汪 珂，劉奉銀，李儲(chǔ)軍，高小州，崔靖俞

(1.西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 陜西 西安 710048；2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043；3.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710043)

地鐵施工過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)大地表沉降和變形會(huì)對(duì)地面建筑物以及地下管線的安全造成巨大威脅[1-3]。地鐵暗挖車站幾乎都處在城市密集區(qū)，施工難度大，稍有失誤將會(huì)造成不可估量的損失[4]。

洞樁法(Pile Beam Arc Method, PBA工法)指的是工程結(jié)構(gòu)中的三個(gè)重要組成部分“柱(樁)”、“梁”、“拱”[5]，即由邊樁、中樁(柱)、頂?shù)琢汉晚敼肮餐袚?dān)施工過(guò)程的荷載；其主要思想是將蓋挖及分步暗挖法有機(jī)結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，在頂蓋的保護(hù)下可以逐層向下開(kāi)挖土體，施作二次襯砌。PBA工法在應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境時(shí)可以采用順作法和逆作法兩種施工方法，最后形成由初期支護(hù)與二次襯砌共同作用組合成的永久承載結(jié)構(gòu)體系。

PBA工法相對(duì)于其他暗挖施工方法，諸如中洞法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、中隔壁法等常規(guī)暗挖方法而言，斷面利用率高，施工更加安全可靠，并且可以大量減少臨時(shí)支撐，減少施工浪費(fèi)[6-14]，其核心思想是在由邊樁+頂拱組成的支護(hù)體系代替?zhèn)鹘y(tǒng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)，以保證后期施工有足夠的安全保障，且有效控制地表沉降。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)多位學(xué)者對(duì)PBA工法的施工特點(diǎn)及對(duì)地層變形的影響進(jìn)行了研究，積累了大量的成果。付春青[15]對(duì)比了工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果，研究了車站結(jié)構(gòu)斷面周邊地層空間不均勻變形；曹力橋等[16]通過(guò)三維有限元分析法，研究了大橋樁基附近車站PBA施工對(duì)大橋和地表沉降影響規(guī)律；吳精義等[17]的研究表明，PBA工法施工的車站，大于相應(yīng)地表沉降值的發(fā)生概率與地表最大沉降值的關(guān)系符合正態(tài)分布，可藉由降水量大小預(yù)測(cè)地表沉降量發(fā)生概率。

對(duì)比地表沉降的結(jié)果，導(dǎo)洞的開(kāi)挖順序的影響不可忽視，李金奎等[18]的研究表明，地表沉降與導(dǎo)洞施工順序密切相關(guān)；李儲(chǔ)軍[19]針對(duì)黃土地區(qū)的PBA工法進(jìn)行了改進(jìn)，認(rèn)為上部四個(gè)小導(dǎo)洞，下部?jī)蓚€(gè)大導(dǎo)洞更適用于黃土地區(qū)暗挖車站；張振波等[20]的數(shù)值模擬研究表明，開(kāi)挖上層導(dǎo)洞比下層導(dǎo)洞對(duì)既有車站結(jié)構(gòu)變形影響更小。

本文依托三維有限元分析軟件ABAQUS，模擬研究不同導(dǎo)洞開(kāi)挖順序?qū)Φ乇沓两狄约皩?dǎo)洞初支、車站最終主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力影響，以期為類似工程提供相應(yīng)參考。

1 計(jì)算模型的建立與參數(shù)的確定

1.1 工程概況

西安地鐵8號(hào)線共設(shè)37座車站，線路全長(zhǎng)約49.896 km，均為地下線，其中換乘站18座，最大站間距2.529 km，位于明光路-范家村區(qū)間，最小站間距0.790 km，位于電子正街-東儀路區(qū)間，平均站間距1.349 km。

