PBA工法橫通道及導(dǎo)洞施工對地表沉降的影響

紀(jì)文杰，黃 博，姚直書，薛維培

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232000；2.安徽工程大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

地下開挖對地下土體產(chǎn)生擾動，引起地應(yīng)力狀態(tài)改變，從而引起地面變形和應(yīng)力重分配，直到達(dá)到穩(wěn)定的平衡狀態(tài)[1]。淺埋隧道開挖一般會導(dǎo)致大面積地表沉降，開挖引起的沉降可能對附近建筑物造成嚴(yán)重破壞[2]。由于城市隧道處于底覆土、軟弱地基的環(huán)境中，并且斷面大，地表存在敏感建筑，使得城市的地表沉降問題成為設(shè)計(jì)和施工等各方面的主要問題[3]。為此，在地鐵建設(shè)中應(yīng)用PBA(pile-beam-arch)工法，在開挖大斷面隧道時(shí)，可以先開挖小導(dǎo)洞，形成先期支護(hù)后再進(jìn)行支護(hù)內(nèi)部土體的開挖，盡可能減少對上部土體的擾動[4-8]。

國內(nèi)對于PBA工法引起地表沉降的研究已有很多， 文獻(xiàn)[9]在考慮地下水的情況下， 對雙層小導(dǎo)洞的不同開挖順序進(jìn)行數(shù)值模擬， 得出了最優(yōu)的開挖方案； 文獻(xiàn)[10]200模擬了橫通道單層雙向開挖小導(dǎo)洞的過程， 對比研究不同的開挖錯(cuò)距及開挖順序?qū)ι喜康乇沓两档挠绊懀?得出了采用PBA工法暗挖地鐵車站時(shí)最合理的導(dǎo)洞開挖方案； 文獻(xiàn)[11]數(shù)值模擬了砂卵石地層中的PBA工法車站的施工過程，分析了不同的開挖順序?qū)Φ乇沓两档挠绊懀晃墨I(xiàn)[12]通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測，對比分析了兩種地層條件下的PBA車站對地表沉降的影響。文獻(xiàn)[13]通過數(shù)值模擬和靜力水準(zhǔn)監(jiān)測技術(shù)，對PBA工法施工引起的地表沉降的過程進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[14]認(rèn)為PBA工法的6導(dǎo)洞形式采用“先上后下，先邊后中”工序可有效減少由于群洞效應(yīng)而引起的地表沉降。

已有研究多關(guān)注橫通道同一側(cè)導(dǎo)洞開挖順序?qū)Φ乇沓两诞a(chǎn)生的影響，且未考慮橫通道開挖的影響。實(shí)際工程中，采用PBA工法施工的車站，導(dǎo)洞通常為上下兩層分布，導(dǎo)洞開挖通常是始于橫通道的雙向開挖，橫通道開挖對地表沉降的影響不可忽略。本文以北京地鐵7號線的達(dá)官營站為背景，針對始于橫通道的雙層雙向小導(dǎo)洞的開挖進(jìn)行數(shù)值模擬分析，橫向比較橫通道及雙層雙向小導(dǎo)洞的不同開挖順序?qū)Φ乇沓两档挠绊?，并分析開挖的各階段對地表沉降的影響，可以用于指導(dǎo)相似工程的施工。

1 數(shù)值模型計(jì)算

1.1 工程背景

達(dá)官營站為地下雙層三跨島式車站，位于北京市西城區(qū)廣安門外大街(東西向)與規(guī)劃三里河路南延(南北向)交匯處，車站總長約為236m，車站頂板平均覆土厚度約為9m。主體施工采用PBA工法，主要由6個(gè)橫通道(上下兩層各3個(gè))進(jìn)行小導(dǎo)洞施工，其中車站兩端的橫通道向中間施工，中部的臨時(shí)橫通道則向兩側(cè)進(jìn)行施工，車站上下兩層各分布有4個(gè)小導(dǎo)洞。

本次數(shù)值模擬的研究對象是上下兩層中部的臨時(shí)橫通道及自臨時(shí)橫通道向兩側(cè)開挖的16個(gè)小導(dǎo)洞，橫向比較不同的橫通道及導(dǎo)洞開挖順序?qū)Φ乇沓两档挠绊?，分析橫通道施工與導(dǎo)洞施工所引起的沉降占總沉降的比例。

