北京地鐵粉質(zhì)黏土地層新型PBA車站沉降規(guī)律研究

李永超, 畢殿雷

(1.北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司, 北京 100032; 2.北京城建軌道交通建設(shè)工程有限公司, 北京 101100)

PBA(Pile-Beam-Arch)車站因其結(jié)構(gòu)安全度高、對地面交通影響小等特點已經(jīng)成為北京市區(qū)地鐵車站施工的主流工法,相較于傳統(tǒng)雙層8導(dǎo)洞PBA工法與單層4導(dǎo)洞PBA工法,將首層中間兩導(dǎo)洞聯(lián)合起來,共用中隔壁,形成由CD(center diaphragm,中隔壁)法施工的大斷面,并取消第二層導(dǎo)洞的PBA工法應(yīng)用相對較少,傳統(tǒng)概念中斷面越大越不利于地表沉降控制,此時暗挖過程中地表沉降的控制就顯得尤為重要。

近年來,國內(nèi)外諸多學(xué)者已經(jīng)對PBA車站地表沉降規(guī)律進行了研究。王昊統(tǒng)等[1]對硬巖地區(qū)淺埋暗挖造成的地層沉降進行了研究,得到隧道正上方沉降變形最大,偏離隧道越遠受開挖擾動越小的結(jié)論;王霆等[2]通過對大量現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析,研究北京地區(qū)黏性土與砂性土互層的特定地層下淺埋暗挖法修建地鐵車站地表沉降規(guī)律,研究表明洞樁法造成的地層損失率范圍為0.39%～1.41%,中洞法為0.49%～1.03%;代維達[3]通過統(tǒng)計分析的方法對北京地鐵6號線淺埋暗挖地鐵車站地表沉降規(guī)律進行研究,結(jié)果表明車站埋深與地表沉降大小不成反比,地表沉降區(qū)間頻率曲線服從正態(tài)分布;羅富榮和汪玉華[4]對北京地鐵6號線一期及7號線PBA法暗挖車站的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,得出PBA法施工引起的地表沉降主要發(fā)生在導(dǎo)洞施工及扣拱施工階段、不同地層中PBA工法引起的沉降差異較大的結(jié)論;楊會軍和孔恒[5]研究了PBA車站的沉降規(guī)律,結(jié)果表明車站主體施工引起的地表沉降分布范圍為距車站中心兩側(cè)25～30 m,小導(dǎo)洞開挖過程造成的地表沉降占總沉降的一半。同時也有學(xué)者運用數(shù)值模擬軟件及各種分析方法對傳統(tǒng)PBA車站及淺埋暗挖施工過程進行數(shù)值與相應(yīng)地層沉降的理論研究,得到的結(jié)果與實際量測數(shù)據(jù)有較好的擬合性,表明數(shù)值研究在地層沉降規(guī)律方面可以為工程提供一定的事前參考[6-15]。

但以往針對PBA車站沉降規(guī)律的研究均以傳統(tǒng)PBA車站為背景,得出的結(jié)論大都是雙層或單層4導(dǎo)洞PBA工法施工過程地層沉降規(guī)律。這些結(jié)論是否適用于當(dāng)前新型PBA車站的建設(shè)有待考證。因此有必要對新型PBA車站施工引起的地層沉降規(guī)律進行相應(yīng)研究,分析總結(jié)新型PBA車站施工過程中的地層沉降規(guī)律,以供今后為類似的車站施工提供借鑒。

1 工程概況

1.1 車站基本情況

北京地鐵22號線(平谷線)工程甘露園站位于朝陽路與甘露園中街交叉口,沿朝陽路東西向敷設(shè)。車站主體為雙層三跨暗挖島式車站,車站主體結(jié)構(gòu)為雙柱三跨結(jié)構(gòu),采用新型PBA工法施工,共設(shè)3個施工導(dǎo)洞(2個邊導(dǎo)洞+1個中導(dǎo)洞,中導(dǎo)洞為CD法施工,先行洞室為C)。車站剖面圖如圖1所示。車站地表沉降監(jiān)測點布置剖面圖如圖2所示。

根據(jù)甘露園站地勘報告,車站小導(dǎo)洞拱頂主要位于黏質(zhì)粉土-砂質(zhì)粉土與粉質(zhì)黏土層,車站底板位于細砂-中砂土層,車站主體結(jié)構(gòu)主要位于粉質(zhì)黏土層,部分區(qū)域位于砂層。車站建設(shè)范圍地層示意圖如圖3所示。地層實際圖如圖4所示,中導(dǎo)洞形式如圖5所示。

