖5所示，3條地表沉降曲線沉降槽基本是以車站結(jié)構(gòu)縱向中心線對(duì)稱的高斯正態(tài)曲線分布，與Peck公式預(yù)測的基本一致，3種方法地表沉降差異最大1.51 mm。3條沉降曲線中數(shù)值模擬結(jié)果最小，為5.19～11.55 mm，現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果居中為5.60～12.06mm，疊加原理Peck理論計(jì)算結(jié)果最大，為6.70～13.05 mm，比數(shù)值模擬結(jié)果高出12.99 %～29.01 %，比現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果高出8.21 %～19.64 %。采用疊加法Peck理論計(jì)算地表沉降值較大的原因是直接考慮單個(gè)導(dǎo)洞施工地表沉降值的算術(shù)疊加，沒有考慮導(dǎo)洞間土體的相互作用，計(jì)算結(jié)果偏大。數(shù)值模擬過程中地表沉降沒有考慮土體中的水、采用的模型為理想化彈塑性模型，模擬結(jié)果偏小。在地鐵車站PBA法施工前期可由采用GTS數(shù)值模擬和疊加法的Peck理論進(jìn)行地表沉降預(yù)測，以指導(dǎo)工程實(shí)踐，但2種方法較實(shí)際地表沉降存在一定的偏差，單一的GTS數(shù)值模擬研究應(yīng)深入研究地層單元本構(gòu)和地下水作用模型，單一采用疊加法的Peck理論進(jìn)行預(yù)測應(yīng)對(duì)疊加法進(jìn)行修正。結(jié)合具體工程，建議采用2種方法綜合分析確定實(shí)際地表沉降的區(qū)間值。
圖5 地表沉降對(duì)比分析Fig.5 Comparative analysis of surface settlement
4 結(jié)論
依托大連地鐵5號(hào)線勞動(dòng)公園站PBA法工程，采用GTS數(shù)值模擬、Peck理論和現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合的綜合方法，對(duì)比分析不同作業(yè)方式和導(dǎo)洞施工順序的地表沉降規(guī)律，得出以下結(jié)論：
① 大連地鐵5號(hào)線勞動(dòng)公園站PBA法工程中雙導(dǎo)洞同步施工作業(yè)引起地表沉降值19.85～23.26mm，明顯高于單導(dǎo)洞流水作業(yè)施工順序(沉降值11.55～16.27 mm)。雙導(dǎo)洞同步施工作業(yè)關(guān)鍵步地表沉降變化明顯，最大沉降增量8.78 mm，最大增幅達(dá)到288.82 %，地表沉降突變易對(duì)地下管線及周邊環(huán)境帶來風(fēng)險(xiǎn)。
② 復(fù)雜環(huán)境下PBA法修建地鐵車站時(shí)地表沉降發(fā)展與導(dǎo)洞施工順序、作業(yè)方式、支護(hù)形式和施工方法密切相關(guān)。雙導(dǎo)洞同步作業(yè)施工順序有利于施工工期控制，單導(dǎo)洞流水作業(yè)便于控制地表沉降，有利于安全施工。
③ 復(fù)雜環(huán)境下PBA法修建地鐵車站時(shí)地表沉降槽形狀是以地下結(jié)構(gòu)的中心線為對(duì)稱軸的正態(tài)分布曲線，與作業(yè)方式和導(dǎo)洞施工順序無關(guān)。但地表沉降槽峰值與作業(yè)方式和導(dǎo)洞施工順序相關(guān)，雙導(dǎo)洞同步作業(yè)施工順序的沉降峰值明顯高于單導(dǎo)洞流水作業(yè)沉降峰值。
④ 地鐵車站PBA法地表沉降預(yù)測采用GTS數(shù)值模擬因采用理想化巖土體彈塑性模型而導(dǎo)致模擬結(jié)果偏小，采用疊加法的Peck理論計(jì)算因未考慮導(dǎo)洞間土體的相互作用導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果偏大。建議具體工程應(yīng)采用兩種方法綜合分析，能夠確定實(shí)際地表沉降的區(qū)間值。
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李金奎，陳朋，裴強(qiáng)*
(1.大連大學(xué) 建筑工程學(xué)院，遼寧 大連 116622；2.通遼市城鄉(xiāng)建設(shè)管理技術(shù)服務(wù)中心，內(nèi)蒙古 通遼 028000)
