地鐵車站PBA工法邊樁樁端變形規(guī)律研究

張嘉樹 王海濤 張志偉 尤強

1.大連交通大學土木工程學院，遼寧 大連 116028；2.中鐵十四局集團隧道工程有限公司，濟南 250002

PBA 工法是一種修建地下車站的方法，其將淺埋暗挖法和蓋挖法有機結(jié)合起來，用于大跨度、大斷面的地下工程時地面沉降小，結(jié)構(gòu)整體性強，廣泛應用于北京、沈陽等地的地鐵車站修建［1-3］。在PBA 工法中，邊樁、中柱作為車站開挖過程中的支撐結(jié)構(gòu)，受力情況較復雜。李棟［4］針對洞樁機械成樁進尺緩慢、卡鉆、堵管的問題，提出了采用新型復合鉆頭。韓健勇等［5］針對洞樁法施工過程中的邊樁位移進行研究，發(fā)現(xiàn)邊樁水平位移在中板完成前顯著增長，扣拱階段是控制邊樁水平位移的關鍵階段。嚴卓輝等［6］通過建立洞樁法施工的三維數(shù)值模型，發(fā)現(xiàn)樁的入土深度大于7 m 后，樁體的最大水平位移沒有顯著差別。何宏偉等［7］采用數(shù)值模擬的方法研究了不同嵌入深度和邊樁直徑條件下邊樁水平位移的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)所用邊樁、中柱的直徑越小間距越大工程成本越低，施工工期越短，單位樁柱承受的荷載越大，變形越大，風險越大。

關于PBA 工法施工引起的邊樁變形規(guī)律研究較充分，但對于臨近既有結(jié)構(gòu)條件下PBA 工法修建車站的邊樁變形規(guī)律研究較少。本文基于密貼下穿既有車站的北京地鐵6 號線施工，通過數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測，對地鐵車站PBA 工法施工的邊樁變形規(guī)律進行分析。

1 工程概況

北京地鐵6 號線蘋果園站位于蘋果園南路，平面位置如圖1所示，橫斷面和地質(zhì)剖面如圖2所示。

圖1 新建車站平面位置示意

圖2 車站橫斷面及地質(zhì)剖面（單位：m）

車站沿東西向布置，下穿段為雙層三跨箱形框架結(jié)構(gòu)，PBA工法逆作施工，車站有效站臺中心里程XK2+130.114。車站主體長52.4 m，寬23.5 m，覆土厚約12.50 m，結(jié)構(gòu)高14.92 m，覆跨比為0.23。上層采用矩形導洞，尺寸為3.70 m×4.32 m，密貼既有線結(jié)構(gòu)。下層采用直墻拱形導洞，邊導洞尺寸為3.6 m×4.1 m，中導洞尺寸為4.1 m × 4.8 m。車站的邊樁結(jié)構(gòu)采用φ1 000@1 600 的鉆孔灌注樁結(jié)構(gòu)，樁長11.67 m；鋼管柱φ1 000@6 200，凈高10.05 m。

1.1 地質(zhì)水文情況

車站結(jié)構(gòu)覆土以粉土層、雜填土層、卵石②層、卵石⑤層為主，車站穿越開挖的主要地層為卵石⑤層、卵石⑦層和卵石⑨層。車站底板埋深27 m，位于卵石⑨層。地下水為潛水，位于底板下10.25 m，地質(zhì)情況見表1。

表1 地質(zhì)情況

1.2 車站施工步序

施工步序大致可分為六個階段，如圖3所示。

圖3 地鐵車站PBA工法施工步序

第一步：采用深孔注漿超前加固導洞，按照“先上后下，先外后內(nèi)”的順序?qū)?個小導洞進行錯距開挖。

第二步：在下層邊導洞內(nèi)澆筑圍護邊樁下條形基礎，在下層中導洞內(nèi)鋪設底縱梁下防水板并澆筑結(jié)構(gòu)底縱梁。然后采用人工挖孔開挖邊樁和鋼管柱，施作邊樁及中間鋼管柱。澆筑邊導洞樁頂冠梁，施作中間導洞頂縱梁（通過預埋注漿管對后期頂縱梁、頂冠梁混凝土的收縮變形進行高壓補漿）。