圖2 甘露園站地表沉降監(jiān)測點布置剖面圖

圖3 甘露園站地層示意圖

圖4 甘露園站現(xiàn)場土質(zhì)

圖5 甘露園站中導(dǎo)洞形式

1.2 地層沉降槽分析

地層沉降與施工周期密切相關(guān),開挖支護時間越長,地層應(yīng)力釋放越充分,導(dǎo)致地層變形也越大,尤其是導(dǎo)洞及扣拱施作階段,對拱頂土體的卸荷可能對土體造成相對較大的擾動。對北京地鐵22號線甘露園站監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進行分析,由于地層土體的不均勻性以及地下管線及周邊建構(gòu)筑物的影響,導(dǎo)致同一軸線不同斷面沉降的不同一性,離散型較大。為了減少擬合結(jié)果的誤差,共選取6個斷面13條軸線,使用Peck公式進行擬合,如式(1)所示,斷面分布如圖6所示。得到北京地鐵22號線甘露園站粉質(zhì)黏土層新型PBA車站導(dǎo)洞開挖期間地層沉降值范圍為-72～-12 mm。

(1)

式中:S為距離車站中線某處的沉降值,mm;Smax為車站中線處的最大沉降值,mm;y為測點與車站中線的水平距離,mm;i為沉降槽反彎點距車站中線水平距離,mm。

圖6 車站測點分布斷面圖

采用Peck公式擬合的沉降槽曲線反彎點代表了導(dǎo)洞施工階段對地層沉降的影響范圍。由圖7可知,粉質(zhì)黏土層新型PBA車站導(dǎo)洞施工階段對地層沉降的影響范圍為中導(dǎo)洞拱頂上方30 m左右。

圖7 甘露園站導(dǎo)洞施工階段沉降槽擬合曲線

1.3 地層沉降統(tǒng)計分析

圖7顯示,地表沉降的最大值主要分布在中導(dǎo)洞拱頂上方,沉降值與測點位置關(guān)系符合正態(tài)分布,統(tǒng)計各斷面的沉降值,進而分析地表沉降的規(guī)律。導(dǎo)洞開挖階段累計沉降曲線如圖8所示。斷面5沉降規(guī)律未遵循正態(tài)分布,主要原因是受車站3號橫通道施工影響,距車站中心較遠處測點所測沉降值實際上是施工3號橫通道時造成的地層沉降,且邊導(dǎo)洞與3號橫通道中間地層會受到導(dǎo)洞施工與橫通道施工的共同影響,因此該處量測的沉降值實際上是3號橫通道施工與車站導(dǎo)洞施工的疊加,故該斷面的沉降值與測點位置未遵循正態(tài)分布。

為了盡可能排除可能的影響因素(馬頭門破除、施工橫通道等),以斷面2測點數(shù)據(jù)為例,邊導(dǎo)洞沉降值取兩側(cè)導(dǎo)洞沉降平均值。由圖9可知,各導(dǎo)洞在施工過程中的最大沉降速率也即最大沉降比發(fā)生在掌子面開挖處前后5～10榀(一個鋼格柵拱架稱1榀)位置,導(dǎo)洞D地層沉降速率及沉降占比均小于其他導(dǎo)洞,主要原因是受先行導(dǎo)洞C影響。導(dǎo)洞C在開挖至該位置時深孔注漿及背后回填注漿范圍已經(jīng)包含部分導(dǎo)洞D區(qū)域,因此導(dǎo)洞D開挖時除自身的深孔注漿加固地層措施外,還受到導(dǎo)洞C背后回填注漿加固措施的保護,且導(dǎo)洞D開挖時中隔壁一側(cè)土體已完成開挖,后期混凝土噴射不密實導(dǎo)致的土體滑落要比其他導(dǎo)洞少。但沉降曲線仍有繼續(xù)下降趨勢,說明開挖過程造成的地層沉降并不是快速完成并趨于穩(wěn)定,而是有一定的滯后性,隨著開挖掌子面繼續(xù)遠離測點,同時跟進背后回填注漿,地層沉降逐步趨于穩(wěn)定。