1.2 模型的建立

采用FLAC3D有限差分軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析。根據(jù)實(shí)際工程情況與軟件特性，建立模型如圖1所示，模型沿車站的縱向長度取186.9m，寬度取131.3m，自地面向下的高度取46.3m。

根據(jù)勘察報(bào)告將地層概化為四個(gè)地層，自地面向下分別為：人工填土層厚9m、卵石層①厚4m、卵石層②厚6m、強(qiáng)風(fēng)化礫巖、泥巖層厚28.3m，具體地層參數(shù)見表1。模擬土體時(shí)采用摩爾-庫倫模型，開挖使用null模型模擬，小導(dǎo)洞的格柵鋼架利用shell單元模擬，超前小導(dǎo)管支護(hù)通過加強(qiáng)小導(dǎo)洞開挖工作面前3m未開挖土體拱部的參數(shù)模擬，依據(jù)文獻(xiàn)[10]202和文獻(xiàn)[15]中的相似工程進(jìn)行參數(shù)取值，具體支護(hù)參數(shù)取值如表1所示。由于開挖前通過降水將水位降低至車站底板以下，導(dǎo)洞開挖處于無水作業(yè)狀況，因此不考慮地下水的影響。

圖1 數(shù)值模擬模型

表1 參數(shù)匯總表

1.3 模型驗(yàn)證

為便于分析，對上下兩層16個(gè)導(dǎo)洞進(jìn)行編號，并將不同開挖部分分為6個(gè)區(qū)，如圖2所示，沿橫通道中心線的上方地表處設(shè)置豎向位移監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)分布如圖3所示，在實(shí)際施工過程中對5號、8號、16號和20號監(jiān)測點(diǎn)處的沉降進(jìn)行了監(jiān)測，其余監(jiān)測點(diǎn)是為更好地分析沉降規(guī)律，而在數(shù)值模擬過程中新設(shè)的監(jiān)測點(diǎn)。

實(shí)際開挖方案為：首先完成上層橫通道開挖，然后同時(shí)開挖1號和4號導(dǎo)洞，完成15m后，同步開挖2 號、5號和8號小導(dǎo)洞，待其完成15m后，繼續(xù)開挖3號和6號小導(dǎo)洞，同樣是15m后，最后開挖7號小導(dǎo)洞，下層的開挖順序與上層相同，將該方案簡記為：①→③④→②→⑤⑥。

圖2 橫通道與小導(dǎo)洞分布及導(dǎo)洞編號

圖3 模型橫通道中心線處剖面圖及監(jiān)測點(diǎn)分布

通過對原施工方案進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得的5號、8號、16號和20號監(jiān)測點(diǎn)處沉降值與實(shí)際沉降值進(jìn)行對比，如表2所示。由于在數(shù)值模擬過程中對地層參數(shù)與支護(hù)進(jìn)行了簡化，模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果存在微小誤差，誤差均小于3%，故本次模擬可以很好的反映實(shí)際開挖對地表沉降的影響。

表2 監(jiān)測點(diǎn)實(shí)際沉降與模擬沉降對比表

1.4 導(dǎo)洞開挖方案

本文模擬了四種開挖方案，每種開挖方案可分為六個(gè)部分，分別為上層橫通道、下層橫通道、上層?xùn)|側(cè)導(dǎo)洞、上層西側(cè)導(dǎo)洞、下層?xùn)|側(cè)導(dǎo)洞和下層西側(cè)導(dǎo)洞，如圖2所示。上下層橫通道的開挖均會開挖至設(shè)計(jì)位置，然后自橫通道內(nèi)向兩側(cè)開挖小導(dǎo)洞。導(dǎo)洞開挖錯(cuò)距為15m，即導(dǎo)洞開挖至15m時(shí)，本導(dǎo)洞不停止開挖，同時(shí)開始開挖其他導(dǎo)洞，所有導(dǎo)洞均開挖30m后停止開挖。