第三步：先采用中隔壁法錯距開挖兩邊跨導洞間土體并施作中隔壁，待邊跨開挖20 m 后采用臺階法開挖中間兩導洞間土體。

第四步：自下穿段中間向兩端分段拆除頂板范圍內(nèi)施工導洞側(cè)墻初期支護及中隔壁，然后鋪設頂板上部及側(cè)墻外側(cè)防水層，澆筑二次襯砌主體結(jié)構(gòu)頂板及部分側(cè)墻。

第五步：分層開挖土體至中樓板下0.2 m 處，分段施工中樓板梁及中樓板，并施作側(cè)墻防水層、保護層及側(cè)墻。

第六步：繼續(xù)向下開挖土體至基底，分段破除車站范圍內(nèi)的底導洞初期支護，施工底板防水層及底板，然后施工側(cè)墻防水層及側(cè)墻。施工車站結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)件，完成車站結(jié)構(gòu)施工。

2 數(shù)值模擬

采用MADIS GTS NX 軟件建立車站模型，上表面取至地表，下表面至底板結(jié)構(gòu)高程約為1.5 倍的下穿車站高度，總寬度約為4.5倍的車站寬度，縱向長度取60 m。上表面無約束但施加了20 kPa 的均布荷載，下表面完全約束，四周限制各邊界的水平位移。

土體按照實體單元進行模擬，采用摩爾-庫倫屈服準則。既有車站采用板單元與梁單元模擬，板單元模擬既有車站的二次襯砌結(jié)構(gòu)，梁單元模擬既有車站中的承力樁；新建地鐵車站的初期支護與樓板采用板單元模擬，邊樁和中柱通過剛度等效簡化為梁單元進行模擬，注漿區(qū)域、冠梁、頂?shù)卓v梁、二次襯砌等采用實體單元通過改變屬性進行模擬。模型參數(shù)見表2。

表2 模型參數(shù)

為了更好地模擬新建地鐵車站的開挖步序，探究邊樁、中柱施工完成后的變形規(guī)律，將新建地鐵施工分為多個階段。第一階段，改變注漿區(qū)土體屬性，鈍化小導洞，激活導洞初期支護。第二階段，激活底縱梁、基底條形基礎、邊樁及鋼管柱，改變底縱梁、基底條形基礎的屬性。第三階段，激活頂縱梁、冠梁條形基礎，改變頂縱梁、冠梁條形基礎的屬性。第四階段，鈍化上層導洞間的土體，激活中隔壁等初期支護。第五階段，激活扣拱冠梁，改變其屬性，鈍化部分初期支護。第六階段，鈍化車站上層土體，改變車站二次襯砌結(jié)構(gòu)屬性，激活樓板，并鈍化部分初期支護。第七階段，鈍化車站下層土體，改變車站二次襯砌結(jié)構(gòu)的屬性并鈍化部分初期支護。

3 計算結(jié)果與分析

考慮到新建車站位置的特殊性，將重疊區(qū)（既有線底板以下部位，其上部存在既有車站結(jié)構(gòu)）與非重疊區(qū)（上部不存在既有車站結(jié)構(gòu)）的樁端位移同時進行分析。下穿段樁頂位移監(jiān)測點埋設于邊樁柱頂端，全站設4 個主測斷面，其樁端位移監(jiān)測點分布如圖4所示。其中測點1、4、5、8 為非重疊區(qū)樁端測點，測點2、3、6、7為重疊區(qū)樁端測點。