0 引言
當(dāng)下中國經(jīng)濟(jì)進(jìn)入中高速發(fā)展時(shí)期，拉動(dòng)交通等基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展，城市地鐵建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展階段。地鐵車站處于城市繁華地帶，地鐵車站修建工法有：蓋挖法、明挖法、PBA法、盾構(gòu)擴(kuò)挖法以及特殊工法。PBA法施工對(duì)周邊環(huán)境擾動(dòng)小，是復(fù)雜城市環(huán)境地鐵車站建設(shè)首選工法，但是PBA法導(dǎo)洞施工過程中容易引起群洞效應(yīng)，對(duì)地表沉降造成一定影響。邱明明等[1]基于某城市地鐵盾構(gòu)隧道工程，運(yùn)用數(shù)值模擬和理論分析的方法研究了雙線平行隧道施工地層沉降規(guī)律，并通過相對(duì)間距系數(shù)C=L/i來描述地表沉降發(fā)展規(guī)律；陳春來等[2]分析了現(xiàn)有Peck公式的優(yōu)缺點(diǎn)，并在二維土體沉降基礎(chǔ)上推導(dǎo)了三維土體沉降計(jì)算公式，并基于工程實(shí)踐進(jìn)行計(jì)算分析；任強(qiáng)等[3]結(jié)合廣州地鐵研究了雙洞體Peck公式的應(yīng)用，并應(yīng)用數(shù)值分析方法得出雙線平行隧道地表沉降主要是由地層損失引起的；白海衛(wèi)等[4]收集了18個(gè)實(shí)際地表沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，得出經(jīng)典Peck公式在雙線盾構(gòu)隧道中預(yù)測地表沉降仍然適用；張文婷等[5]以青島地鐵3號(hào)線為工程依托，運(yùn)用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測的方法進(jìn)行隧道建設(shè)過程中地表沉降和建筑的動(dòng)態(tài)耦合效應(yīng)研究。
為探討導(dǎo)洞施工順序?qū)Φ乇沓两档挠绊?，本文采用疊加法的Peck理論對(duì)勞動(dòng)公園站PBA法進(jìn)行預(yù)測，并運(yùn)用GTS軟件對(duì)不同的導(dǎo)洞施工順序進(jìn)行模擬分析，得出最佳的導(dǎo)洞施工方案，同時(shí)評(píng)價(jià)基于疊加法Peck公式的適用性，為類似工程提供參考和借鑒。
1 工程概況
1.1 車站周邊環(huán)境
大連地鐵5號(hào)線勞動(dòng)公園站位于解放路與自衛(wèi)街交叉口處，沿解放路南北方向布置，勞動(dòng)公園站起點(diǎn)里程為K7+531.659，終點(diǎn)里程為K7+722.859，總長度為191.2 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度23.3 m。車站主體為地下2層島式車站，車站頂板覆土約18.7～24.0 m。車站東北側(cè)為大連市第九中學(xué)，東南側(cè)為3、4、7、18層居民樓，西側(cè)為大連市第二十四中學(xué)，南側(cè)為勝利東路高架橋，沿道路埋設(shè)著通訊、電力、上下水、燃?xì)夤芫€，周邊環(huán)境較復(fù)雜，對(duì)地表沉降要求較高。車站采用PBA法施工，設(shè)計(jì)為上排4個(gè)、下排2個(gè)共計(jì)6個(gè)導(dǎo)洞。導(dǎo)洞初期支護(hù)斷面結(jié)構(gòu)為直墻拱，邊導(dǎo)洞內(nèi)設(shè)置冠梁，導(dǎo)洞初期支護(hù)厚度為300 mm，導(dǎo)洞間頂拱采用300 mm初期支護(hù)，端部嵌固在冠梁內(nèi)，側(cè)壁采用豎向格柵和砂漿錨桿支護(hù)形式，局部地質(zhì)較差部位采用直徑為1 000 mm灌注樁，間距為5 000 mm。勞動(dòng)公園站車站主體結(jié)構(gòu)和導(dǎo)洞位置如圖1所示。
圖1 勞動(dòng)公園站車站主體結(jié)構(gòu)和導(dǎo)洞位置Fig.1 Station main structure and guide hole location
