洪成鋮

（華北科技學(xué)院，北京 101601）

0 前言

對(duì)于大跨度淺埋暗挖車站的施工工法主要有：眼鏡工法、中洞法、側(cè)洞法、PBA 工法等。PBA 工法以其有效控制地層變形、施工安全度高、施工靈活性強(qiáng)、斷面利用率高以及造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)在北京等地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。但是該工法由于需要在狹窄導(dǎo)洞內(nèi)完成一系列的鋼筋、立模、澆筑、吊裝等操作，并且開挖洞室多，受力情況復(fù)雜，作業(yè)環(huán)境惡劣，因此需要特別關(guān)注在施工過程中的監(jiān)測(cè)工作。本文具體針對(duì)車站施工階段地表變形進(jìn)行研究。

賈世濤[1]以北京地鐵薊門橋站為工程背景,針對(duì)PBA 地鐵車站穿越各類土層的情況,采用Midas Gts NX 有限元分析軟件建立實(shí)體模型,模擬施工過程的各階段,研究過程中引起的地層沉降規(guī)律。各種地層下PBA 工法施工過程中引起沉降的最主要步驟均為導(dǎo)洞開挖施工階段,發(fā)生沉降最大的部位在下導(dǎo)洞拱頂處,而剩余各階段的沉降值在不同地層條件下差異較小。任建喜[2]等以西安黃土地區(qū)首個(gè)PBA 工法車站為工程背景,對(duì)先期小導(dǎo)洞開挖數(shù)量及開挖順序的合理確定進(jìn)行研究，得到采用"先上后下"開挖順序不會(huì)對(duì)上層土體造成二次擾動(dòng),六導(dǎo)洞形式可減少地表沉降約20%,四導(dǎo)洞形式可減少地表沉降約15%。王勇[3]等以北京地鐵16 號(hào)線甘家口站和8 號(hào)線三期六營門站為工程依托,使用ABAQUS 有限元軟件對(duì)兩種地質(zhì)情況下應(yīng)用PBA 工法修建地鐵車站進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,同時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。得到在其他條件相同情況下,砂卵石地層中修建地鐵車站引起地表沉降值小于粉質(zhì)黏土地層;不同地層中各階段沉降占比無較大差異;粉質(zhì)黏土地層中不同施工階段沉降速率均大于相同階段的砂卵石地層。趙文強(qiáng)[4]等以西安地鐵6 號(hào)線廣濟(jì)街站為研究對(duì)象，采用二維有限元數(shù)值分析方法，對(duì)比分析了三、四和六導(dǎo)洞PBA 工法導(dǎo)洞開挖和扣拱施工后地表沉降及導(dǎo)洞初支位移情況。經(jīng)過計(jì)算比選，四導(dǎo)洞方案工序轉(zhuǎn)換減少，施工難度降低，對(duì)差異沉降和周邊環(huán)境影響控制有利，適合黃土地區(qū)暗挖PBA 工法車站。在北京地鐵建設(shè)規(guī)模逐年擴(kuò)大的背景下，相關(guān)學(xué)者的研究表明，對(duì)PBA 工法施工引起的地表沉降規(guī)律進(jìn)行研究可以為類似工程的設(shè)計(jì)與施工提供一定的借鑒，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程及工法概況

北京市某新建地鐵車站位于城市市區(qū)，采用兩層三柱四導(dǎo)洞PBA 工法，主要施工步驟如下：（1）采用臺(tái)階法（加臨時(shí)仰拱）開挖橫通道第一層、第二層。在橫通道中施工五個(gè)主體導(dǎo)洞；（2）待所有的小導(dǎo)洞完全貫通，在兩個(gè)邊導(dǎo)洞內(nèi)施作圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊樁，其余導(dǎo)洞內(nèi)施作中柱樁基及鋼管柱；（3）在邊樁上端施作冠梁，鋼管柱上端施作頂縱梁；（4）小導(dǎo)管超前預(yù)注漿加固地層，開挖主拱土體，施做初期支護(hù)，并采用圍焊等加強(qiáng)措施。初支封閉成環(huán)后，對(duì)初期支護(hù)背后進(jìn)行填充注漿。（5）逐段拆除小導(dǎo)洞邊墻，鋪設(shè)防水層，立模澆筑主拱二襯。（6）敷設(shè)側(cè)墻防水層,施作中板、中縱梁、上層側(cè)墻。（7）鋪設(shè)防水層，澆筑底縱梁、底板、下層側(cè)墻。（8）施作內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2 施工階段的有限元模型

PBA 工法較為復(fù)雜，部分工序在有限元分析中需要進(jìn)行簡(jiǎn)化，具體包括超前小導(dǎo)管注漿加固、邊樁和鋼管柱。

2.1 模擬思路及假定條件

施工過程中，根據(jù)實(shí)際動(dòng)態(tài)化施工的過程進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬，分段分步驟施工。土體開挖采用施工階段程序中的“鈍化”命令，對(duì)于導(dǎo)洞支護(hù)、冠梁和頂縱梁的施工、混凝土回填澆筑等工序，通過“激活”命令模擬。通過對(duì)施工不同階段進(jìn)行“激活”及“鈍化”命令實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格組和邊界組是否參與程序的運(yùn)行與分析等。建立模型計(jì)算中所采用的假定條件如下所示：（1）在對(duì)施工階段進(jìn)行模擬時(shí)，土層是不平整，不均勻的，為了簡(jiǎn)便計(jì)算，在對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大的情況下假定各土層是平整、均勻的。（2）模型計(jì)算忽略地下水的影響。（3）自重和地面活載是模型計(jì)算考慮載荷。（4）結(jié)構(gòu)材料采用彈性本構(gòu)關(guān)系。