西安地鐵8號(hào)線某車站主體為雙層三跨聯(lián)拱結(jié)構(gòu)斷面形式，擬建場(chǎng)地地形較平坦，地面高程介于492.24 m～497.55 m，地貌單元屬黃土梁洼。車站洞身主要土層屬第四系上更新統(tǒng)和第四系中更新統(tǒng)，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)。車站可采用天然地基，場(chǎng)地類別為Ⅱ類。地下水埋深41.50 m～50.60 m。結(jié)構(gòu)底板埋深約為32.5 m，車站整體位于地下水位以上，上覆土層厚度11.0 m～14.7 m。結(jié)構(gòu)頂板處土層主要為Q3古土壤、Q2老黃土，車站主體處于風(fēng)積層和殘積層，主要為Q2老黃土和Q2古土壤，圍巖分級(jí)均為Ⅴ級(jí)，自穩(wěn)能力差，施工過(guò)程中容易發(fā)生坍塌，施工時(shí)需要及時(shí)支護(hù)。地層巖性見(jiàn)表1。

表1 地層巖性一覽表

車站雙層段分8個(gè)導(dǎo)洞，自上導(dǎo)洞向下施做圍護(hù)樁及中柱，并施做頂拱，下層導(dǎo)洞施做條形基礎(chǔ)；之后開(kāi)挖上層土至中板，施做中板及側(cè)墻；然后開(kāi)挖站廳層，施做站廳層中板及側(cè)墻；最后開(kāi)挖站臺(tái)層，施做底板及站臺(tái)層側(cè)墻，完成開(kāi)挖。PBA工法施工步序見(jiàn)圖1。

圖1 PBA工法施工步序

1.2 數(shù)值模擬

西安地鐵8號(hào)線某車站主體為雙層三跨聯(lián)拱結(jié)構(gòu)斷面形式，采用8導(dǎo)洞PBA工法開(kāi)挖。依照彈塑性計(jì)算一般影響范圍，模型寬度取為5倍洞徑，約為158 m;模型豎向上至地表、下至2倍洞徑處為78 m，呈對(duì)稱分布；模型沿車站軸向取為25 m，模型的各土層均采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型[21-26]。由于車站位于地下水位以上，故不考慮地下水滲流的影響。依據(jù)實(shí)際工程背景，對(duì)擬建車站開(kāi)挖進(jìn)行全過(guò)程模擬，車站上覆土層12 m，車站高度17 m，模型橫截面寬度158 m，隧道軸線方向取14 m；整個(gè)模型實(shí)體單元62 609個(gè)，241 613個(gè)節(jié)點(diǎn)，土的本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)侖模型。在此基礎(chǔ)上對(duì)不同工況下的施工情況進(jìn)行模擬分析，圖2為土層三維數(shù)值計(jì)算模型，圖3為車站主體結(jié)構(gòu)三維數(shù)值計(jì)算模型。模型選用的參數(shù)主要來(lái)源于地質(zhì)勘察報(bào)告及西安地區(qū)黃土地層參數(shù)，具體地層及支護(hù)材料的各力學(xué)參數(shù)指標(biāo)如表2、表3所示。

圖2 土層三維數(shù)值計(jì)算模型

圖3 車站主體結(jié)構(gòu)三維數(shù)值計(jì)算模型

表2 地層參數(shù)表

表3 支護(hù)材料參數(shù)表

模擬將導(dǎo)洞開(kāi)挖過(guò)程分為6種工況[27-28]，見(jiàn)表4。

表4 各工況開(kāi)挖順序表

1.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，導(dǎo)洞開(kāi)挖完成時(shí)垂直方向沉降量及其云圖如圖4、圖5所示。

(1) 小導(dǎo)洞開(kāi)挖完成時(shí)，通過(guò)對(duì)各工況下地面沉降情況分析得出：

①工況1—工況3先行開(kāi)挖上層導(dǎo)洞，在導(dǎo)洞施工完成時(shí)產(chǎn)生的沉降較工況4—工況6先開(kāi)挖下層導(dǎo)洞的施工方法產(chǎn)生的沉降小，上層導(dǎo)洞先行開(kāi)挖產(chǎn)生的沉降在6.88 mm～8.84 mm，下層導(dǎo)洞先行開(kāi)挖產(chǎn)生的沉降在13.09 mm～14.76 mm。分析這種現(xiàn)象是因?yàn)樵谙刃虚_(kāi)挖下層導(dǎo)洞時(shí)，下層導(dǎo)洞上方土體因下層的先行開(kāi)挖受到擾動(dòng)，使得在開(kāi)挖上層導(dǎo)洞時(shí)對(duì)周圍土體產(chǎn)生的沉降變大。

