陳　達(dá),秦輝輝,趙　京

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京　100055；2.中交路橋技術(shù)有限公司,北京　100011)

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地面施工荷載對(duì)地鐵暗挖車站影響分析

陳達(dá)1,秦輝輝2,趙京1

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京100055；2.中交路橋技術(shù)有限公司,北京100011)

摘要：針對(duì)北京地鐵7號(hào)線廣渠門內(nèi)站施工場(chǎng)地限制,施工中車站上方安置施工機(jī)械及堆載土體,造成較大的地面附加施工荷載的情況,建立地面施工荷載對(duì)地鐵車站的影響分析計(jì)算模型,并采用有限元法進(jìn)行求解分析。研究不同地面施工荷載下地鐵車站施工引起地層變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況,并對(duì)地基承載力進(jìn)行驗(yàn)算。針對(duì)地面施工荷載導(dǎo)致車站地基承載力不足情況,提出采用注漿方案加固地基。

關(guān)鍵詞：地鐵車站；地面施工荷載；地基承載力；注漿加固

1工程概況

1.1　車站概況

北京地鐵7號(hào)線廣渠門內(nèi)站呈東西走向，為一般車站(非換乘站)。該車站雙層三跨三連拱全暗挖島式車站，設(shè)2條風(fēng)道，均為雙層單跨暗挖結(jié)構(gòu)；除風(fēng)道外，車站設(shè)3個(gè)出入口1個(gè)疏散通道、2部地面垂直電梯。附屬結(jié)構(gòu)跨路部分全部采用暗挖施工。

該地鐵車站計(jì)算有效站臺(tái)中心里程為右K10+467.000，車站右線起點(diǎn)處二襯外皮里程為右K10+382.300，右線終點(diǎn)處二襯外皮里程為右K10+617.700，總長(zhǎng)235.4 m，站臺(tái)寬12 m，車站采用PBA法施做，共分8個(gè)小導(dǎo)洞開(kāi)挖，車站開(kāi)挖總寬度23.3 m，總高度15.65 m，主體隧道拱頂覆土厚度6.1～7.5 m，為粉質(zhì)黏土層，拱頂圍巖Ⅵ級(jí)。

車站基底地層為粉質(zhì)黏土層，厚度6 m，粉質(zhì)黏土層修正前承載力特征值為220 kPa。由于場(chǎng)地限制，該站采用在車站頂梁處設(shè)臨時(shí)豎井方法，圖1為車站1號(hào)豎井?dāng)嗝妗?/p>

圖1　車站1號(hào)豎井?dāng)嗝?單位：mm)

1.2　地面施工荷載介紹

由于周邊建筑物限制，施工場(chǎng)地需設(shè)置在車站上方，并安置施工機(jī)械及存放開(kāi)挖土體等，堆土倉(cāng)及存料倉(cāng)等造成較大的地面附加施工荷載，需要考慮其對(duì)施工的影響。

圖2為地面施工場(chǎng)地布置示意。

圖2　1號(hào)豎井周邊場(chǎng)地平面(單位：m)

2數(shù)值模型

2.1　計(jì)算說(shuō)明

計(jì)算對(duì)比地面場(chǎng)地附加荷載，1號(hào)豎井左側(cè)土堆所在地面附加荷載最大，堆土場(chǎng)均布?jí)毫?/p>

堆土場(chǎng)斯太爾重車重450 kN，軸距取3.5 m，輪距1.83 m，按照45°向下傳遞，相當(dāng)于作用均布?jí)毫?/p>

p2=2.1kN/m2

提升架總重350kN，抓斗及土重取100kN，共8個(gè)支座，相當(dāng)于支座作用均布?jí)毫?/p>

p3=0.23 kN/m2

則相當(dāng)于地面均布?jí)毫χ担?/p>

p=45+2.1+0.23=47.33kN/m2

考慮到其他可能的荷載作用，計(jì)算中分別考慮地面附加荷載40，60kN/m2[1-4]。

2.2　計(jì)算工況

為分析地面施工荷載對(duì)PBA車站施工結(jié)構(gòu)受力及變形影響，共計(jì)算以下工況。

工況1：車站上方地面不施加荷載。

工況2：車站上方施加均布荷載20kN/m2。

工況3：在小導(dǎo)洞開(kāi)挖前車站上方地面中間部分施加40kN/m2兩側(cè)施加20kN/m2均布?jí)毫奢d(圖3)。

圖3　荷載施加示意

工況4：在小導(dǎo)洞開(kāi)挖前車站上方地面中間部分施加60 kN/m2兩側(cè)施加20 kN/m2均布?jí)毫奢d。

工況5：在小導(dǎo)洞開(kāi)挖前車站上方施加均布荷載20 kN/m2，開(kāi)挖完成后車站上方地面中間部分變?yōu)?0 kN/m2，兩側(cè)保持20 kN/m2均布?jí)毫奢d。