導(dǎo)洞施工對地層沉降有一定的影響范圍,對各導(dǎo)洞施工時其余導(dǎo)洞的拱頂沉降值進行研究,各導(dǎo)洞施工階段的地層沉降曲線如圖10所示。由圖10可知:①邊導(dǎo)洞施工過程互相幾乎無影響;②中導(dǎo)洞各洞室施工過程對較近側(cè)邊導(dǎo)洞影響較大,對較遠側(cè)邊導(dǎo)洞影響較小;③導(dǎo)洞D施工過程對導(dǎo)洞C影響較大,對較近側(cè)邊導(dǎo)洞影響較大,對較遠側(cè)邊導(dǎo)洞幾乎無影響影。

圖8 甘露園站導(dǎo)洞施工階段地層累計沉降曲線

圖9 甘露園站導(dǎo)洞施工階段沉降曲線

圖10 甘露園站各導(dǎo)洞施工階段累計沉降曲線

2 數(shù)值模擬

考慮到現(xiàn)場試驗段及過程量測的局限性與事后性,無法滿足車站建設(shè)的整體性影響分析。利用工程類有限元數(shù)值模擬軟件,不僅可以解決從簡單的線性靜力學(xué)問題到復(fù)雜的非線性耦合問題,還能分析瞬時動力學(xué)問題與涉及接觸條件的高度非線性問題,廣泛應(yīng)用于各種工程模擬,若參數(shù)選擇合理,可以滿足一般的數(shù)值計算要求及結(jié)果預(yù)測。

2.1 模擬方案

新型PBA工法工序轉(zhuǎn)換頻繁,為更好地分析施工過程中各階段地層變化情況,將車站整個施工過程分成6個階段,數(shù)值計算過程為:①地應(yīng)力平衡;②邊導(dǎo)洞開挖施做初期支護;③中導(dǎo)洞開挖施做初期支護;④梁柱體系、頂縱梁及邊扣拱施工;⑤中間扣拱開挖施做初期支護;⑥邊拱二襯施工;⑦站臺、站廳層開挖施作車站主體結(jié)構(gòu)。

2.2 模型介紹

根據(jù)地勘鉆探成果,車站結(jié)構(gòu)拱頂主要位于粉質(zhì)黏土層,拱底位于細砂-中砂層?？紤]到現(xiàn)場不同土層土質(zhì)較為均勻,數(shù)值模擬中土體參數(shù)將參考實際進行設(shè)定。假定不同深度下采用不同的土體參數(shù),各深度下土體是各向同性且均勻的,為保證計算精度,綜合考慮隧道開挖可能的影響范圍,最終設(shè)定土體模型尺寸為60 m×40 m×24 m,并將車站開挖周邊土體細化,土體模型左右及前后施加法向約束,底部施加法向及切向約束。土體采取摩爾-庫侖準(zhǔn)則構(gòu)建,并根據(jù)地勘報告賦予土體各深度不同的物理參數(shù),模型整體施加9.8 m/s2的豎向重力加速度,開挖完成后,被開挖土體將完全被剝落不再與地層產(chǎn)生作用。為了較好地模擬開挖過程,使用生死單元法通過設(shè)定不同的分析步來體現(xiàn)PBA工法的施工過程。主要涉及的土體模型具體參數(shù)見表1,車站結(jié)構(gòu)模型如圖11所示,施工步序如圖12所示,車站各結(jié)構(gòu)物理參數(shù)見表2。

圖11 車站結(jié)構(gòu)模型

圖12 施工步序

表1 土體模型物理參數(shù)

表2 車站結(jié)構(gòu)物理參數(shù)

3 模擬結(jié)果與分析

基于前述的施工順序,利用Abaqus研究各階段的最大沉降值,并與實測數(shù)據(jù)進行對比分析。各施工階段地層沉降模擬值見表3。

表3 各施工階段地層沉降模擬值

從模擬結(jié)果可知,導(dǎo)洞開挖施作初期支護的沉降模擬值小于實測值,以各斷面實測沉降最大值的平均值為真值,對比數(shù)值模擬的結(jié)果,導(dǎo)洞開挖施作初期支護的誤差為6.23 mm,原因主要為現(xiàn)場輔助施工方法為降水施工,開始降水時間為開挖前的15 d,降水未完全完成,導(dǎo)致開挖期間地層孔隙水壓力逐步消散,有效應(yīng)力逐步增加,造成地層本身的固結(jié)沉降。實測數(shù)據(jù)包含了降水導(dǎo)致的地層沉降,數(shù)值模擬的結(jié)果符合實際情況。