②工況2較工況1在導(dǎo)洞開(kāi)挖完成時(shí)產(chǎn)生的沉降略大，即中部導(dǎo)洞(2、3和6、7)先行開(kāi)挖較邊部導(dǎo)洞(1、4和5、8)先行開(kāi)挖產(chǎn)生的沉降要大，這是因?yàn)橹胁繉?dǎo)洞距離較近，容易引發(fā)群洞效應(yīng)所致。工況4和工況5情況相似。

③工況3較工況1在導(dǎo)洞開(kāi)挖完成時(shí)，頂部地表產(chǎn)生的沉降要小，工況1在導(dǎo)洞完成時(shí)產(chǎn)生沉降為8.42 mm，工況3為6.88 mm。工況1在導(dǎo)洞開(kāi)挖階段產(chǎn)生的沉降占總沉降的46.97%，工況2為48.28%，工況3最小僅為41.09%。工況3選擇的是先行開(kāi)挖上層跳挖導(dǎo)洞1、3，錯(cuò)開(kāi)導(dǎo)洞開(kāi)挖，減小導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)的相互干擾，把導(dǎo)洞開(kāi)挖對(duì)周圍土體的擾動(dòng)降到最小，這種開(kāi)挖方案在導(dǎo)洞開(kāi)挖階段產(chǎn)生的沉降是六種工況中最小的。

經(jīng)分析，在導(dǎo)洞開(kāi)挖階段，工況1優(yōu)于工況2，工況3優(yōu)于工況1，上層導(dǎo)洞先行開(kāi)挖優(yōu)于下層導(dǎo)洞先行開(kāi)挖，即“先上后下，交錯(cuò)開(kāi)挖”的施工方案為最優(yōu)開(kāi)挖方案。

圖4 導(dǎo)洞開(kāi)挖完成時(shí)垂直方向沉降量云圖

圖5 導(dǎo)洞開(kāi)挖完成時(shí)各工況地表沉降曲線

(2) 扣拱階段，各工況地面垂直方向沉降量云圖如圖6、圖7所示。均采用先施工中跨后施工邊跨的扣拱順序。

該施工階段對(duì)導(dǎo)洞部分初支進(jìn)行了拆除，對(duì)結(jié)構(gòu)受力的整體性有一定的影響，存在受力轉(zhuǎn)換。

由圖6、圖7分析得出：

圖6 扣拱完成時(shí)垂直方向沉降量云圖

圖7 扣拱階段完成時(shí)各工況地表沉降曲線

①此階段地表累積沉降較大為工況4—工況6(先行開(kāi)挖下層導(dǎo)洞)發(fā)生在地面中央，沉降值為18.40 mm～18.80 mm；而工況1—工況3(先行開(kāi)挖上導(dǎo)洞)在該階段累積沉降為13.60 mm～14.68 mm，工況3累積的沉降為最小，累積沉降值為13.60 mm。工況2較工況1在該階段累積的沉降值差異不大，分別為14.27 mm、14.68 mm，這與導(dǎo)洞階段分析規(guī)律一致。

②各工況累積沉降值占比為：工況1累積沉降占比79.63%，工況2累積沉降占比80.20%，工況3累積沉降占比81.25%，工況4累積沉降占比88.98%，工況5累積沉降占比82.66%，工況6累積沉降占比83.52%，可以看出，在車站前期開(kāi)挖施工階段，導(dǎo)洞開(kāi)挖與扣拱施工占了車站總體沉降的比例較大，各工況累積沉降值占比在79.63%～88.98%。因此，對(duì)于PBA工法施工的暗挖地鐵車站，科學(xué)合理地安排導(dǎo)洞及扣拱開(kāi)挖順序是降低地表沉降的重點(diǎn)。

