朱雅倩 薛洪松 劉希勝 杜昌隆 趙 旭 張志紅

(1. 北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)教育部重點實驗室，北京 100124；2. 北京建工集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100055)

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快，城市軌道交通迅猛發(fā)展。大量的地鐵車站鄰近建(構(gòu))筑物建設(shè)，需對地鐵車站施工誘發(fā)的沉降量進(jìn)行嚴(yán)格控制，避免造成建(構(gòu))筑物的損傷[1-2]。PBA(Pile-beam-arch)作為地鐵車站修建的主要工法，在全國各地均有廣泛的應(yīng)用。近年來，已有不少學(xué)者對PBA工法進(jìn)行了研究分析，為地鐵車站修建過程中地表沉降控制提供了大量的有益經(jīng)驗[3-6]。李 皓和葛克水[7]、王文濤[8]通過對PBA工法導(dǎo)洞不同開挖方案進(jìn)行數(shù)值模擬，從而得出相應(yīng)地層PBA工法控制地表沉降效果最好的施工方案。賈少春[9]、肖 茜[10]、曹 賡[11]對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)整理對比，并且通過數(shù)值模擬實際PBA工法整個施工過程，得出在施工過程中，導(dǎo)洞施工階段和扣拱施工階段對周圍環(huán)境影響最大，即引起的地表沉降最為明顯，是控制地表沉降的關(guān)鍵階段。長期以來，對PBA工法施工過程引起的地面變形相關(guān)研究很多，對其發(fā)展變形規(guī)律有了較深入的認(rèn)識，但對PBA工法導(dǎo)洞內(nèi)邊樁施工階段地表變形規(guī)律研究較少。

現(xiàn)有PBA工法存在一個最大的困難，即難以進(jìn)行地下水有效控制，這對于PBA工法在富水地層中的應(yīng)用造成了嚴(yán)重限制。北京地鐵16號線看丹站在原有PBA工法的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，為達(dá)到對地下水有效控制的目的，將邊導(dǎo)洞內(nèi)的邊樁改為地下連續(xù)墻，在國內(nèi)尚屬首例。

以北京地鐵16號線看丹站工程為背景，通過對邊導(dǎo)洞內(nèi)地下連續(xù)墻施工進(jìn)行數(shù)值模擬，并與地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，深入探討城市地鐵暗挖車站地下連續(xù)墻施工引起的地表沉降變化規(guī)律，為PBA工法在富水地層中的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 工程概況

1.1 工程簡介

北京地鐵16號線看丹站總長271.2 m，有效站臺中心里程右K20+698.600，車站有效站臺中心處軌面高程29.15 m?？吹ふ緸殡p層三跨島式車站，車站有效站臺寬12 m，結(jié)構(gòu)寬21.3 m，高16.04 m，拱頂覆土約7.2 m，車站東西兩端均為礦山法區(qū)間隧道。

其中，邊導(dǎo)洞內(nèi)的邊樁原計劃采用排樁形式。但現(xiàn)場條件不允許降水，因此將邊樁優(yōu)化成地下連續(xù)墻作為止水帷幕。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

看丹站底板埋深約為23.6 m，開挖深度范圍內(nèi)主要包括以下土層：雜填土①層、黏質(zhì)粉土素填土①3層、細(xì)砂—粉砂②1層、圓礫—卵石②層、卵石③層、卵石④層。

地下水為潛水，勘察期間地下水位穩(wěn)定標(biāo)高28.5 m，埋深22 m(現(xiàn)狀地下水位穩(wěn)定標(biāo)高29.5 m，埋深21 m)。車站底板標(biāo)高27.5～26.8 m，埋深為23.5～24.1 m，車站底板進(jìn)入地下水為2.6～3.1 m。工程地質(zhì)剖面及地下水分布如圖1所示。

1.3 地下連續(xù)墻止水方案

看丹站地下連續(xù)墻體厚度為0.8 m，深度(最深)為18.5 m，每幅寬度為2.5 m，分節(jié)安裝，鋼筋籠長度為2.5 m、3.5 m。采用型鋼、鋼筋機(jī)械連接接頭，地下連續(xù)墻采用C35抗?jié)B混凝土，標(biāo)號為P8，每幅寬度內(nèi)設(shè)四根注漿管，對墻趾土體進(jìn)行注漿加固。地下連續(xù)墻被劃分為111個槽段，其中“一”字型槽段110個，“L”型槽段1個。

圖1 工程地質(zhì)剖面及地下水分布

地下連續(xù)墻采用DJK-68-01型號低凈空鉆機(jī)挖槽，優(yōu)質(zhì)泥漿護(hù)壁。鋼筋籠在加工場制作，用全液壓工作DJK-58-01型號吊裝機(jī)械吊裝鋼筋籠，鋼筋籠采用焊接連接，導(dǎo)管法灌注混凝土。