1.2 勞動(dòng)公園站地質(zhì)概況
勞動(dòng)公園站施工范圍內(nèi)地層由上至下各層為素填土、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化板巖、中風(fēng)化輝綠巖。車站所在強(qiáng)風(fēng)化板巖層為IV級(jí)圍巖，中風(fēng)化輝綠巖為V級(jí)圍巖，地層巖土體參數(shù)見表1。
表1 地層巖土參數(shù)Tab.1 Stratum geotechnical parameters
圖2 單導(dǎo)洞地表沉降Fig.2 Single-conductor surface settlement
2 Peck公式對(duì)群洞施工地表沉降預(yù)測
2.1 單導(dǎo)洞施工地表沉降預(yù)測
美國科學(xué)家Peck總結(jié)了大量單洞隧道地表沉降數(shù)據(jù)后提出Peck公式，見式(1)，認(rèn)為隧道上方地表沉降近似為正態(tài)高斯分布的沉降形式[6]。
(1)
采用PBA法修建地鐵車站時(shí)需先進(jìn)行導(dǎo)洞開挖，單個(gè)導(dǎo)洞開挖產(chǎn)生的地層變形及地表沉降與單線隧道所引起的地層變化是一樣的，所以單導(dǎo)洞Peck公式沉降槽如圖2所示。
2.2 多導(dǎo)洞施工地表沉降預(yù)測
PBA法多導(dǎo)洞施工時(shí)地表沉降變化的計(jì)算基于Peck公式采用疊加法進(jìn)行地表沉降預(yù)測[7-8]，為了便于使用Peck公式，假設(shè)每個(gè)導(dǎo)洞施工均按照單一導(dǎo)洞條件，多導(dǎo)洞施工產(chǎn)生的沉降在地表位置進(jìn)行疊加，地表沉降預(yù)測公式見式(2)：
(2)
3 導(dǎo)洞施工順序數(shù)值分析
3.1 計(jì)算模型
使用有限元軟件GTS進(jìn)行數(shù)值模擬[9-10]，模型尺寸為60 m×30 m×60 m，如圖3所示。地層參數(shù)取值來自表1，巖土模型選用摩爾-庫倫模型，本構(gòu)方程見式(3)。初期支護(hù)為C25噴射混凝土支護(hù)，在模型中采用析取單元的方法建立初期支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)。
圖3 數(shù)值模擬模型Fig.3 Numerical simulation model
(3)
式中：p為等效壓力，MPa；q為剪應(yīng)力，MPa；θ為應(yīng)力洛德角。
邊界條件：模型上表面為自由面，側(cè)向用水平位移約束，底面為全約束設(shè)置。6個(gè)導(dǎo)洞分布位置如圖3所示。
3.2 施工順序的確定
施工順序的劃分主要涉及導(dǎo)洞施工順序和施工作業(yè)方式2個(gè)因素。勞動(dòng)公園站采用6個(gè)導(dǎo)洞分為上、下2層施工，上層布置4個(gè)導(dǎo)洞，下層布置2個(gè)導(dǎo)洞。6個(gè)導(dǎo)洞施工順序根據(jù)已有的工程經(jīng)驗(yàn)和工程案例，共確定6組不同施工順序方案，如表2所示。
表2 6種不同施工順序的模擬方案Tab.2 6 different construction sequence simulation scenarios
3.3 網(wǎng)格劃分及施工階段的定義
在網(wǎng)格劃分中采用3D實(shí)體單元進(jìn)行巖層劃分，單元尺寸設(shè)置為1 m；導(dǎo)洞初期支護(hù)結(jié)構(gòu)用板單元進(jìn)行模擬，設(shè)置板單元屬性時(shí)在截面中輸入板單元厚度300 mm，進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)劃分時(shí)板單元尺寸設(shè)置為0.5 m；對(duì)于超前注漿加固通過設(shè)置注漿加固層來進(jìn)行模擬；在網(wǎng)格劃分過程中一定要檢查網(wǎng)格質(zhì)量，檢查在接觸面處節(jié)點(diǎn)的耦合情況，如果節(jié)點(diǎn)不耦合則計(jì)算結(jié)果很難收斂；模型荷載主要為自重荷載。