(3) 車站主體結(jié)構(gòu)施工完成時(shí)，各工況地面垂直方向沉降量云圖如圖8、圖9所示。

圖8 主體結(jié)構(gòu)施工完成后土層沉降量云圖

圖9 車站主體完成時(shí)各工況地表沉降曲線

由以上數(shù)據(jù)分析得出：

①工況1—工況3(先行開(kāi)挖上層導(dǎo)洞)在導(dǎo)洞施工完成時(shí)產(chǎn)生的沉降較工況4—工況6(先開(kāi)挖下層導(dǎo)洞)產(chǎn)生的沉降小，上層導(dǎo)洞先行開(kāi)挖產(chǎn)生的累積沉降值在16.73 mm～18.30 mm，下層導(dǎo)洞先行開(kāi)挖產(chǎn)生的沉降在18.53 mm～22.42 mm。工況1—工況3(上層導(dǎo)洞先行開(kāi)挖)產(chǎn)生的累積沉降值較工況4—工況6產(chǎn)生的累積沉降值小，在車站主體完成時(shí)產(chǎn)生的累積沉降值最大為18.30 mm，而下層導(dǎo)洞先行開(kāi)挖的產(chǎn)生的累積沉降值，在車站主體施工完成時(shí)最大為22.42 mm，比工況2產(chǎn)生的累積沉降多了4.12 mm，接近占比22.51%。比工況3產(chǎn)生的累積沉降多了5.69 mm，接近占比34.0%。

②工況1較工況2在車站主體完成時(shí)產(chǎn)生的累積沉降差異不大，這是由于車站在扣拱完成時(shí)，已形成土體在框架結(jié)構(gòu)的“棚戶作用”下受擾動(dòng)較小，而主體結(jié)構(gòu)拱頂覆土埋深較淺(約12 m)，對(duì)土體的卸載回彈作用較為敏感，兩者相互影響，從而該階段的地面沉降較小。

1.4 各工況結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

考察車站中部結(jié)構(gòu)橫斷面，分析六種開(kāi)挖方案在導(dǎo)洞開(kāi)挖完成時(shí)初支結(jié)構(gòu)應(yīng)力以及整體施工完成時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力，各工況應(yīng)力云圖如圖10和圖11所示。

由圖10和圖11各工況導(dǎo)洞主應(yīng)力云圖可以看出，導(dǎo)洞開(kāi)挖施工完成時(shí)，導(dǎo)洞初支結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，受導(dǎo)洞土體卸載和初支混凝土澆筑的影響，導(dǎo)洞內(nèi)初支底部上表面出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)。下層導(dǎo)洞底部出現(xiàn)的拉應(yīng)力值較上層導(dǎo)洞初支結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力值大，在下層大導(dǎo)洞拱頂下表面也出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)。下層導(dǎo)洞中隔壁與初支結(jié)構(gòu)連接部位出現(xiàn)壓應(yīng)力集中區(qū)，導(dǎo)洞的拱腳以及導(dǎo)洞拱頂也出現(xiàn)壓應(yīng)力區(qū)。由表5知，各工況導(dǎo)洞初支結(jié)構(gòu)拉、壓應(yīng)力數(shù)值相差不大，說(shuō)明不同開(kāi)挖順序?qū)?dǎo)洞初支結(jié)構(gòu)最終受力影響較小。方案五導(dǎo)洞初支出現(xiàn)較大拉應(yīng)力值為1.38 MPa，導(dǎo)洞初支受到最大壓應(yīng)力為6.17 MPa，其余開(kāi)挖方案在導(dǎo)洞開(kāi)挖階段出現(xiàn)的拉壓應(yīng)力均小于導(dǎo)洞初支混凝土抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