工況6：在小導(dǎo)洞開(kāi)挖前車站上方施加均布荷載20 kN/m2，開(kāi)挖完成后車站上方地面中間部分變?yōu)?0 kN/m2，兩側(cè)保持20 kN/m2均布?jí)毫奢d。

2.3　計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

計(jì)算采用車站設(shè)計(jì)斷面及地層參數(shù)，根據(jù)圣維南原理和實(shí)際需要，采用二維計(jì)算模擬，取計(jì)算模型寬160 m，高80 m，整個(gè)模型共劃4 098個(gè)單元和3 511個(gè)節(jié)點(diǎn)。采用位移邊界作為邊界條件，除上表面外其余各外表面均約束法線方向的位移，通過(guò)釋放率模擬支護(hù)時(shí)機(jī)，本次模擬取釋放率0.25，即施加支護(hù)時(shí)地應(yīng)力釋放了25%，圖4為計(jì)算模型網(wǎng)格。

車站PBA工法開(kāi)挖簡(jiǎn)化模擬，分以下9步，小導(dǎo)洞編號(hào)見(jiàn)圖5。

①施工(5)、(7)導(dǎo)洞；地應(yīng)力釋放25%后施加支護(hù)。

②施工(6)、(8)導(dǎo)洞；地應(yīng)力釋放25%后施加支護(hù)。

③施工(2)、(4)導(dǎo)洞；地應(yīng)力釋放25%后施加支護(hù)。

④施工(1)、(3)導(dǎo)洞；地應(yīng)力釋放25%后施加支護(hù)。

⑤施作條基，邊樁，中柱；

⑥扣拱；

⑦拆除臨時(shí)支撐；

⑧開(kāi)挖站廳層并施作二襯；

⑨開(kāi)挖站臺(tái)層并施作二襯。

圖4　模型網(wǎng)格劃分

圖5　小導(dǎo)洞編號(hào)示意

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，采用計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1　地層物理力學(xué)參數(shù)

3計(jì)算結(jié)果

3.1　地表沉降分析

圖6～圖12為不同工況下地表沉降槽曲線，從圖中可以看出：伴隨著施工過(guò)程進(jìn)行，地表相應(yīng)產(chǎn)生一定變形。

圖6　下導(dǎo)洞開(kāi)挖完成后地表沉降槽

圖7　2、4導(dǎo)洞開(kāi)挖完成后地表沉降槽

圖8　上導(dǎo)洞開(kāi)挖完成后地表沉降槽

圖9　施作中柱后地表沉降槽

圖10　中跨開(kāi)挖支護(hù)后地表沉降槽

圖11　站廳層開(kāi)挖支護(hù)后地表沉降槽

圖12　站臺(tái)層開(kāi)挖支護(hù)后地表沉降槽

通過(guò)工況1地表不施加荷載時(shí)來(lái)研究不同施工步對(duì)地表變形的影響，可以看出中柱施工完成后地表沉降達(dá)15 mm，而拆除支撐開(kāi)挖站廳層及站臺(tái)層后地表變形發(fā)生一定程度隆起，最終地表沉降為8 mm左右，分析認(rèn)為車站下部位于土層物性參數(shù)較弱的粉質(zhì)黏土層，站廳層及站臺(tái)層開(kāi)挖面積大，開(kāi)挖后對(duì)土層產(chǎn)生卸載作用，導(dǎo)致地層發(fā)生回彈，地表表現(xiàn)一定程度的回隆。

對(duì)比各種工況下各個(gè)施工步下地表沉降槽曲線可以看出，從工況1至工況6施工過(guò)程中產(chǎn)生最大地表沉降分別為15、37、58、80、50、66 mm，即工況4在小導(dǎo)洞開(kāi)挖前車站上方地面中間部分施加60 kN/m2兩側(cè)施加20 kN/m2均布?jí)毫奢d下地表沉降最大，從各種工況下地表變形可以看出車站上方臨時(shí)施工荷載對(duì)地表變形影響較大，應(yīng)當(dāng)引起注意。