1)模擬方案1：采用先上層后下層，同層的導(dǎo)洞雙向交錯(cuò)開挖的方案，該方案為實(shí)際開挖方案，具體開挖步驟如上節(jié)所述。

2)模擬方案2：先完成上層橫通道的開挖，緊接完成下橫通道的開挖，完成兩個(gè)橫通道開挖后，首先開挖東側(cè)的上下兩層小導(dǎo)洞，在該側(cè)采用“先開挖同側(cè)，上下交錯(cuò)開挖”的方案[8]。具體開挖方案為：6號和8號導(dǎo)洞首先開挖15m，再同時(shí)開挖13號和15號導(dǎo)洞，以開挖錯(cuò)距為15m，緊接依次開挖上層5號和7號導(dǎo)洞、下層14號和16號導(dǎo)洞、上層1號和3號導(dǎo)洞、下層10號和12號導(dǎo)洞、10號和12號導(dǎo)洞、上層2號和4號導(dǎo)洞和下層9號和11號導(dǎo)洞?？珊営洖椋孩佟凇邰荨堍蕖?/p>

3)模擬方案3：首先完成兩個(gè)橫通道的開挖，采用先東側(cè)上層導(dǎo)洞與西側(cè)下層導(dǎo)洞同時(shí)交錯(cuò)開挖，然后西側(cè)上層導(dǎo)洞與東側(cè)下層導(dǎo)洞交錯(cuò)開挖的方案。以錯(cuò)距為15m依次開挖順序?yàn)椋荷蠈?號和8號導(dǎo)洞、下層9號和11號導(dǎo)洞、上層5號和7號導(dǎo)洞、下層10號和12號導(dǎo)洞、上層1號和3號導(dǎo)洞、下層14號和16號導(dǎo)洞、上層2號和4號導(dǎo)洞和下層13號和15號導(dǎo)洞。簡記為：①→②→③⑥→④⑤。

4)模擬方案4：采用先下層后上層，同層導(dǎo)洞雙向交錯(cuò)開挖的方案，該方案僅將模擬方案1上下順序顛倒，同層導(dǎo)洞開挖順序與模擬方案1相同，簡記為：②→⑤⑥→①→③④。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 地表沉降分析

根據(jù)模擬結(jié)果，提取橫通道中心線處各監(jiān)測點(diǎn)的沉降值，繪制了四種方案的橫通道中心線橫截面上的地表沉降槽曲線，如圖4所示。

圖4 橫通道中心線沉降槽曲線

從圖4中發(fā)現(xiàn)，四種方案的沉降槽差別較小，其中方案四在橫通道始挖部分引起的沉降對比另外三種方案所引起的該部分沉降較小，數(shù)值模擬的最大地表沉降均發(fā)生在車站中心區(qū)域，故選取中心區(qū)域的部分監(jiān)測點(diǎn)(如圖3中監(jiān)測點(diǎn)紅色標(biāo)記處)所得的沉降值，利用軟件，按照Peck法[16]擬合數(shù)據(jù)，擬合公式為

(1)

式中：S為地表任意一點(diǎn)的沉降值；Smax為地表沉降最大值，位于沉降曲線的對稱中心線上；y為距車站中心線(車站中心線位置如圖3所示)的距離，自車站中心線向橫通道始挖處為負(fù)，反之為正；yc為從車站中心線到地表沉降值最大處的水平距離；i為從沉降曲線的對稱中心線到曲線反彎點(diǎn)的水平距離，簡記為反彎點(diǎn)距離。

