地鐵車站臨時結構施工地表沉降變化研究

常文豪， 李 斌

(武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430063)

0 引 言

本文主要研究的是因地鐵車站臨時結構的豎井與橫通道開挖導致的地表沉降情況。目前，學者們所采用的研究因地下工程開挖導致的地表沉降的方法主要有以下四種:①經驗公式;②數(shù)值模擬;③模型試驗;④現(xiàn)場監(jiān)測。Martos[1]通過對大量的巖土開挖工程進行研究得到地表沉降槽符合正態(tài)分布的特征。白海衛(wèi)等[2]采用Peck公式分析雙線隧道施工過程中引起的地表沉降,并與監(jiān)測值進行比較,結果表明經典的Peck公式在預測雙線隧道地層沉降時仍具有重要意義。樊帥等[3]將Peck公式應用于地鐵隧道開挖過程中地表沉降的實時預測中并與實測的數(shù)據(jù)比較，符合度較高。Fang等[4]用數(shù)值模擬軟件對淺埋暗挖施工地鐵車站進行模擬,發(fā)現(xiàn)不同的施工方法會得到不同的地表沉降數(shù)值。Li等[5]對洞樁法施工地鐵車站做了研究,發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬的結果與實測值存在差異,提出車站的臨時結構施工可能會導致地表產生沉降這一問題。閆佳駒[6]以北京地鐵某站為例模擬施工各階段的地表沉降值,為實際施工提供合理的建議。尹蘭蘭[7]用模型試驗法對臺階法施工地鐵隧道的變形進行模擬,并用數(shù)值模擬驗證了合理性。邢振興等[8]介紹了對某車站的豎井與橫通道的具體的監(jiān)測方案,并取得了較好的效果。Yao等[9]對倒掛井壁法施工豎井進行實時監(jiān)測,結果表明使用此方法時對地層的影響較小。

本文將針對Li[5]提出的問題進行探究,對PBA工法施工地鐵車站時臨時結構豎井與橫通道開挖導致的地表沉降變化和影響范圍進行研究,通過FLAC 3D軟件進行數(shù)值模擬，并與理論計算的結果相結合研究地表的沉降以驗證結果的準確性,為后續(xù)的施工提供沉降資料,防止出現(xiàn)過大的地表沉降。

1 數(shù)值模擬

1.1 FLAC3D在本工程中的應用

本工程依托北京地鐵某車站的實際工程案例,根據(jù)工程施工實際情況,并考慮模型在計算時的邊界效應,根據(jù)圣維南原理[10],邊界距離大于3～5倍開挖洞涇。設定X(沿橫通道)方向66 m,Y(垂直于橫通道)方向56 m,Z(深度)方向58 m。模型具體如圖1所示,模型中共175 736個單元,183 330個節(jié)點。具體細節(jié)尺寸,豎井為6×8 m,深度29 m;上層橫通道寬5 m,高6 m,埋深10 m;下層橫通道位于上層橫通道正下方,凈距6 m,寬5 m,高6 m。根據(jù)地層的物理力學參數(shù)情況進行簡化,地層模型可簡單分成5層,各層的物理力學參數(shù)見表1。在進行數(shù)值模擬時,為了使模型收斂和考慮工程的實際情況必須對模型的邊界進行約束,包括位移邊界條件和應力邊界條件。在本模型中,僅考慮位移邊界條件,前后和左右(X和Y方向)約束法向位移,底部約束所有位移。

圖1 模型示意圖

表1 地層物理力學參數(shù)

1.2 模擬施工過程

與其他數(shù)值模擬軟件一樣,在正式計算之前,需要對模型在自重作用下的沉降清零,然后再計算其他部分。圍巖本構關系采用摩爾-庫侖(m-c)模型,鎖口圈梁采用彈性模型。本文所研究的主要工程為地鐵車站的臨時結構豎井與橫通道的施工,其施工過程為首先開挖豎井,其次開挖上層橫通道,最后開挖下層橫通道。

(1)模擬豎井開挖。根據(jù)工程實際施工情況,對圍巖單元的屬性進行改變,改變豎井井圈部分參數(shù)屬性和本構模型,使用彈性體模型來模擬鋼筋混凝土結構的鎖口圈梁結構。提高豎井的注漿加固范圍內圍巖參數(shù)模擬導管注漿后的圍巖參數(shù),用空模型單元來改變需要開挖的部分,每次開挖的深度為1 m。用Shell單元來模擬支護結構。

(2)模擬橫通道開挖。對需要注漿預支護的部分通過提高圍巖參數(shù)來實現(xiàn),開挖過程通過空模型單元實現(xiàn),橫通道的支護結構由Shell單元模擬。根據(jù)實際施工情況使用臺階法開挖,每次開挖進尺1.5 m,臺階長為3 m,上臺階高3 m,下臺階高3 m,并采用注漿小導管對橫通道上方巖土體進行注漿預支護來提高圍巖強度。開挖順序為先開挖上層橫通道,待其開挖完成后再開挖下層橫通道,上下層采用相同的開挖方式。

