劉加柱，孫禮超，丁銀平，張 壯，殷小桃

(1.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；2.烏魯木齊城市軌道集團(tuán)有限公司，新疆烏魯木齊 830000；3.中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京 100018)

隨著城市化水平的不斷提高，城市地鐵修建規(guī)模不斷擴(kuò)大，其施工會不可避免地?cái)_動周邊地層，進(jìn)而對鄰近建(構(gòu))筑物產(chǎn)生影響[1]。在諸多地鐵車站施工方法中洞樁法具有擾動小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠較好地控制施工對周圍環(huán)境的影響，現(xiàn)已成為淺埋、近接等復(fù)雜環(huán)境下暗挖地鐵車站作業(yè)的主流方法[2-4]。

韓健勇等[5]以沈陽地鐵青年大街站為背景，分析了洞樁法施工引起的周邊地層及支護(hù)結(jié)構(gòu)位移變形情況；王霆等[6]依托北京地鐵10號線黃莊站研究了洞樁法作業(yè)時(shí)地層和管道變形，指出管道所處相對位置對其變形具有重要影響；扈世民[7]結(jié)合北京地鐵6號線工程實(shí)例，應(yīng)用變位分析法，對地表沉降分階段處理；霍潤科等[8]對不同導(dǎo)洞開挖方案進(jìn)行對比研究，確立了先開挖上導(dǎo)洞的施工方案。已有研究多針對洞樁法施工關(guān)鍵環(huán)節(jié)或支護(hù)體系力學(xué)響應(yīng)展開。

本文以新疆地鐵1號線王家梁站洞樁法施工為工程依托，通過數(shù)值模擬，分析地表沉降規(guī)律以及施工對既有快速公交(Bus Rapid Transit，BRT)車站基礎(chǔ)的影響，并探討加固方案。

1 工程概況

地鐵王家梁站是新疆地鐵1號線的站點(diǎn)，車站主體采用暗挖洞樁法施工，車站標(biāo)準(zhǔn)段采用箱形框架結(jié)構(gòu)，主體長232.2 m，寬20.1 m，高15.64 m，拱頂覆土厚10.25 m。圖1為車站結(jié)構(gòu)與地層剖面。其中強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化泥巖圍巖等級分別為Ⅵ級，Ⅴ級。

BRT車站位于地鐵王家梁站北側(cè)斜上方，BRT車站里程YDK9+675.849—YDK9+732.249，站臺全長約56 m，基礎(chǔ)為坡形截面獨(dú)立基礎(chǔ)，兩獨(dú)立基礎(chǔ)的水平間距約3 m，埋深2 m。該地面建筑承載能力差，受地表不均勻沉降影響明顯，為一級風(fēng)險(xiǎn)源。烏魯木齊地區(qū)對炸藥的管控及使用要求嚴(yán)格，且地鐵車站周邊環(huán)境特殊，綜合考慮工程特點(diǎn)及施工條件，最后選定采用洞樁法進(jìn)行施工，懸臂式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)，盡量減小施工擾動。

圖1 車站結(jié)構(gòu)和地層剖面(單位:m)

2 洞樁法施工數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

建立數(shù)值計(jì)算模型(見圖2)，水平方向(x軸)取120 m，垂直方向(z軸)取60 m。考慮到車站沿軸線方向(y軸)的尺寸無明顯變化，車站周邊地層連續(xù)均勻，無斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造，故模型軸線方向只取單位長度。四周邊界為水平位移約束，地表取自由面，底面為固定端完全約束。為提高數(shù)值模擬準(zhǔn)確性，在劃分網(wǎng)格時(shí)，對需重點(diǎn)研究的BRT基礎(chǔ)及車站結(jié)構(gòu)部分適當(dāng)加密，共劃分56 532個(gè)單元，14 890個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型(單位:m)

2.2 材料參數(shù)的選取

表1 土層參數(shù)

為掌握基礎(chǔ)沉降及地層變形情況，在基礎(chǔ)底端中軸線布置2個(gè)沉降監(jiān)測點(diǎn)A，B，基礎(chǔ)底端兩側(cè)布置傾斜監(jiān)測點(diǎn)C，D，E，F(xiàn)(參見圖1)，在地表中心線布置一系列沉降監(jiān)測點(diǎn)。

2.3 洞樁法施工過程模擬

車站采取淺埋暗挖洞樁法施工，施工過程可劃分為導(dǎo)洞施工、樁梁施作、頂部扣拱施作及土體開挖4個(gè)階段，見圖3。在導(dǎo)洞施工階段先下層后上層，先兩邊后中間。樁梁施作階段在導(dǎo)洞內(nèi)施工邊樁、鋼管支撐中柱及頂、底縱梁。在頂部扣拱施作階段開挖頂部土體，施作初期支護(hù)與二次襯砌扣拱。

