鄭選榮 楊 輝 商學(xué)旋 王少雄 姚寒涓 雷 奇 楊 康

(1.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院, 710054, 西安; 2.陜西建工集團(tuán)股份有限公司, 710003, 西安)

洞樁法是一種基于淺埋暗挖法的施工思想,符合對(duì)地層的適用范圍及控制變形要求,適用于城市軌道交通車站的新型的暗挖施工方法[1-2]。其主要流程為施工導(dǎo)洞、邊樁、中柱、冠梁、扣拱等框架結(jié)構(gòu),形成樁-梁-拱的共同受力支撐體系,在此基礎(chǔ)上逐步開挖車站內(nèi)部土體,最后施作邊墻和二次襯砌等結(jié)構(gòu)。在整個(gè)車站結(jié)構(gòu)體系中,邊樁和中柱是重要的豎向與側(cè)向承力結(jié)構(gòu),尤其是扣拱傳遞的斜向樁頂荷載以及樁側(cè)水平土壓力對(duì)邊樁受力極為不利;而中柱主要承受邊跨和中跨扣拱傳遞的不平衡推力,其頂部易發(fā)生較大的水平位移。目前已有部分學(xué)者對(duì)洞樁法車站邊樁與中柱的受力和變形展開了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[3]以新疆地鐵1號(hào)線為工程背景,通過數(shù)值模擬的方法,對(duì)邊樁、中柱的主應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[4]通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測(cè)的方法得出了洞樁逆作法在不同施工工序下的地面沉降和邊樁軸力的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[5]通過現(xiàn)場監(jiān)測(cè)的方法對(duì)黏質(zhì)粉土等交互地層的邊樁內(nèi)力進(jìn)行了分析,總結(jié)得到單層洞樁法施工過程中邊樁的混凝土應(yīng)變與樁頂壓力的變化規(guī)律。

本文以西安黃土地區(qū)地鐵車站——何家營站洞樁法施工為研究背景,通過現(xiàn)場監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬的方法對(duì)黃土地區(qū)不同施工階段下邊樁的水平位移、水平土壓力、鋼筋內(nèi)力,以及中柱的受力變形機(jī)理進(jìn)行了分析,為黃土地區(qū)地鐵車站洞樁法理論研究和施工提供參考。

1 工程概況

何家營站沿南長安街南北設(shè)置,整個(gè)車站采用三跨雙柱地下兩層現(xiàn)澆直墻三連拱結(jié)構(gòu)。車站的標(biāo)準(zhǔn)段寬度為21.9 m,高度為16.5 m,長度為230.3 m。車站采用PBA(洞樁逆作)法施工,其中導(dǎo)洞采用“上4+下2”導(dǎo)洞法:上導(dǎo)洞采用臺(tái)階法施工,開挖寬度為4 m,開挖高度為5 m;下導(dǎo)洞采用CD(中隔墻)法施工,開挖寬度為11.4 m,開挖高度為6 m。車站主體結(jié)構(gòu)拱部埋深為13.3～24.8 m,車站邊樁結(jié)構(gòu)采用φ1 000 mm、間距1 400 mm的鉆孔灌注樁結(jié)構(gòu),樁長為10.75 m;鋼管柱直徑為 1 000 mm,間距為6 500 mm,長度為10.95 m。車站地層主要由人工素填土、3-1-1新黃土、3-2古土壤、4-1-1老黃土、4-2-1古土壤、4-2-2古土壤和4-1-2老黃土組成,其中整個(gè)車站穿越的主要土層為古土壤與老黃土層。