通過擬合得到車站中心區(qū)域處的各方案橫通道中心線上的模擬地表沉降槽擬合曲線，如圖5所示。

(a)方案一 (b)方案二

(c)方案三 (d)方案四圖5 各方案沉降槽擬合曲線

根據(jù)擬合結(jié)果，不同開挖順序所引起的最大沉降值差別較小，是由于橫通道與小導(dǎo)洞的開挖對橫通道中心線處地表的重復(fù)多次擾動一致，因此引起的沉降值較接近。方案2即“先開挖東側(cè)導(dǎo)洞再開挖西側(cè)導(dǎo)洞”的方案所引起的反彎點(diǎn)距離最小，由于該方案先形成了一側(cè)的支護(hù)體系，該體系的形成增加了該側(cè)土體的穩(wěn)定性，減小了另外一側(cè)土體開挖時(shí)對土體的影響范圍。各方案的最大沉降位置位于橫軸的副半軸，該位置處于車站中心線偏向橫通道始挖處，這是由于橫通道的開挖而導(dǎo)致車站中心線偏向橫通道始挖處的土體受到更大擾動，如圖6所示為方案2東側(cè)導(dǎo)洞開挖完成后的沉降云圖，上層導(dǎo)洞上部土體淺藍(lán)色區(qū)域表示該處土體沉降較大，且該區(qū)域偏離車站中心區(qū)域向右，故車站中心線偏右側(cè)處地表沉降較大，由于土體的開挖，下部土體應(yīng)力卸載，導(dǎo)致隧道下部土體出現(xiàn)隆起，如圖中紅色和橘黃色區(qū)域，通過觀察還可發(fā)現(xiàn)車站中心線右側(cè)(即15號導(dǎo)洞下部)豎直方向的隆起更為明顯，產(chǎn)生的豎向位移通過襯砌結(jié)構(gòu)和上部的土體的傳遞，減小了該側(cè)地表的沉降。

2.2 不同開挖階段沉降比例分析

本文所選取的四種方案，每一種方案的施工均可分為上層橫通道開挖、下層橫通道開挖和導(dǎo)洞開挖，在yc=-2.3m處即第13號監(jiān)測點(diǎn)處，各方案施工中上述三部分的開挖所引起的地表沉降值及其占比如表2所示。

圖6 方案二東側(cè)導(dǎo)洞開挖完成后的沉降云圖

通過對表2的分析可知，小導(dǎo)洞的開挖所引起的地表沉降是引起地表沉降的主要因素，占總沉降約60%，橫通道的開挖引起的地表沉降約占40%，故實(shí)際工程中需在小導(dǎo)洞開挖過程中施加沉降控制措施；就橫通道的開挖，先開挖上層橫通道后開挖下層橫通道對比先開挖下橫通道后開挖上橫通道差別較大，方案1、方案2和方案3都是先開挖上橫通道，方案4先開挖下橫通道，通過對比四種方案地表沉降的占比發(fā)現(xiàn)，先開挖下橫通道使下橫通道引起地表沉降的占比較大，這是因?yàn)橄乳_挖上層橫通道，會在上部先形成支護(hù)結(jié)構(gòu)，再開挖下橫通道時(shí)上部土體相對穩(wěn)定，有利于降低沉降產(chǎn)生速率，使沉降產(chǎn)生的速度更平緩，故先開挖并支護(hù)上部土體有利于對地表沉降的控制。

表2 不同開挖部分所引起的地表沉降值及其占比

3 結(jié)論

(1)由于PBA工法橫通道及導(dǎo)洞的開挖對橫通道中心線處的多次重復(fù)擾動一致，導(dǎo)致不同的開挖順序?qū)ψ罱K的地表沉降的影響差別較小。PBA工法施工的車站，小導(dǎo)洞的開挖是引起地表沉降的主要因素，小導(dǎo)洞引起的地表沉降占地表總沉降的60%左右，橫通道開挖所引起的沉降占總沉降的40%左右，故需要在小導(dǎo)洞開挖過程中施以沉降控制措施。

(2)對于需要雙向開挖導(dǎo)洞，若先在一側(cè)形成完整的支護(hù)體系，在另外一側(cè)開挖前提高了土體的穩(wěn)定性，減小完成開挖后的反彎點(diǎn)距離，減小開挖對土體的擾動程度。先開挖下層橫通道會使開挖下層橫通道所引起的地表沉降占總沉降的比例較大，先開挖上層橫通道會先形成支護(hù)體系，增加了上部土體的穩(wěn)定性，有利于對地表沉降的控制。

(3)由于車站中心線兩側(cè)橫通道的開挖長度不同，以及開挖所產(chǎn)生的應(yīng)力卸載而產(chǎn)生的隆起不同，導(dǎo)致地表最大的沉降位置偏離車站中心點(diǎn)，偏向橫通道的始挖方向。