各工況車站結(jié)構(gòu)主應(yīng)力云圖可以看出，車站主體結(jié)構(gòu)施工完成時(shí)，車站整體呈受壓狀態(tài)，且在冠梁與扣拱二襯接觸部位、中板與梁搭接處、中柱底部以及側(cè)墻與底板交接部位出現(xiàn)壓應(yīng)力集中區(qū)域。由于車站土體開(kāi)挖卸載，中柱和邊樁承受土層上部傳遞的荷載，車站底部隆起，在側(cè)墻與底板交接處出現(xiàn)的壓應(yīng)力最大，同時(shí)在車站底板上表面出現(xiàn)拉應(yīng)力集中區(qū)。通過(guò)對(duì)比表6中方案一—方案六車站結(jié)構(gòu)拉、壓應(yīng)力值，車站結(jié)構(gòu)受到最大拉應(yīng)力為2.54 MPa，車站結(jié)構(gòu)受到最大壓應(yīng)力為7.83 MPa，小于C35混凝土抗壓強(qiáng)設(shè)計(jì)值。開(kāi)挖順序?qū)?dǎo)洞初支壓應(yīng)力影響較明顯，車站結(jié)構(gòu)受導(dǎo)洞開(kāi)挖順序的影響并不大。

圖10 各工況最大主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

表5 各方案導(dǎo)洞初支主應(yīng)力值

圖11 各工況最小主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

表6 各方案車站結(jié)構(gòu)主應(yīng)力值

2 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)西安地鐵8號(hào)線某車站PBA工法小導(dǎo)洞開(kāi)挖施工方案的數(shù)值模擬研究，建立了ABAQUS有限元模型，確定了小導(dǎo)洞的最優(yōu)施工方案，并得到以下結(jié)論。

(1) 上層導(dǎo)洞先行開(kāi)挖引起的地表沉降小于先行開(kāi)挖下層導(dǎo)洞。這是由于先行開(kāi)挖下層導(dǎo)洞對(duì)上層土體產(chǎn)生了較大的擾動(dòng)，引發(fā)土體松弛，待開(kāi)挖的上層導(dǎo)洞處于擾動(dòng)區(qū)以內(nèi)，故產(chǎn)生了較大的地表和拱頂沉降。

(2) 在選擇先行開(kāi)挖上層導(dǎo)洞的情況下，選擇跳洞開(kāi)挖(先行開(kāi)挖上層1、3或2、4)產(chǎn)生的沉降要略小于先開(kāi)挖兩邊間或先開(kāi)挖中間導(dǎo)洞產(chǎn)生的沉降，這是由于中間導(dǎo)洞距離較近，在開(kāi)挖中間導(dǎo)洞時(shí)，周圍的土體擾動(dòng)較大，造成較大沉降。即工況3先開(kāi)挖上層導(dǎo)洞并錯(cuò)洞開(kāi)挖的方案為最優(yōu)方案。

(3) PBA工法施工的暗挖地鐵車站，在導(dǎo)洞開(kāi)挖階段與扣拱完成時(shí)累積的沉降量均在80%左右，這兩階段占比較大，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)導(dǎo)洞開(kāi)挖和扣拱施工的沉降監(jiān)測(cè)并控制沉降，及時(shí)反饋沉降變化?？茖W(xué)合理地安排導(dǎo)洞及扣拱開(kāi)挖順序是降低地表沉降的重點(diǎn)。

(4) 多導(dǎo)洞PBA工法施工，導(dǎo)洞開(kāi)挖順序?qū)Τ踔簯?yīng)力影響較明顯，車站結(jié)構(gòu)受導(dǎo)洞開(kāi)挖順序的影響并不大。同層導(dǎo)洞開(kāi)挖，方案一和方案二受到的拉、壓應(yīng)力較其他方案偏大，其余各工況車站最終應(yīng)力值均未超出混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。車站在前期施工時(shí)應(yīng)針對(duì)應(yīng)力集中的位置進(jìn)行必要的加固，減小拉、壓應(yīng)力，避免車站支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)超出混凝土抗拉、壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值情況發(fā)生。