2 洞樁法車站數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值計(jì)算假定條件

1) 假定模型中各個(gè)土層是平整的,其厚度根據(jù)現(xiàn)場各土層的平均厚度確定。

2) 根據(jù)現(xiàn)場施工環(huán)境,不考慮地下水的作用。

3) 模型中的荷載僅考慮土體自重和地面超載。

4) 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)為線彈性材料。

5) 預(yù)注漿后進(jìn)行土體開挖,并同步完成支護(hù)。

2.2 模型建立及邊界條件

本文采用PLAXIS有限元軟件對(duì)何家營站施工階段進(jìn)行數(shù)值模擬分析。該車站覆土層厚度選取最大值,車站的整體高度為16.5 m,整體寬度為21.9 m。模型邊界到車站中心線的距離取3～5倍的洞徑,即模型的總高度取值為60 m(Z軸),模型的寬度取值為160 m(X軸),同時(shí)考慮到導(dǎo)洞錯(cuò)步開挖步距,車站的縱向長度取值為30 m(Y軸)。對(duì)模型施加邊界條件時(shí),底部設(shè)為固定約束,四周設(shè)為法向約束,模型地面無約束。何家營站有限元計(jì)算模型如圖1所示。

a) 車站-土層有限元模型

b) 車站主體結(jié)構(gòu)

2.3 計(jì)算參數(shù)

模型中土體采用3D實(shí)體單元摩爾-庫倫材料進(jìn)行模擬,初襯扣拱采用板單元進(jìn)行模擬,二襯、冠梁及圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元模擬。各土層土體參數(shù)通過勘察報(bào)告,并結(jié)合西安地區(qū)典型黃土地層數(shù)值分析的相關(guān)文獻(xiàn)綜合確定[6-8]。模型中土層物理力學(xué)參數(shù)和車站支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1—表2。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 洞樁法施工監(jiān)測(cè)方案

本文主要針對(duì)黃土地區(qū)洞樁法車站的地面沉降規(guī)律、邊樁的水平位移、樁側(cè)土壓力、鋼筋軸力,以及中柱的應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。主要監(jiān)測(cè)斷面和測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。對(duì)第3監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行地面沉降分析。第3監(jiān)測(cè)斷面距離2號(hào)豎井約27.5 m,該斷面上總共布置30個(gè)測(cè)點(diǎn)。以靠近豎井和橫通道的邊樁66與中柱Z5、Z6為最不利位置進(jìn)行受力與變形分析。邊樁儀器安裝示意如圖3所示。沿著邊樁的埋深方向每隔2.2 m分別在其迎土側(cè)和背土側(cè)的主筋上焊接鋼筋計(jì);沿著邊樁的埋深方向在迎土側(cè)每隔2.2 m在樁土接觸表面安裝土壓力計(jì);應(yīng)變計(jì)安裝在中柱的底端,安裝方向和鋼筋計(jì)安裝方向一致。監(jiān)測(cè)不同施工工況下邊樁的鋼筋軸力、水平土壓力及中柱的應(yīng)變變化規(guī)律。

注:Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6為中柱;66、86、186、202為邊樁。

圖3 邊樁儀器安裝示意圖

4 數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

4.1 地面沉降結(jié)果分析

由于整個(gè)車站的現(xiàn)場施工尚未完成,因此本文根據(jù)現(xiàn)場施工監(jiān)測(cè)情況,整理導(dǎo)洞和中板施作完成后的地面沉降累計(jì)數(shù)據(jù),并繪制地面沉降監(jiān)測(cè)曲線。圖4顯示了通過地面Y=15 m和Z=60 m的測(cè)點(diǎn)處所形成的地面沉降曲線。

圖4 地面沉降-距車站中軸線的距離曲線

由圖4可見:模型的地面沉降主要發(fā)生在距車站中軸線40 m范圍內(nèi),且在車站中線位置處地面沉降值達(dá)到最大;在導(dǎo)洞和中板施作完成后,地面沉降的監(jiān)測(cè)值分別為46.8 mm和56 mm,地面沉降的模擬值分別為40.2 mm和52.0 mm,其模擬值與監(jiān)測(cè)值誤差較小,分別為14.10%和7.14%。因此,采用該模型研究黃土地區(qū)洞樁法車站的邊樁和中柱的變形規(guī)律是可行的。