圖3 洞樁法施工工序

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 地表沉降規(guī)律

地鐵車站正上方的地表監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)沉降曲線見圖4。可見:①在導(dǎo)洞施工階段地表不斷下沉，曲線斜率最大。②相較于導(dǎo)洞施工階段，樁梁施作完成后地表沉降很小。主要是因?yàn)闃读菏┳麟A段土體開挖量很小，對地層擾動亦小。③在頂部扣拱施作階段地表沉降較大。這是由于頂部土體開挖量較大，開挖擾動較大。④在土體開挖階段土方開挖量最大，但地表沉降卻出現(xiàn)負(fù)增長。這是因?yàn)?前期的結(jié)構(gòu)施作形成了車站的樁、梁、拱縱橫支撐體系，土體開挖在支撐體系保護(hù)下進(jìn)行，對周邊環(huán)境影響較小，產(chǎn)生的地表沉降也較小。由于土體回彈模量較小，在開挖車站土體后車站下方地基產(chǎn)生較大回彈，帶動車站及上方土體回彈。開挖產(chǎn)生的回彈影響大于開挖引起的沉降影響，所以總體來說該階段地表沉降表現(xiàn)為負(fù)增長。

圖4 地表監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)沉降曲線

各階段施工引起的地表沉降見表2。

表2 各階段施工引起的地表沉降

3.2 施工對BRT車站基礎(chǔ)的影響

3.2.1 基礎(chǔ)沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

1)施工控制要求。根據(jù)施工單位設(shè)計(jì)要求，對BRT車站基礎(chǔ)沉降和傾斜進(jìn)行監(jiān)測。分預(yù)警、警戒、極限控制三級管理?？砂礃O限控制值執(zhí)行:基礎(chǔ)最大沉降9 mm；相鄰基礎(chǔ)最大差異沉降3 mm。當(dāng)沉降指標(biāo)無法控制時(shí)，需采取必要的加固處理措施。

2)建(構(gòu))筑物控制指標(biāo)要求。參照北京地區(qū)建(構(gòu))筑物控制指標(biāo)參考值(見表3)，BRT車站基礎(chǔ)重要性等級可劃為Ⅰ級，故其允許沉降控制值≤15 mm，差異沉降控制值≤5 mm，傾斜控制值≤0.002。

表3 北京地區(qū)建(構(gòu))筑物控制指標(biāo)參考值[10]

3.2.2 基礎(chǔ)沉降分析

由于沼氣產(chǎn)生過程復(fù)雜及影響因素較多，精確計(jì)算出沼氣的產(chǎn)生速率和產(chǎn)量比較困難。目前預(yù)測沼氣產(chǎn)氣量的主要方法包括：經(jīng)驗(yàn)估算法、Scholl Canyon模型、Monad模型以及由美國環(huán)保總署提出的垃圾沼氣排放模型等［1-2］。根據(jù)已完成的可行性研究報(bào)告，已填埋的垃圾量、垃圾主要組成、填埋工藝等情況基本符合Scholl Canyon模型的要求，同時(shí)根據(jù)CJJ 133—2009生活垃圾填埋場填埋氣體收集處理及利用工程技術(shù)規(guī)范［3］，可以按此模型預(yù)測沼氣的產(chǎn)量，模型算法如下。

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，分別提取A、B監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)，繪制兩獨(dú)立基礎(chǔ)沉降曲線，見圖5?？梢?基礎(chǔ)最大沉降11.31 mm，不能滿足9 mm的施工控制要求，基礎(chǔ)最大差異沉降6.04 mm，既不滿足3 mm的施工控制要求，也不滿足5 mm的建(構(gòu))筑物沉降控制要求。

圖5 兩獨(dú)立基礎(chǔ)沉降曲線

3.2.3 基礎(chǔ)傾斜分析

施工擾動會造成車站基礎(chǔ)發(fā)生傾斜，必須嚴(yán)格控制基礎(chǔ)傾斜，將傾斜值控制在0.002以內(nèi)。從數(shù)值計(jì)算結(jié)果中分別提取C，D，E，F(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)，左基礎(chǔ)C，D監(jiān)測點(diǎn)的最大差異沉降2.6 mm，基礎(chǔ)傾斜值為0.000 7，右基礎(chǔ)E，F(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)的最大差異沉降0.9 mm，傾斜值為0.000 2，兩基礎(chǔ)傾斜值均符合建(構(gòu))筑物傾斜控制要求。

由以上分析可知，地鐵車站施工時(shí)BRT車站基礎(chǔ)最大傾斜值0.000 7，滿足0.002的傾斜控制要求，但兩基礎(chǔ)最大沉降及最大差異沉降均不能滿足施工控制要求，擬采用地面袖閥管進(jìn)行注漿加固。以下從注漿體彈性模量及注漿范圍兩方面對注漿加固的效果進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