2 數(shù)值計算模型

2.1 模型建立

為研究PBA工法下導(dǎo)洞內(nèi)地下連續(xù)墻施工對地表沉降的影響，模型圍繞導(dǎo)洞開挖、支護(hù)與地下連續(xù)墻施作這兩個施工階段建模。

應(yīng)用MIDAS/GTS NX軟件建立三維數(shù)值分析模型，模型寬度設(shè)為80 m，約為4倍的車站跨徑，高度為50 m，沿車站縱向長度為40 m，滿足忽略邊界效應(yīng)的要求。模型前后左右及下部邊界均加法向約束，上部地表為自由邊界。整體模型網(wǎng)格剖分如圖2(a)所示，導(dǎo)洞及地下連續(xù)墻部分網(wǎng)格剖分如圖2(b)所示。

2.2 模型參數(shù)

相比于Mohr Coulomb本構(gòu)模型，修正Mohr Coulomb本構(gòu)模型可以分別設(shè)定土體的加、卸載模量，能有效地控制大斷面土體開挖時由于應(yīng)力釋放引起的回彈隆起現(xiàn)象[12-13]，故本模型中地基土體選用修正Mohr Coulomb本構(gòu)模型模擬，以實體單元建立。模型參數(shù)各取值與巖土工程勘察報告數(shù)據(jù)相同(見表1)。導(dǎo)洞初支襯砌和地下連續(xù)墻采用彈性本構(gòu)模型；注漿土體采用Mohr Coulomb本構(gòu)模型。支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)值表

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

圖2 數(shù)值計算模型網(wǎng)格剖分

3 施工工序模擬

地鐵暗挖車站地下連續(xù)墻施工工序主要分為導(dǎo)洞開挖、初期支護(hù)和地下連續(xù)墻施作。在導(dǎo)洞開挖過程中，相鄰導(dǎo)洞斷面開挖距離不小于10 m，導(dǎo)洞開挖進(jìn)尺設(shè)為1 m；開挖前注漿加固，開挖完成后即施作初期支護(hù)。

與地下連續(xù)墻實際施工過程保持一致，要根據(jù)設(shè)計圖紙分幅情況，結(jié)合現(xiàn)場實際，提前擬定地下連續(xù)墻成槽順序，配備1臺成槽機(jī)，采用跳槽(跳三打一)施工，先施作右側(cè)地下連續(xù)墻后施作左側(cè)地下連續(xù)墻。地下連續(xù)墻施工幅(槽)段劃分如圖3所示。數(shù)值計算過程中，右側(cè)地下連續(xù)墻施工過程模擬見表3，左側(cè)地下連續(xù)墻施工工序同右側(cè)。

圖3 地下連續(xù)墻施工幅(槽)段劃分

表3 導(dǎo)洞內(nèi)地下連續(xù)墻施工工序

4 地表沉降數(shù)值模擬

4.1 地表橫向沉降規(guī)律

4.1.1 右側(cè)地連墻施作

地下連續(xù)墻施工前(即導(dǎo)洞開挖和初期支護(hù)施工完成后)深層土體豎向位移云圖如圖4所示。由圖4可知，地下連續(xù)墻施工前，深層土體豎向位移基本呈對稱分布，沉降量較大位置集中于中導(dǎo)洞上方位置，圍巖隆起區(qū)域主要集中在左右側(cè)導(dǎo)洞及中導(dǎo)洞初期支護(hù)底板下方土體處。

圖4 地下連續(xù)墻施工前深層土體豎向位移云圖

隨著地下連續(xù)墻施工的進(jìn)行，待右側(cè)地下連續(xù)墻施工完成后，深層土體豎向位移云圖如圖5所示。由5圖可知，右側(cè)地下連續(xù)墻施工完成后，中導(dǎo)洞左側(cè)深層土體豎向位移分布基本保持穩(wěn)定。圍巖隆起區(qū)域主要集中在左側(cè)導(dǎo)洞底板處、中導(dǎo)洞底板處和右側(cè)地連墻底部。右側(cè)導(dǎo)洞底板處圍巖隆起現(xiàn)象明顯得到緩解。地表最大沉降量由21.9 mm增加至23.1 mm，地表沉降變化不大。

圖5 右側(cè)地連墻施工后深層土體豎向位移云圖

提取圖4及圖5中地表沉降計算結(jié)果匯總于圖6。分析圖6(a)可知，地下連續(xù)墻施工前，沉降曲線形成以車站中線為中心，呈對稱分布；右側(cè)地下連續(xù)墻施工完成后，沉降曲線也不再以車站中線為中心而是向右有所偏移，最大沉降值約13 mm，出現(xiàn)在車站中線右側(cè)5 m左右。分析圖6(b)可知，右導(dǎo)洞正上方由右側(cè)地連墻引起的附加地表沉降量最大，地表沉降量最大值增加了3.5 mm，約占總沉降量的25%。