3.2　支護(hù)結(jié)構(gòu)及中柱受力

表2、表3為不同工況下最大彎矩及其對(duì)應(yīng)軸力，表中正負(fù)規(guī)定如下：彎矩方向結(jié)構(gòu)外側(cè)受拉為負(fù)，內(nèi)側(cè)受拉為正，軸力方向結(jié)構(gòu)受壓為負(fù)，受拉為正。

表2　不同工況下最大負(fù)彎矩及對(duì)應(yīng)軸力

從表中可以看出：施工過(guò)程中導(dǎo)洞支護(hù)結(jié)構(gòu)比施工完成后車站結(jié)構(gòu)彎矩大，導(dǎo)洞受力較為不利，對(duì)比不同工況下支護(hù)結(jié)構(gòu)受力，可以看出地表臨時(shí)施工荷載對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力影響較大，對(duì)比最大負(fù)彎矩(即結(jié)構(gòu)外側(cè)受拉)，工況4導(dǎo)洞及車站結(jié)構(gòu)均為最不利，彎矩最大，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生偏心受壓，易導(dǎo)致破壞。對(duì)比最大正彎矩(即結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)受拉)，工況6導(dǎo)洞及車站結(jié)構(gòu)均為最不利，彎矩最大，而軸力相對(duì)小，產(chǎn)生偏心受壓，易導(dǎo)致破壞[5-9]。

表3　不同工況下最大正彎矩及對(duì)應(yīng)軸力

綜上可以看出：地表附加臨時(shí)施工荷載對(duì)車站導(dǎo)洞支護(hù)及車站結(jié)構(gòu)受力影響較大，應(yīng)予以注意。

表4為不同工況下中柱最大豎向軸力，從表中可以看出：工況1(不施加地面荷載)中柱最大軸力11 467.2 kN；工況2(導(dǎo)洞開(kāi)挖前施加20 kN/m2均布荷載)中柱最大軸力11 659.2 kN，較工況1增加1.7%；工況6(導(dǎo)洞開(kāi)挖前施加20 kN/m2，導(dǎo)洞開(kāi)挖完成后地表施工封閉區(qū)域荷載變?yōu)?0 kN/m2)中柱最大軸力11 980.8 kN，較工況1增加4.5%。對(duì)比分析可以得出地面臨時(shí)施工荷載對(duì)中柱軸力有一定影響，應(yīng)予以注意。

表4　不同工況下中柱最大軸力　kN

4地基驗(yàn)算及處理

4.1　地基承載力驗(yàn)算

該車站結(jié)構(gòu)基底地層為粉質(zhì)黏土層，土層厚度約6 m，修正前地基承載力特征值220 kPa，按照相關(guān)規(guī)范需對(duì)地基承載力進(jìn)行驗(yàn)算，以下僅列出施工過(guò)程中中柱及邊柱下地基承載力驗(yàn)算過(guò)程。

(1)中柱地基承載力驗(yàn)算

中柱承載力計(jì)算根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007—2011)。車站主體結(jié)構(gòu)最深處(弧頂)埋深7.5 m，頂覆土按7.5 m考慮，平均重度為20 kN/m3，地面超載按20 kN/m2考慮(計(jì)入覆土荷載中)，縱向取6 m，橫向取左右各半跨寬度共6.7 m，中板施工荷載按10 kN/m2考慮。中柱荷載計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5　中柱荷載　kN

平均基底應(yīng)力

Pk=11 168/(6×4)=465kPa

地基承載力特征值

fa=220+0.5×20.4×1.0+2×20.4×0.7=

259 kPa

Pk=465 kPa>fa=259 kPa

不滿足承載力要求。

(2)邊柱下承載力計(jì)算

邊柱承載力計(jì)算根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007—2011)。車站主體結(jié)構(gòu)最淺處(弧頂)埋深7.5m，頂覆土按7.5m考慮，平均重度為20kN/m3，地面超載按20kN/m2考慮，縱向取6m，橫向取左右各半跨寬度共5.25m，中板施工荷載按10kN/m2考慮。邊柱荷載計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6　邊柱荷載　kN