圖4 下穿段樁端位移監(jiān)測點布置

參考工程樁端位移監(jiān)測點和下穿既有線的情況，選取模型對應位置進行觀測。

3.1 軸力分析

將上述測點分為兩部分對其各階段的最大軸力進行分析。考慮到樁身受向下的壓力，模型計算結(jié)果為負，令樁端受壓為正，受拉為負。測點各階段軸力變化情況見圖5。

圖5 各測點軸力變化曲線

由圖5可知：

1）隨著施工的進行，圍護樁樁端軸力保持增長的趨勢。第二階段所澆筑邊樁樁底由條形基礎支撐，樁頂不存在填充物，在周圍土壓力的作用下樁頂受到向上的軸力。第三階段，頂部縱梁與冠梁條形基礎施工完成，邊樁頂部受到條形基礎壓力以及條形基礎傳遞的部分上層圍巖土壓力，樁端軸力方向發(fā)生改變。第四階段進行邊跨及中跨開挖，致使上部圍巖壓力重分布，在邊跨開挖時采用了中隔壁法進行施工，中隔壁分擔了部分壓力，因此邊樁樁端應力變化不大。第五階段，破除了部分初期支護，進行扣拱施工，完整的樁-柱-梁支護結(jié)構(gòu)形成，邊樁作為圍護結(jié)構(gòu)所受壓力顯著增大。第六階段進行了車站上層土體開挖，邊樁由于內(nèi)側(cè)土體側(cè)向壓力提供的摩擦力被移除，各測點的軸力變化明顯。第七階段在中板施作完成后進行了下層土體開挖，由于中板以及位于樁底的注漿回填區(qū)域存在，保證了開挖過程中樁體的內(nèi)外土壓力基本平衡，所以樁端軸力變化趨于平緩穩(wěn)定。

2）隨著施工的進行，重疊區(qū)圍護樁樁端軸力與非重疊區(qū)圍護樁樁端軸力基本保持增長趨勢，但位于非重疊區(qū)的邊樁樁端軸力變化更大，在車站施工完成后非重疊區(qū)邊樁樁端軸力的最大值可達到重疊區(qū)邊樁軸力的1.5~2.0倍。圍護樁在扣拱施工前樁端軸力較小，約為其最大承載力的1∕7~1∕6。由于采用了中隔壁開挖較長邊跨等措施，圍巖壓力重分布，邊樁樁端軸力未發(fā)生較大變化。當初期支護被破除扣拱施工完成后，邊樁樁端作為車站的主要承力結(jié)構(gòu)樁內(nèi)軸力大幅增加，約占邊樁所受最大軸力的63.4%，其中重疊區(qū)與非重疊區(qū)邊樁由于扣拱開挖引起的軸力變化分別為47.0%、55.3%。施工至上層土體開挖階段，由于位于邊樁內(nèi)側(cè)土體的大規(guī)模開挖，樁側(cè)損失大量摩擦力，該階段軸力增量約為最大軸力的26.8%；開挖下層土體結(jié)構(gòu)時，由于邊樁下側(cè)位于下層邊導洞注漿回填土內(nèi)，其等效于大直徑邊樁，軸力變化較為緩和。

3.2 樁端位移分析

為探究重疊區(qū)與非重疊區(qū)邊樁在車站施工中樁端位移的規(guī)律，對8 個測點的數(shù)據(jù)進行分析。因所取測點位于車站兩側(cè)，為使樁端位移共方向，對數(shù)值模擬結(jié)果進行符號歸一化，向車站內(nèi)側(cè)偏移為正，反之為負。邊樁樁端各測點橫向位移變化曲線見圖6。

圖6 各測點橫向位移變化曲線

由圖6可知：

1）在樁結(jié)構(gòu)施工完成后，隨著施工進行，邊樁向車站中心線方向以先加快后減緩的趨勢發(fā)生偏移。圍護樁與鋼管柱施工完成后，由于樁體為人工挖孔后自下而上灌注水泥漿而成，在樁體成型過程中受外側(cè)不均衡土壓力作用發(fā)生偏向車站中心線方向的橫向位移。施工至第三階段頂部冠梁成型，在其傳遞的部分圍巖壓力作用下，偏移加劇。施工至第四階段邊跨和中跨開挖時，由于結(jié)構(gòu)內(nèi)土體的開挖使原有的初期支護結(jié)構(gòu)內(nèi)部約束減少，邊樁樁端繼續(xù)向車站中心線方向偏移。第五階段進行了扣拱施工，扣拱完成后，PBA 工法閉合支撐體系至此完成，車站上部圍巖壓力重分布，邊樁上的頂冠梁受到扣拱二次襯砌傳遞的偏向車站外側(cè)的壓力，致使邊樁樁頂發(fā)生偏離地鐵車站中心線的橫向位移。在第六階段上層土體開挖并施作車站結(jié)構(gòu)的過程中，邊樁樁端軸力大幅增加，邊樁在內(nèi)外不相等的土壓力作用下發(fā)生偏向車站中心側(cè)的偏移。第六階段邊樁下側(cè)位于先期注漿回填土中，下層土體開挖對邊樁變形的影響較小。