在施工階段組定義中主要是通過設(shè)置導(dǎo)洞中巖體單元的激活與鈍化來實(shí)現(xiàn)該導(dǎo)洞開挖過程的模擬，導(dǎo)洞施工順序分別按照表2中每組方案的順序進(jìn)行，當(dāng)施工到該導(dǎo)洞時(shí)導(dǎo)洞的單元就處于鈍化狀態(tài)模擬開挖施工。在施工階段定義中要注意初始位移清零的設(shè)置，這樣所得計(jì)算結(jié)果才更加準(zhǔn)確。模擬過程中導(dǎo)洞采用臺(tái)階法施工，上下臺(tái)階進(jìn)尺為1 m。
3.4 計(jì)算結(jié)果
根據(jù)6種不同施工順序模擬計(jì)算結(jié)果，在地表上方每2 m設(shè)置1個(gè)沉降監(jiān)控點(diǎn)，共計(jì)設(shè)立30個(gè)地表沉降監(jiān)控點(diǎn)，從每個(gè)模型中提取出關(guān)鍵步的地表沉降數(shù)據(jù)值并繪制地表沉降曲線，6種不同施工順序的關(guān)鍵步沉降曲線如圖4所示。
(a) 方案1關(guān)鍵步地表沉降曲線
(b) 方案2關(guān)鍵步地表沉降曲線
(c) 方案3關(guān)鍵步地表沉降曲線
(d) 方案4關(guān)鍵步地表沉降曲線
(e) 方案5關(guān)鍵步地表沉降曲線
(f) 方案6關(guān)鍵步地表沉降曲線
3.5 模擬結(jié)果分析
3.5.1 單導(dǎo)洞流水作業(yè)施工順序?qū)Ρ确治?/p>
流水作業(yè)施工順序(方案1、2、3)地表沉降結(jié)果分別如圖4(a)、(b)、(c)所示。其中方案1、方案2[圖4(a)、(b)]為先上層4個(gè)導(dǎo)洞施工后下層2個(gè)導(dǎo)洞施工，方案3[圖4(c)]為先施工下層2個(gè)導(dǎo)洞后施工上層4個(gè)導(dǎo)洞。從方案1[圖4(a)]可以看出，開挖上層1導(dǎo)洞地表沉降最大值為1.7 mm，導(dǎo)洞4開挖后地表沉降最大值2.16 mm，1、4導(dǎo)洞開挖結(jié)束后地表沉降值在1.21～2.16 mm，地表沉降整體較小且較均勻。當(dāng)2導(dǎo)洞開挖后，地表沉降急劇增大，最大沉降值達(dá)到4.39 mm，增幅達(dá)到103.24 %。當(dāng)3導(dǎo)洞開挖后，地表沉降繼續(xù)增大，最大沉降值達(dá)到6.88 mm，增幅達(dá)到56.72 %。當(dāng)5、6號(hào)導(dǎo)洞開挖后地表沉降值在5.19～11.55 mm，最大值達(dá)到11.55 mm，發(fā)生在車站結(jié)構(gòu)縱向中心位置，整體呈正態(tài)分布，與Peck公式預(yù)測趨勢基本相符。當(dāng)各個(gè)導(dǎo)洞開挖后上覆地層發(fā)生卸載作用，地層發(fā)生不均勻沉降。各個(gè)關(guān)鍵步地表沉降峰值點(diǎn)不同，每個(gè)導(dǎo)洞開挖均導(dǎo)致地表沉降有所增加，增加幅度約在0.46～2.55 mm，6個(gè)導(dǎo)洞開挖后，地表沉降峰值點(diǎn)移至車站結(jié)構(gòu)縱向中心位置。
流水作業(yè)方案2中，2導(dǎo)洞施工完成后地表沉降最大值2.56 mm，較方案1中關(guān)鍵步1沉降增大0.86 mm，增幅50.59 %；3導(dǎo)洞挖完后地表沉降最大值5.62 mm，較2導(dǎo)洞挖完后沉降增大3.06 mm，增幅達(dá)到119.53 %，較方案1中關(guān)鍵步2沉降增大3.46 mm，增幅達(dá)到160.18 %。當(dāng)5、6號(hào)導(dǎo)洞開挖后地表沉降值在7.57～16.09 mm，較方案一沉降增加2.38～4.54 mm，最大值增幅達(dá)到39.31 %。
流水作業(yè)方案3中，5導(dǎo)洞施工完成后地表沉降最大值3.18 mm，較方案1中關(guān)鍵步1沉降增大1.48 mm，較方案2中關(guān)鍵步1沉降增大0.62 mm，地表沉降增幅36.47 %～87.06 %；6導(dǎo)洞施工完成后地表沉降最大值6.73 mm，較5導(dǎo)洞挖完后沉降增加3.55 mm，增幅達(dá)到111.64 %，較方案1中關(guān)鍵步2沉降增加2.34 mm，較方案2中關(guān)鍵步2沉降增加1.11 mm，增幅達(dá)到34.91 %～111.64 %。當(dāng)2、3號(hào)導(dǎo)洞開挖后地表沉降值在7.25～16.27 mm，較方案1最大沉降增加2.06～4.72 mm，最大值增幅達(dá)到40.87 %。較方案2最大沉降-0.32～-0.18 mm，最大值增幅降低4.41 %。方案3較方案2地表沉降整體差距較小。