圖6 地表中部斷面沉降曲線

圖6 地表中部斷面沉降曲線(續(xù))

4.1.2 左側(cè)地連墻施作

左側(cè)地下連續(xù)墻施工完成后，深層土體豎向位移云圖如圖7所示。由圖7可知，左側(cè)地下連續(xù)墻施工完成后，深層土體豎向位移基本呈對稱分布，沉降量較大位置集中在中導(dǎo)洞上方位置，中導(dǎo)洞右側(cè)深層土體豎向位移分布基本保持穩(wěn)定，地表最大沉降量增至25.0 mm，沉降變化不大。圍巖隆起區(qū)域集中在中導(dǎo)洞底板處和左右側(cè)地下連續(xù)墻底部。左導(dǎo)洞底板下方土體隆起范圍明顯減小。

圖7 左側(cè)地連墻施工完成后深層土體豎向位移云圖

提取圖5和圖7中地表沉降計算結(jié)果匯總于圖8。由圖8(a)可知，左側(cè)地下連續(xù)墻施工完成后，沉降曲線向左偏移，大致以車站中線為中線，呈對稱分布；由圖8(b)可知，左側(cè)地下連續(xù)墻施作完成后，地表沉降量最大沉降量增加3.6 mm，約占總沉降量的25%，出現(xiàn)在左側(cè)導(dǎo)洞正上方地表處。

圖8 地表中部斷面沉降曲線

4.1.3 雙側(cè)地連墻施工前后地表沉降對比

地下連續(xù)墻施工完成后地表沉降云圖如圖9所示。地下連續(xù)墻施工完成后，圍巖隆起最大值約為9.3 mm，隆起較大位置集中分布在導(dǎo)洞底板及下方土體處；圍巖沉降最大值為25 mm，沉降較大位置集中分布于中導(dǎo)洞上方土體處。

圖9 地表沉降云圖

提取圖4、圖7中地表沉降計算結(jié)果匯總于圖10。分析圖10(a)可知，地表沉降曲線最終形成以車站中線為中心，呈對稱分布；相比地下連續(xù)墻施工前，地下連續(xù)墻施工完成后沉降槽寬度增加、深度增大。分析圖10(b)可知，地下連續(xù)墻施工完成后，由地下連續(xù)墻施工引起的地表沉降變化曲線呈W型；且W型曲線兩個最小峰值位于左右兩側(cè)導(dǎo)洞上方地表位置；地表最大沉降量增量為4.4 mm，約占總沉降量的31%，位于左側(cè)導(dǎo)洞上方地表處；地下連續(xù)墻施工階段引起的地表沉降量約占整個施工過程地表沉降量的24%。

4.2 地表縱向沉降規(guī)律

地下連續(xù)墻施工前、施工中、施工后的地表縱向中斷面沉降曲線如圖11所示。分析圖11可知，地下連續(xù)墻施工前，縱向沿著導(dǎo)洞開挖方向，地表沉降量越來越大，總體呈下降趨勢。沉降曲線大致可以分為三段，0～10 m和30～40 m段沉降趨勢較為明顯，曲線比較陡；而在10～30 m段曲線比較平緩，沉降趨勢相對穩(wěn)定。地下連續(xù)墻施工前和地連墻施工完成后，縱向中斷面最大地表沉降量分別為13.7 mm和17.0 mm。其中在右側(cè)地連墻和左側(cè)地連墻施工完成后引起的地表沉降量增量沿縱向分布比較均勻且基本相同。

圖10 地表中部斷面沉降曲線

圖11 地表縱向中斷面沉降曲線

選取三個導(dǎo)洞上方中心地表處為沉降監(jiān)測點，如圖12所示。提取圖12中三個監(jiān)測點在地下連續(xù)墻施工過程中的沉降計算結(jié)果匯總于圖13中。由圖13可知，在右側(cè)地連墻施工階段，監(jiān)測點3(右導(dǎo)洞上方地表附近)沉降速率最大。同時也會引起監(jiān)測點2(中導(dǎo)洞上方地表附近)和監(jiān)測點3(左導(dǎo)洞上方地表附近)處有所沉降，中導(dǎo)洞上方地表沉降速率大于左導(dǎo)洞上方地表沉降速率。同理，在左側(cè)地下連續(xù)墻施工階段，左導(dǎo)洞上方地表沉降速率最大。在右側(cè)地連墻和左側(cè)地連墻施工階段，中導(dǎo)洞上方地表沉降時程曲線大致為一條斜直線，即這兩個施工階段所引起的中導(dǎo)洞上方地表沉降速率基本相同。