2）隨著施工的進行，重疊區(qū)圍護樁樁端位移與非重疊區(qū)圍護樁樁端位移基本保持增長趨勢，但位于非重疊區(qū)的邊樁樁端位移變化更大，在車站施工完成后非重疊區(qū)邊樁樁端位移的最大值可達到重疊區(qū)邊樁樁端位移的1.3倍。施工完成后圍護樁即在外側(cè)土壓力作用下發(fā)生向內(nèi)偏移，其中位于非重疊區(qū)的邊樁樁端向車站內(nèi)側(cè)平均偏移0.55 mm，位于重疊區(qū)的邊樁樁端車站內(nèi)側(cè)平均偏移0.42 mm。邊樁施工完成后到扣拱完成期間，不同區(qū)段邊樁都向車站中心線方向發(fā)生偏移，非重疊段與重疊段邊樁樁端偏移量差距不大，約為1.36 mm?？酃捌陂g，邊樁樁端發(fā)生背離車站中心線的偏移，且非重疊段邊樁樁端變形略大于重疊段邊樁。至此車站支撐框架體系基本完成，后續(xù)的車站開挖各階段都會使邊樁頂端向內(nèi)側(cè)發(fā)生偏移，且影響最大階段為上層車站結(jié)構(gòu)開挖的施工階段，重疊區(qū)邊樁樁端變形0.46 mm，約占樁端最大位移的25.4%；非重疊區(qū)邊樁樁端變形0.93 mm，約占最大位移的33.3%。下層土體開挖階段對樁端位移影響較小，曲線趨于平緩。重疊區(qū)測點位移較非重疊區(qū)位移略小，位于上部既有車站結(jié)構(gòu)對邊樁樁端位移基本沒有影響。

4 工程實測

由于新建地鐵車站位于地鐵1 號線的正下方，考慮到新建車站的特殊性，按設計和施工要求對邊樁的樁端軸力與樁端位移進行施工監(jiān)測，通過掌握支護樁的動態(tài)變化，采取相應的控制措施，確保密貼線路的正常運營以及下部車站的暗挖施工。

下穿段邊樁軸力的實測值與模擬平均值對比見圖7?？芍?，伴隨著施工進度，在扣拱階段及上層土體開挖過程中，邊樁軸力大幅增加，在此階段應適當增加監(jiān)測頻率。在實際工程中采用了跳倉法開挖邊跨與施工扣拱，與數(shù)值模擬將開挖邊跨與扣拱完全分為兩個階段不同，故而出現(xiàn)2017?05?27 到2017?09?09 階段內(nèi)數(shù)值模擬曲線的反常凸起。

圖7 邊樁軸力變化曲線

下穿段邊樁樁端橫向位移實測與模擬平均值對比見圖8。可知，隨著施工進行，邊樁樁端橫向位移逐漸增加；模擬數(shù)據(jù)略小于實測數(shù)據(jù)，位移曲線較吻合，扣拱施工階段邊樁樁端未發(fā)生明顯橫向位移。

圖8 樁端橫向位移變化曲線

5 結(jié)論

1）邊樁施工完成后在上側(cè)冠梁及外側(cè)土壓力的復雜荷載作用下向車站內(nèi)側(cè)偏移，其偏移速率變化過程是緩—快—緩。

2）邊樁施工完成后，其軸力在扣拱開挖階段增大較顯著，此階段開挖了邊跨土體破除了部分初期支護，上部存在既有車站結(jié)構(gòu)與上部不存在既有車站結(jié)構(gòu)邊樁軸力變化分別約為最終軸力的47.0%、53.3%。

3）邊樁施工完成后，其橫向位移在上層土體開挖階段增長較顯著，此階段上部存在既有車站結(jié)構(gòu)與上部不存在既有車站結(jié)構(gòu)邊樁橫向位移分別約為樁端最大位移的25.4%、33.3%。

4）上部既有車站對邊樁受力變形起一定的保護作用。上部不存在既有車站結(jié)構(gòu)的邊樁最大軸力約為上部存在既有車站邊樁的最大軸力的1.5~2.0倍，樁端位移約為1.3倍。