1.3 數(shù)值模擬結果

本次的數(shù)值模擬,主要研究地表沉降的數(shù)值大小和分布范圍。豎井和橫通道開挖會在地表面形成沉降槽,在距離開挖較近處會產生較大的變形,而距離較遠處對地表的影響較小甚至沒有影響。為了研究的準確性,特意提取三組監(jiān)測點上的地表沉降變化,地表監(jiān)測點垂直于橫通道布置,監(jiān)測點距豎井邊緣呈遠、中、近分布,三組監(jiān)測點之間相距9m,CX3距離豎井邊緣4.5m,為距豎井最近的一條測線,將三條測線的沉降情況分別繪制成圖,如圖2所示。

圖2 地表沉降變形圖

圖2為橫通道開挖后地表的沉降變化情況,從中可以看出在距離豎井較近的CX3監(jiān)測組橫通道中心線上方發(fā)生了較大的地表沉降變化,最大沉降值為3.5 mm。該組監(jiān)測點處在豎井與橫通道的雙重影響下,是由豎井和橫通道開挖導致地表沉降雙重疊加造成的。而距離橫通道頂端較近的CX1監(jiān)測組橫通道中心線上方的地表沉降值較小,最大沉降值為1.7 mm左右,這是因為該組監(jiān)測點距離豎井開挖位置較遠,且處在橫通道的頂端位置,地表的沉降變化受到限制所致。CX2監(jiān)測組橫通道中心線上方的地表沉降值位于另外兩組監(jiān)測點之間,最大沉降值為2.7 mm左右。CX2監(jiān)測組位于橫通道的中間位置遠離豎井開挖位置和橫通道頂端,受豎井開挖和橫通道頂端的影響較小,能夠較為真實地反映地表沉降的真實情況。

從開挖導致的地表沉降的影響范圍來看,隨著監(jiān)測組到豎井的距離增大,地表沉降的影響范圍也在減小。CX3監(jiān)測組的影響范圍為橫通道中心線左右兩邊18 m,CX2的影響范圍為橫通道中心線左右兩邊16 m,CX1的影響范圍為橫通道中心線左右兩邊12 m。至于沉降影響范圍以外的地表隆起情況,可能為豎井與橫通道開挖后底板受到向上的反力導致圍巖向上運動,影響到較遠處的地表發(fā)生了微微的隆起現(xiàn)象,最大隆起值僅為0.4 mm。

2 Peck公式計算預測

本節(jié)將使用Peck公式對由地鐵臨時結構施工造成的地表沉降進行計算預測,由于本車站的臨時結構橫通道有上下兩層,且是一個不規(guī)則的形狀,需要將兩層橫通道等效為一個圓形,并找到等效圓圓心的位置。根據(jù)上下層橫通道的埋深和面積即可算出等效圓的圓心和埋深,已知上層橫通道埋深10 m,下層橫通道埋深22 m。經計算單個橫通道截面面積為27.843 m2。

等效圓的圓心計算位置為:

z0=(10+22)/2=16(m)

(1)

等效圓的面積為:

=27.843+27.843=55.686(m2)

(2)

等效圓的半徑為:

(3)

等效圓頂部至地表的地層厚度內摩擦角加權平均值:

(4)

則沉降槽寬度為:

(5)

另外根據(jù)經驗取地層損失率Vl=1.25%,則可以求得地表最大沉降為:

(6)

則地表沉降的分布曲線公式為:

(7)

由該公式繪制的地表橫向沉降曲線如圖3所示。

圖3 地表橫向沉降曲線圖

從圖3可以看出,由Peck公式計算的最大地表沉降值為5 mm,發(fā)生在橫通道中心線上方的地表處,并由中心線向橫通道兩側的地表沉降值遞減,最終趨近于0,呈正態(tài)分布特征。

3 沉降對比分析

將數(shù)值模擬的地表沉降結果與Peck公式計算結果相比較,為了比較的準確性,將CX2的地表沉降結果與計算結果相比較,比較情況如圖4所示。

圖4 數(shù)值模擬與公式計算對比圖

從圖4可以看出,數(shù)值模擬的結果與Peck公式計算出的結果相比,Peck公式計算的沉降值為5 mm,要大于數(shù)值模擬的沉降值約為2.7 mm,但結果相差不大,同為一個數(shù)量級,且其總體趨勢大致相同。公式計算結果與數(shù)值模擬結果的沉降影響范圍略有不同,Peck公式計算出的影響范圍比數(shù)值模擬的結果范圍更廣,其原因是Peck公式計算的結果只能包含地表的沉降,而在數(shù)值模擬的結果中還包含著地表隆起的部分,所以會呈現(xiàn)不同的沉降曲線,但總體來說兩者的吻合度較高,說明了數(shù)值模擬的準確性。

4 結 論

本文通過對豎井與橫通道開挖導致的地表沉降大小和范圍進行數(shù)值模擬,并用Peck公式進行驗算,得到地表沉降大小和影響范圍,得到以下結論:

(1)由數(shù)值模擬結果得到橫通道中心線正上方的地表沉降值為2.7 mm,且距離橫通道中心線越遠地表沉降越小。由Peck公式計算的橫通道中心線正上方的地表沉降值為5 mm,且地表沉降成正態(tài)分布。數(shù)值模擬結果與Peck公式計算的結果相比較,結果顯示吻合度較高,說明本次模擬的準確度較高。

(2)本次數(shù)值模擬是對地層的參數(shù)做了簡化處理,雖然不能完全模擬真實沉降的情況,但其地表沉降規(guī)律對以后類似工程的施工仍具有一定的參考價值。