圖12 模型監(jiān)測點布置

圖13 地表沉降時程曲線

分析右側(cè)地連墻施工階段監(jiān)測點3的沉降時程曲線和左側(cè)地連墻施工階段監(jiān)測點1的沉降時程曲線可知，沉降大致可分為兩個階段，左右兩側(cè)地連墻分別施工前6幅為第一個階段，在該階段，地表沉降時程曲線為曲線，沉降速率尚未穩(wěn)定；左右側(cè)地連墻施工6幅到施工結(jié)束為第二個階段，該階段地表時程曲線大致為直線，即在單側(cè)地連墻施工6幅以后，地表沉降速率基本保持穩(wěn)定不變。因此控制第一階段發(fā)生的沉降可有效降低地表沉降。

4.3 塑性應(yīng)變分布

地下連續(xù)墻施工前、施工中、施工后的土體塑性應(yīng)變分布云圖如圖14所示。分析圖14可知，在地下連續(xù)墻施工前，由于導(dǎo)洞的開挖及支護(hù)，導(dǎo)洞周圍土體發(fā)生擾動，形成了第一次應(yīng)力重分布，塑性應(yīng)變較大區(qū)域集中于導(dǎo)洞頂部及底角位置；地下連續(xù)墻施工過程中，中部導(dǎo)洞塑性應(yīng)變區(qū)域基本不發(fā)生變化，邊導(dǎo)洞塑性應(yīng)變較大位置集中于地下連續(xù)墻溝槽兩側(cè)，溝槽底部的塑性應(yīng)變大于溝槽頂部的塑性應(yīng)變。

圖14 地連墻施工前后圍巖塑性應(yīng)變分布

5 數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果對比

沉降監(jiān)測點平面布置如圖15所示，模型監(jiān)測斷面如圖16所示，02、03、04斷面數(shù)值與地表沉降監(jiān)測結(jié)果對比如圖17—圖19所示。根據(jù)現(xiàn)場地表沉降監(jiān)測，選取02、03、04三個較穩(wěn)定斷面進(jìn)行數(shù)值模擬與監(jiān)測結(jié)果對比分析。數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果對比差別不大，變形趨勢高度相似，證明了數(shù)值計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。數(shù)值模擬結(jié)果略大于監(jiān)測結(jié)果，較保守，可以作為預(yù)測完整40 m標(biāo)準(zhǔn)段實際地表沉降規(guī)律的依據(jù)。

圖15 沉降監(jiān)測點平面布置圖(單位：m)

圖16 模型監(jiān)測斷面

圖17 02斷面數(shù)值與監(jiān)測地表沉降結(jié)果對比

圖18 03斷面數(shù)值與監(jiān)測地表沉降結(jié)果對比

圖19 04斷面數(shù)值與監(jiān)測地表沉降結(jié)果對比

6 結(jié)論

以北京地鐵16號線看丹站洞內(nèi)施工地下連續(xù)墻為工程背景，應(yīng)用現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了洞內(nèi)施工地下連續(xù)墻過程中地表的沉降規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上探究了地下連續(xù)墻施作順序?qū)Φ乇沓两底兓挠绊?。主要結(jié)論如下：

(1)地下連續(xù)墻施工前，地表沉降主要集中在中導(dǎo)洞上方地表處；地表沉降曲線以車站中線為中心，呈明顯對稱的沉降槽形式。

(2)在導(dǎo)洞內(nèi)地下連續(xù)墻施工中，單側(cè)地下連續(xù)墻施工完成后對地表沉降在該側(cè)地下連續(xù)墻上方地表附近影響最為明顯，增量最大值約為3.5 mm，約占總沉降量的25%。

(3)相比地下連續(xù)墻施工前，左右兩側(cè)地下連續(xù)墻施工完成后，沉降槽寬度變大，地表沉降量增加，約占總沉降量的24%；地表沉降量增量曲線類似W型，左右兩側(cè)導(dǎo)洞上方地表沉降增加較為明顯，最大增量值約為4.4 mm，約占總沉降量的31%。

(4)縱向沿導(dǎo)洞開挖方向，地表沉降曲線總體呈下降趨勢；其中1～10 m和30～40 m段沉降趨勢較為明顯；10～40段沉降趨勢較為平緩；右側(cè)和左側(cè)地連墻施工完成后引起的地表沉降量增量沿縱向分布比較均勻且基本相同；左右側(cè)地連墻分別施工6幅以后，上方地表處沉降趨于穩(wěn)定，沉降速率基本保持不變；左右側(cè)地連墻施工中，中導(dǎo)洞上方處地表沉降速率基本相同。