4.2 邊樁水平位移分析

邊樁作為洞樁法車站框架受力的主要圍護(hù)結(jié)構(gòu),在施工過程中樁-柱-梁的受力轉(zhuǎn)換頻繁,因此,本文采用數(shù)值模擬方法對(duì)邊樁最不利受力工況下的水平位移進(jìn)行分析。邊樁水平位移-埋深關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 邊樁水平位移-埋深關(guān)系曲線

當(dāng)樁梁施作完成后,樁身內(nèi)外側(cè)并無土方作業(yè),在該階段邊樁并無明顯的水平變形。在扣拱施工完成后,整個(gè)車站結(jié)構(gòu)的受力體系發(fā)生了轉(zhuǎn)變,其上覆土壓力逐漸由扣拱全部承擔(dān)并傳遞至邊樁,使邊樁樁頂水平位移達(dá)到了最大值-3.46 mm。盡管樁身內(nèi)外側(cè)并無土壓力差值,但由于在導(dǎo)洞和扣拱開挖的過程中一直存在臨空面,長時(shí)間的空間臨空以及時(shí)間的積累效應(yīng)使土體發(fā)生變形剝落[9],使其在邊樁下部3～9 m范圍內(nèi)仍發(fā)生了較小的撓曲變形。邊樁在扣拱施作階段的受力分析如圖6 a)所示。隨著站廳層土方的開挖,既有地層應(yīng)力的平衡狀態(tài)再次被打破。受擾動(dòng)地層在其新的受力平衡過程中,帶動(dòng)附近受擾動(dòng)地層向車站中軸線移動(dòng),同時(shí)在扣拱斜向荷載的作用下,使得距離樁頂4.15 m范圍內(nèi)的最大水平位移達(dá)到1.94 mm。邊樁在中板施作階段的受力分析如圖6 b)所示。站臺(tái)層土體在開挖過程中,中板以上的邊樁水平位移變化不大,這是由于中板的施作對(duì)邊樁的水平撓曲變形具有抑制作用,但中板以下2 m位置處在較大的內(nèi)外側(cè)土壓力差的作用下產(chǎn)生了2.32 mm的水平位移。邊樁在中板施作階段的受力分析如圖6 c)所示。由此可見,在以上3種工況下邊樁變形最為不利,應(yīng)及時(shí)監(jiān)測(cè)邊樁的水平位移變化,以便采取相應(yīng)措施。

a) 扣拱施作階段

b) 中板施作階段

c) 底板施作階段

4.3 邊樁鋼筋軸力分析

歸納整理測(cè)點(diǎn)的鋼筋軸力數(shù)據(jù),并繪制鋼筋軸力時(shí)程曲線,如圖7所示。

圖7 邊樁鋼筋軸力時(shí)程曲線

在邊樁冠梁施作的過程中,邊樁迎土側(cè)和背土側(cè)的鋼筋以受壓為主,其最大壓力達(dá)到14.1 kN。隨著扣拱初期支護(hù)的施工,距離樁頂3 m范圍內(nèi)的鋼筋內(nèi)力迅速增加,邊樁的其余部位內(nèi)外側(cè)鋼筋壓力逐漸趨于穩(wěn)定,究其原因是扣拱施工中,邊樁兩側(cè)土體對(duì)其水平位移起到了約束作用。導(dǎo)洞初期支護(hù)鑿除后,車站結(jié)構(gòu)的受力體系發(fā)生了轉(zhuǎn)化,原先由導(dǎo)洞初期支護(hù)承擔(dān)的荷載全部由扣拱的初期支護(hù)承擔(dān),使得邊樁在扣拱斜向荷載的作用下產(chǎn)生了偏向車站內(nèi)側(cè)的位移,從而導(dǎo)致鋼筋的軸向壓力增長速率加快。此時(shí)距樁頂2 m范圍內(nèi),迎土側(cè)鋼筋的軸向壓力增加了4.6 kN,背土側(cè)鋼筋的軸向壓力減少了1.9 kN。隨著扣拱二次襯砌的施作,邊樁鋼筋的軸力增長速率逐漸減緩,且在邊樁背土側(cè)約2 m的范圍內(nèi)鋼筋出現(xiàn)了軸向拉力。當(dāng)站廳層土方進(jìn)行開挖時(shí),邊樁背土側(cè)的約束與側(cè)摩阻力逐漸消失,背土側(cè)的鋼筋軸力呈現(xiàn)全部受拉的狀態(tài),而迎土側(cè)的鋼筋軸力呈現(xiàn)全部受壓的狀態(tài),且隨著深度的增加,背土側(cè)與迎土側(cè)鋼筋的拉、壓力增長趨勢(shì)逐漸減緩。