平均基底應(yīng)力

Pk=10 188/(6×3.5)=485kPa

地基承載力特征值

fa=220+0.5×20.4×1.0+

2×20.4×0.7=259 kPa

Pk=485 kPa>fa=259 kPa

不滿足承載力要求。

4.2　地基處理

針對(duì)該車站結(jié)構(gòu)基底地層為粉質(zhì)黏土層，地基承載力不足情況，設(shè)計(jì)采用注漿加固方案加固地基。

注漿參數(shù)如下：(1)注漿管長(zhǎng)度7 m，注漿鋼管穿透車站基底粉質(zhì)黏土層。(2)鋼管規(guī)格：φ50×4 mm熱軋無(wú)縫鋼管，間距150 cm×150 cm，梅花形布置，注漿花管前端做成尖椎狀，尾部焊接φ6 mm加筋箍，管壁四周鉆8 mm壓漿孔，鋼管尾部50 cm處設(shè)置止?jié){環(huán)。(3)漿液材料：42.5級(jí)硅酸鹽水泥漿液，水灰比1∶1。施工中具體漿液的選用可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)情況及地下水富水程度進(jìn)行確定。(4)注漿壓力：初壓0.2～0.3 MPa，終壓0.4～0.6 MPa，注漿壓力結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整。(5)注漿工作面：封堵初始注漿段采用30 cm厚噴混凝土止?jié){墻。

通過(guò)對(duì)車站結(jié)構(gòu)基底地層注漿施工精心組織，取得了良好的注漿效果，車站結(jié)構(gòu)基底承載力不足的問(wèn)題得到有效解決。

5結(jié)論

(1)通過(guò)數(shù)值分析可以看出，最終狀態(tài)下地表變形并非整個(gè)施工過(guò)程中最大地表變形，工況1在中柱施工完成后地表變形達(dá)15 mm，而拆除支撐開(kāi)挖站廳層及站臺(tái)層后地表變形發(fā)生一定程度回隆，最終地表變形為8 mm左右。分析認(rèn)為，車站下部位于土層物性參數(shù)較弱的粉質(zhì)黏土層，站廳層及站臺(tái)層開(kāi)挖面積大，開(kāi)挖后對(duì)土層產(chǎn)生卸載作用，導(dǎo)致地層發(fā)生回彈，地表表現(xiàn)一定程度的隆起。

(2)通過(guò)數(shù)值分析所得地表沉降、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力及中柱軸力，可以得出車站地表臨時(shí)施工荷載對(duì)地表變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力及中柱軸力影響較大，施工中應(yīng)采取相應(yīng)措施。

(3)通過(guò)數(shù)值分析可知，工況4地表變形最為不利，工況6支護(hù)結(jié)構(gòu)及中柱軸力最為不利，2種工況下最終狀態(tài)地表附加荷載一致，但地表附加荷載施加時(shí)機(jī)不同4地層變形得到較大釋放，從而結(jié)構(gòu)受力相對(duì)較小，工況6地層變形釋放較小，結(jié)構(gòu)受力相對(duì)較大。

(4)通過(guò)驗(yàn)算，施工過(guò)程中車站基底粉質(zhì)黏土層地基承載力不滿足承載力要求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用注漿加固地基的方案，取得了良好效果，可為類似工程提供參考[10-12]。

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Research on Influences of Ground Construction Loads on Underground Subway Station CHEN Da1, QIN Hui-hui2, ZHAO Jing1

(1.China Railway Engineering Consulting Group Co., Ltd., Beijing 100055, China;

2.CCCC Road and Bridge Consultants Co., Ltd., Beijing 100011, China)

Abstract：Due to the restrictions of the construction site space of Beijing subway line 7, construction machines and big amount of soil are placed on top of Guangqumen subway station, which causes great additional construction loads. A numerical model is established to study the influence of the ground loads on the subway station, the ground deformation and the structure stress caused by the subway station construction under different ground loads. Bearing capacity of foundation is calculated and checked. The grouting program is proposed to deal with the deficiency of bearing capacity of foundation.

Key words：Subway Station; ground construction loads; subway station; foundation bearing capacity; grouting reinforcement

中圖分類號(hào)：U231+.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.022

文章編號(hào)：1004-2954(2016)02-0105-05

作者簡(jiǎn)介：陳達(dá)(1982—)，男，工程師，2006年畢業(yè)于北京建筑大學(xué)(原北京建筑工程學(xué)院)土木工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：chen_da_1982@163.com。

收稿日期：2015-04-22； 修回日期：2015-05-24