根據(jù)吳精義等[6]的研究結(jié)果,有效降水后的傳統(tǒng)PBA法施工地鐵車站在導(dǎo)洞施工階段的最大沉降值分布區(qū)間為-33.59～-44.55 mm,新型PBA工法與傳統(tǒng)8導(dǎo)洞PBA工法導(dǎo)洞施工期間導(dǎo)致的地層沉降值差異較大,主要原因為新型PBA工法聯(lián)合中間導(dǎo)洞,使得中間導(dǎo)洞分步開挖時拱部形成的自然拱無法與導(dǎo)洞形狀更好地貼合,間接導(dǎo)致中間導(dǎo)洞初支結(jié)構(gòu)與地層之間的空隙增大,且各導(dǎo)洞仍處相鄰導(dǎo)洞施工的影響范圍內(nèi),群洞影響效應(yīng)較為明顯,結(jié)合背后回填注漿的相對滯后性以及開挖過程對地層造成的相應(yīng)擾動,導(dǎo)致了導(dǎo)洞開挖期間地層沉降較大。

由上述研究可知:①新型PBA車站施工期間的最大沉降發(fā)生在導(dǎo)洞施工與中間扣拱施工期間,占比達到89.5%,與羅富榮和汪玉華[4]的研究結(jié)論一致;②各工序施工導(dǎo)致地層應(yīng)力的重分布,使得地層產(chǎn)生了位移變形,因?qū)Ф磁c扣拱開挖階段是對四周土體尤其是拱頂土體的卸荷,造成的擾動較大,在應(yīng)力重分布時造成的地層變形較大;③導(dǎo)洞開挖期間群洞效應(yīng)明顯,中間導(dǎo)洞分步開挖時由于導(dǎo)洞拱部形態(tài)與該地層中自然拱形式不同,造成的沉降比傳統(tǒng)PBA車站要大。

4 結(jié)論與建議

通過對新型PBA車站導(dǎo)洞施工階段實測數(shù)據(jù)的總結(jié)歸納,利用有限元分析的方法對車站施工過程進行數(shù)值研究,驗證了數(shù)值研究導(dǎo)洞施工階段沉降規(guī)律的正確性,并對后期施工階段的沉降值進行了預(yù)測。北京地區(qū)粉質(zhì)黏土地層覆土厚度小于車站整體高度的新型PBA車站施工引起的地層沉降規(guī)律如下。

(1)粉質(zhì)黏土地層新型PBA車站施工過程沉降最大發(fā)生在開挖面拱頂上方,總體最大沉降分布在中導(dǎo)洞拱頂上方;沉降值與測點位置的關(guān)系符合正態(tài)分布,導(dǎo)洞施工過程最大沉降速率及占比發(fā)生在掌子面處前后5～10榀位置。

(2)粉質(zhì)黏土層中新型PBA車站施工影響的范圍大約為車站中軸線左右各30 m左右。

(3)中導(dǎo)洞施工時地層沉降速率及占比均大于邊導(dǎo)洞,且先行洞室造成的地層擾動要大于后行洞室,受中導(dǎo)洞形式影響,導(dǎo)洞施工階段造成的地層沉降比傳統(tǒng)PBA車站要大。

(4)根據(jù)數(shù)值研究結(jié)果,粉質(zhì)黏土層新型PBA車站施工地層沉降主要發(fā)生在導(dǎo)洞開挖與扣拱階段,占整體總沉降的89.5%,車站整體施工過程發(fā)生沉降較大的工序為中導(dǎo)洞施工,站臺與站廳層施工階段未發(fā)生明顯沉降。

(5)導(dǎo)洞施工期間的數(shù)值研究結(jié)果與實際值誤差為6.23 mm,數(shù)值模擬的結(jié)果符合實際情況,參數(shù)選擇合理,后續(xù)工序的數(shù)值研究結(jié)果可為今后工程提供借鑒。

目前新型PBA車站的應(yīng)用較少,對其沉降規(guī)律的研究相應(yīng)不夠系統(tǒng),可供參考的實際數(shù)據(jù)較為欠缺?；诮y(tǒng)計分析以及數(shù)值研究的方法,僅對甘露園站導(dǎo)洞施工階段的沉降規(guī)律利用理論與實際相結(jié)合方式進行研究,因受限于數(shù)據(jù)的有限性以及數(shù)值分析的精確程度,加之現(xiàn)場施工水平因素未能完全顧忌,故研究結(jié)果僅可作為參考,隨著后期越來越多新型PBA車站的建設(shè),其研究結(jié)論會更加精確。