4 數(shù)值模擬袖閥管注漿加固效果

注漿管長8 m，注漿范圍為地面以下2～10 m。假定注漿后土層密度為22.5 kg/m3，內(nèi)摩擦角提高到29°，注漿體彈性模量亦有提高。

4.1 不同彈性模量

其他參數(shù)保持不變，將注漿體的彈性模量分別提高至 5，10，15，20，25 GPa，計(jì)算基礎(chǔ)最大沉降及基礎(chǔ)最大差異沉降，結(jié)果見表4。可見:剛開始時(shí)提高注漿體彈性模量對基礎(chǔ)最大沉降及基礎(chǔ)最大差異沉降影響顯著，但當(dāng)彈性模量大于15 GPa后，基礎(chǔ)最大沉降及基礎(chǔ)最大差異沉降減少均不明顯，對提高注漿效果影響不大，故注漿時(shí)將彈性模量控制在15 GPa左右即可。

表4 不同彈性模量時(shí)基礎(chǔ)沉降

4.2 不同注漿范圍

注漿體彈性模量取15 GPa，方案1到方案3注漿橫向長度分別為42～60 m，34～68 m，34～86 m，如圖 6所示。車站基礎(chǔ)沉降見表5。

圖6 不同注漿范圍

表5 不同注漿范圍時(shí)基礎(chǔ)沉降

由表5可見:與方案1和方案2相比，方案3的基礎(chǔ)最大差異沉降明顯減小，減至1.42 mm，加固效果明顯。其原因是:方案1、方案2的右側(cè)注漿邊界在車站上方，加固后巖土體相當(dāng)于右側(cè)懸空的懸臂梁，加固體也會產(chǎn)生左小右大的不均勻沉降，未能從根本上控制兩基礎(chǔ)產(chǎn)生差異沉降。而方案3注漿區(qū)域橫跨車站上方，形成兩端鉸支的簡支梁，在簡支梁的支撐保護(hù)下基礎(chǔ)差異沉降得到有效控制。雖然3個(gè)方案的最大沉降及最大差異沉降均能滿足建(構(gòu))筑物沉降控制要求。但參照車站設(shè)計(jì)要求，僅有注漿區(qū)域橫跨車站上方的方案3能夠滿足基礎(chǔ)沉降及基礎(chǔ)差異沉降的施工控制要求。方案3為較優(yōu)方案。

采用方案3注漿加固前后最大拉應(yīng)力均出現(xiàn)在車站拱腳外側(cè)，其值由注漿前的3.3 MPa減小到了注漿后的2.2 MPa。此外，車站周邊土層縱向位移也整體明顯變小。

4.3 數(shù)值模擬沉降與實(shí)測沉降的對比

BRT車站基礎(chǔ)為一級風(fēng)險(xiǎn)源，對施工擾動要求非常嚴(yán)格，必須嚴(yán)格控制基礎(chǔ)沉降?；跀?shù)值模擬分析結(jié)果，在工程現(xiàn)場采用方案3注漿，讓注漿區(qū)域橫跨車站上方，盡可能減小施工對基礎(chǔ)的擾動。對基礎(chǔ)沉降進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，繪制計(jì)算與實(shí)測的基礎(chǔ)沉降與基礎(chǔ)差異沉降曲線，見圖7。

圖7 基礎(chǔ)沉降曲線

分析圖7可知:施工完成后，左、右基礎(chǔ)的實(shí)測沉降分別為7.60，6.63 mm，數(shù)值計(jì)算沉降分別為7.40，6.05 mm，誤差在10%左右，總體而言相差不大。實(shí)測基礎(chǔ)最大沉降7.62 mm出現(xiàn)在扣拱施作完成后。與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相比，雖然施工過程中各階段實(shí)測沉降占比稍有偏差，但左側(cè)基礎(chǔ)的沉降始終大于右側(cè)基礎(chǔ)，這一點(diǎn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果一致。

導(dǎo)洞施工后實(shí)測兩基礎(chǔ)差異沉降0.87 mm，實(shí)測兩基礎(chǔ)最大差異沉降1.05 mm出現(xiàn)在扣拱施作完成后，相較于數(shù)值計(jì)算得到的基礎(chǔ)最大差異沉降1.35 mm，誤差也在可接受范圍內(nèi)。

綜合分析可知:注漿加固后實(shí)測基礎(chǔ)最大沉降7.62 mm，既滿足15 mm的建(構(gòu))筑物沉降控制要求，又滿足9 mm的施工控制要求；實(shí)測兩基礎(chǔ)最大差異沉降1.05 mm，滿足3 mm的施工控制要求。

5 結(jié)論

1)洞樁法施工可分為導(dǎo)洞施工、樁梁施作、頂部扣拱施作和土體開挖4個(gè)階段。導(dǎo)洞開挖階段與頂部扣拱施作階段對地表沉降影響大。土體開挖在支撐保護(hù)下進(jìn)行，對周邊地層擾動非常小，開挖產(chǎn)生的回彈影響大于開挖引起的沉降影響，故土體開挖階段地表沉降表現(xiàn)為負(fù)增長。

2)地鐵車站施工對鄰近BRT車站基礎(chǔ)擾動較大，兩基礎(chǔ)最大沉降及最大差異沉降均不能滿足施工控制要求。采用袖閥管注漿，注漿區(qū)域橫跨車站上方，可充分發(fā)揮簡支梁的支撐作用，有效控制基礎(chǔ)沉降。