在單導(dǎo)洞流水作業(yè)施工順序方案1、2、3比較中，方案1地表沉降量及沉降分布明顯優(yōu)于方案2、3。
3.5.2 雙導(dǎo)洞同步作業(yè)施工順序?qū)Ρ确治?/p>
雙導(dǎo)洞同步施工作業(yè)方案(方案4、5、6)地表沉降結(jié)果見圖4(d)、(e)、(f)所示。其中方案4[圖4(d)]、5[圖4(e)]為先施工上層4個(gè)導(dǎo)洞后施工下層2個(gè)導(dǎo)洞，方案6[圖4(f)]為先施工下層2個(gè)導(dǎo)洞后施工上層4個(gè)導(dǎo)洞，3種方案都是2個(gè)導(dǎo)洞同時(shí)進(jìn)行施工。方案4中施工1、4導(dǎo)洞后地表沉降值在1.72～3.04 mm，2、3導(dǎo)洞施工結(jié)束后地表沉降值在4.28～11.82 mm，較1、4導(dǎo)洞施工后地表沉降增加2.56～8.78 mm，增幅為148.82 %～288.82 %，5、6導(dǎo)洞施工結(jié)束后地表沉降值在8.45～19.85 mm，較2、3導(dǎo)洞施工后地表沉降增加4.17～8.03 mm，增幅為91.46 %～162.89 %。
方案5中施工2、3導(dǎo)洞后地表沉降值在2.73～8.73 mm，1、4導(dǎo)洞施工結(jié)束后地表沉降值在5.30～13.45 mm，較2、3導(dǎo)洞施工后地表沉降增加2.57～4.72 mm，增幅為54.07 %～94.14 %，5、6導(dǎo)洞施工結(jié)束后地表沉降值在10.36～23.26 mm，較1、4導(dǎo)洞施工后地表沉降增加5.06～9.81 mm，增幅為72.94 %～95.47 %。
方案6中施工5、6導(dǎo)洞后地表沉降值在5.98～10.06 mm，1、4導(dǎo)洞施工結(jié)束后地表沉降值在7.60～14.51 mm，較5、6導(dǎo)洞施工后地表沉降增加1.62～4.45 mm，增幅為27.1 %～44.23 %，2、3導(dǎo)洞施工結(jié)束后地表沉降值在9.76～22.73 mm，較1、4導(dǎo)洞施工后地表沉降增加2.16～8.22 mm，增幅為22.13 %～36.16 %。
雙導(dǎo)洞同步施工作業(yè)優(yōu)點(diǎn)在于縮短工期平行作業(yè)，但施工管理較復(fù)雜，需加強(qiáng)支護(hù)，重點(diǎn)防控地表沉降。
3.5.3 單導(dǎo)洞流水作業(yè)、雙導(dǎo)洞同步作業(yè)施工順序?qū)Ρ确治?/p>
方案4、5、6雙導(dǎo)洞同步施工作業(yè)引起地表沉降值19.85～23.26 mm，明顯高于方案1、2、3單導(dǎo)洞流水作業(yè)施工順序(沉降值11.55～16.27 mm)。方案4、5、6雙導(dǎo)洞同步施工作業(yè)關(guān)鍵步地表沉降變化明顯，單個(gè)關(guān)鍵步施工后最大沉降增量8.78 mm，最大增幅達(dá)到288.82 %，地表沉降突變易對(duì)地下管線及周邊環(huán)境帶來危害。
導(dǎo)洞群施工引起地表沉降與導(dǎo)洞施工順序有較大關(guān)系[11-12]，可以選擇單導(dǎo)洞流水作業(yè)、雙導(dǎo)洞同步作業(yè)施工順序。雙導(dǎo)洞同步作業(yè)施工順序有利于施工工期，單導(dǎo)洞流水作業(yè)便于控制地表沉降，有利于安全施工[13-14]。在6個(gè)施工方案中，盡管作業(yè)方式和導(dǎo)洞施工順序不同，但最終地表沉降槽形狀與Peck公式預(yù)測基本一致，是以地下結(jié)構(gòu)中心線為對(duì)稱軸的正態(tài)分布曲線；每個(gè)方案中地表沉降的峰值都是不斷從兩邊向中間移動(dòng)，并最終在結(jié)構(gòu)中線形成單峰值沉降槽，不同的流水作業(yè)施工順序沉降槽峰值有所不同，雙導(dǎo)洞同步作業(yè)施工順序的沉降峰值明顯高于單導(dǎo)洞流水作業(yè)沉降峰值。
3.6 工程實(shí)測和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析