2.2 模型計(jì)算范圍及邊界條件

車站模型結(jié)構(gòu)上覆土層厚度為8.89m，車站整體高度設(shè)計(jì)為18m，向車站下方取約2.2 倍車站高度40m，模型總高度為70m；模型左右各取導(dǎo)洞外側(cè)50 米處，所建模型長(zhǎng)140 米；車站的實(shí)際縱向長(zhǎng)度為303 米，但由于沿著導(dǎo)洞開挖方向，車站不同斷面的施工引起的地表沉降規(guī)律相似，綜合考慮尺寸效應(yīng)、開挖工序和模型的計(jì)算量，縱向范圍取60 米。綜上所述，模型尺寸在X 方向、Y 方向、Z方向范圍取值分別為140 米，60 米，70 米。模型的邊界條件取為：地鐵車站的上邊界為地表，不施加約束條件；模型左右兩側(cè)施加限制其X 方向位移的約束，模型底部施加限制其Z 方向位移的約束，前后限制其Y 方向位移約束。

2.3 材料的本構(gòu)模型

根據(jù)地勘報(bào)告，該處主要地層分布分別為粉土、粉細(xì)砂和卵石，其中粉土的內(nèi)摩擦角為25°，黏聚力為12kPa，粉細(xì)砂、卵石的內(nèi)摩擦角和黏聚力分別為25°、40°和0kPa、0kPa。綜上所述，在此模型中的粉土、粉細(xì)砂、和卵石均選擇修正摩爾-庫倫本構(gòu)關(guān)系。除此之外，其他結(jié)構(gòu)材料的本構(gòu)模型均采用各向同性—彈性本構(gòu)關(guān)系。結(jié)構(gòu)及材料的本構(gòu)模型見表1。

表1 結(jié)構(gòu)及材料的本構(gòu)模型表

2.4 材料參數(shù)

本地鐵車站涉及到的地層類型較多且不平整，故在建立模型時(shí)對(duì)地層進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理以簡(jiǎn)便計(jì)算。地層土體的基本參數(shù)如表2 所示。注漿加固采用在地層實(shí)體單元基礎(chǔ)上改變材料屬性進(jìn)行模擬，注漿材料的選用、注漿加固及車站結(jié)構(gòu)材料的參數(shù)如表3 所示。

表2 地層參數(shù)表

表3 車站各結(jié)構(gòu)參數(shù)表

3 施工過程變形情況

3.1 主要施工階段地表沉降

坐標(biāo)原點(diǎn)選在模型地表中心，以主監(jiān)測(cè)斷面為研究對(duì)象，記錄此斷面在地鐵車站施工過程中的地表沉降，通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析擬合作得地表沉降圖如下圖1 所示。

圖1 主要施工階段地表沉降

從圖1 可以看到，距離車站中軸線距離越近，地表沉降值越大，地表沉降量關(guān)于車站中心對(duì)稱;車站左右側(cè)距離中軸線0～20m 的范圍內(nèi)，地表沉降量變化明顯，在車站中軸線20m～40m 的范圍內(nèi)，地表沉降量變化不明顯且趨向于0；在各個(gè)施工階段中，導(dǎo)洞開挖階段和扣拱施工階段引起的地表沉降數(shù)值較大，而樁柱施工階段引起的地表沉降最小。

3.2 各施工階段沉降值比例

在沉降階段，總最大地表沉降量為58.52mm，發(fā)生在距離中軸線0m 主體完成施工后。其中小導(dǎo)洞開挖階段地表沉降量最大，為車站沉降的主要階段，最大沉降為23.52mm，占沉降階段總沉降值的40%。故小導(dǎo)洞施工階段為本工程沉降監(jiān)測(cè)的主要防范階段。在邊樁施工、底中頂縱梁、鋼管柱施工的階段，車站地表最大位移沉降值為4.79mm，占沉降階段總沉降值的8.2%。在拱頂初支、二襯的扣拱階段，車站地表最大位移沉降值為18.01mm，占總沉降值的30.8%。主體結(jié)構(gòu)施工階段導(dǎo)致的地表沉降為12.20mm，占總沉降值的20.8%。各階段沉降比例如下圖2。

圖2 各施工階段沉降值比例

由圖二可以得知，在地鐵車站的主要施工過程中，導(dǎo)洞開挖階段和扣拱階段地表的沉降大約占到總沉降的71%，而邊樁中樁施工過程引起的地表沉降只占到總沉降的8%左右。不同施工階段的地表沉降所占總沉降比例的差異從數(shù)據(jù)上說明在實(shí)際施工時(shí)，應(yīng)當(dāng)在導(dǎo)洞開挖階段和扣拱施工階段加強(qiáng)對(duì)地表沉降的監(jiān)測(cè)，可以在這兩個(gè)階段進(jìn)行更密集的監(jiān)測(cè)或增加監(jiān)測(cè)的點(diǎn)位。

4 結(jié)論

（1）本文基于有限元軟件Midas GTS 對(duì)北京市某新建地鐵車站采用PBA工法（洞樁法）暗挖的施工過程進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)車站各個(gè)施工階段地表沉降值比分別為導(dǎo)洞完成：樁柱施工：扣拱完成：主體完成=5:1:3.9:2.6，最大地表沉降總量為58.52mm。

（2）PBA 工法施工過程中，小導(dǎo)洞開挖階段和扣拱施工階段地表沉降量較大，應(yīng)當(dāng)在實(shí)際工程中在此二階段加強(qiáng)沉降監(jiān)測(cè)。

（3）地鐵車站施工過程中，其地表沉降主要發(fā)生在距離車站中線位置左右0～20m 處，且不同施工階段變化趨勢(shì)大致相同，在實(shí)際工程中，應(yīng)當(dāng)對(duì)該距離范圍內(nèi)的地表沉降進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。