根據(jù)數(shù)值模擬[15]結(jié)果，采用方案1流水作業(yè)施工順序組織勞動(dòng)公園站施工，以某一觀測斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，進(jìn)行Peck公式預(yù)測、數(shù)值模擬對(duì)比分析如圖5所示，3條地表沉降曲線沉降槽基本是以車站結(jié)構(gòu)縱向中心線對(duì)稱的高斯正態(tài)曲線分布，與Peck公式預(yù)測的基本一致，3種方法地表沉降差異最大1.51 mm。3條沉降曲線中數(shù)值模擬結(jié)果最小，為5.19～11.55 mm，現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果居中為5.60～12.06mm，疊加原理Peck理論計(jì)算結(jié)果最大，為6.70～13.05 mm，比數(shù)值模擬結(jié)果高出12.99 %～29.01 %，比現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果高出8.21 %～19.64 %。采用疊加法Peck理論計(jì)算地表沉降值較大的原因是直接考慮單個(gè)導(dǎo)洞施工地表沉降值的算術(shù)疊加，沒有考慮導(dǎo)洞間土體的相互作用，計(jì)算結(jié)果偏大。數(shù)值模擬過程中地表沉降沒有考慮土體中的水、采用的模型為理想化彈塑性模型，模擬結(jié)果偏小。在地鐵車站PBA法施工前期可由采用GTS數(shù)值模擬和疊加法的Peck理論進(jìn)行地表沉降預(yù)測，以指導(dǎo)工程實(shí)踐，但2種方法較實(shí)際地表沉降存在一定的偏差，單一的GTS數(shù)值模擬研究應(yīng)深入研究地層單元本構(gòu)和地下水作用模型，單一采用疊加法的Peck理論進(jìn)行預(yù)測應(yīng)對(duì)疊加法進(jìn)行修正。結(jié)合具體工程，建議采用2種方法綜合分析確定實(shí)際地表沉降的區(qū)間值。
圖5 地表沉降對(duì)比分析Fig.5 Comparative analysis of surface settlement
4 結(jié)論
依托大連地鐵5號(hào)線勞動(dòng)公園站PBA法工程，采用GTS數(shù)值模擬、Peck理論和現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合的綜合方法，對(duì)比分析不同作業(yè)方式和導(dǎo)洞施工順序的地表沉降規(guī)律，得出以下結(jié)論：
① 大連地鐵5號(hào)線勞動(dòng)公園站PBA法工程中雙導(dǎo)洞同步施工作業(yè)引起地表沉降值19.85～23.26mm，明顯高于單導(dǎo)洞流水作業(yè)施工順序(沉降值11.55～16.27 mm)。雙導(dǎo)洞同步施工作業(yè)關(guān)鍵步地表沉降變化明顯，最大沉降增量8.78 mm，最大增幅達(dá)到288.82 %，地表沉降突變易對(duì)地下管線及周邊環(huán)境帶來風(fēng)險(xiǎn)。
② 復(fù)雜環(huán)境下PBA法修建地鐵車站時(shí)地表沉降發(fā)展與導(dǎo)洞施工順序、作業(yè)方式、支護(hù)形式和施工方法密切相關(guān)。雙導(dǎo)洞同步作業(yè)施工順序有利于施工工期控制，單導(dǎo)洞流水作業(yè)便于控制地表沉降，有利于安全施工。
③ 復(fù)雜環(huán)境下PBA法修建地鐵車站時(shí)地表沉降槽形狀是以地下結(jié)構(gòu)的中心線為對(duì)稱軸的正態(tài)分布曲線，與作業(yè)方式和導(dǎo)洞施工順序無關(guān)。但地表沉降槽峰值與作業(yè)方式和導(dǎo)洞施工順序相關(guān)，雙導(dǎo)洞同步作業(yè)施工順序的沉降峰值明顯高于單導(dǎo)洞流水作業(yè)沉降峰值。
④ 地鐵車站PBA法地表沉降預(yù)測采用GTS數(shù)值模擬因采用理想化巖土體彈塑性模型而導(dǎo)致模擬結(jié)果偏小，采用疊加法的Peck理論計(jì)算因未考慮導(dǎo)洞間土體的相互作用導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果偏大。建議具體工程應(yīng)采用兩種方法綜合分析，能夠確定實(shí)際地表沉降的區(qū)間值。
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