4.4 邊樁水平土壓力分析

在不同的施工工序下,歸納整理測(cè)點(diǎn)的土壓力數(shù)據(jù),繪制不同工況下邊樁66測(cè)點(diǎn)的土壓力時(shí)程曲線,如圖8所示。

圖8 邊樁66測(cè)點(diǎn)土壓力時(shí)程曲線

在邊樁和冠梁的施作過程中,隨著導(dǎo)洞開挖過程中應(yīng)力的充分釋放,使得埋設(shè)的土壓力盒與土體充分接觸,水平土壓力增長速率加快,其值達(dá)到26.8 kPa。扣拱的初期支護(hù)施作中,邊樁水平土壓力進(jìn)一步增大,究其原因是在施工扣拱的過程中,產(chǎn)生了斜向荷載,使得邊樁受到水平推力,由于樁與土的相互擠壓作用,使得樁周土的土壓力增大,當(dāng)扣拱開挖產(chǎn)生一定的步距后,對(duì)邊樁的土體擾動(dòng)逐漸減小,在該階段樁周土體處于穩(wěn)定狀態(tài),此時(shí)土壓力在邊樁埋深6.6 m處達(dá)到最大值34.5 kPa。導(dǎo)洞初期支護(hù)鑿除后,車站結(jié)構(gòu)的受力體系發(fā)生轉(zhuǎn)變,邊跨扣拱不斷向圍護(hù)樁傳遞荷載,造成圍護(hù)樁周圍土體應(yīng)力重新分布,使邊樁周圍水平土壓力呈減小趨勢(shì)。扣拱二次襯砌的施工對(duì)土體的擾動(dòng)較小,同時(shí)黃土由于自身結(jié)構(gòu)的自穩(wěn)性,使得作用在邊樁的土壓力逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)站廳層土方開挖時(shí),邊樁背土側(cè)的土體逐漸消失,使得樁體兩側(cè)產(chǎn)生較大的壓力差,造成邊樁迎土側(cè)的土壓力隨著施工的進(jìn)行呈現(xiàn)增長的趨勢(shì),且邊樁埋置深度越大,水平土壓力增長速率越快。

4.5 中柱應(yīng)變分析

整理中柱的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),繪制中柱Z5、Z6的應(yīng)變時(shí)程曲線,如圖9所示。

圖9 中柱Z5、Z6應(yīng)變時(shí)程曲線

隨著頂縱梁的施作,上部的荷載通過頂縱梁傳遞給中柱,同時(shí)導(dǎo)洞開挖形成大幅度的空間臨空面,引起地層發(fā)生不均勻的變形,從而導(dǎo)致中柱的應(yīng)變急劇增加。對(duì)中跨扣拱下方土體進(jìn)行開挖時(shí),中跨扣拱的施工使得中柱不僅要間接承受豎向的土壓力,同時(shí)還需承受拱腳較大的水平推力和地層產(chǎn)生的水平土壓力,導(dǎo)致中柱的應(yīng)變呈現(xiàn)先減小、后增大的趨勢(shì)。而對(duì)于兩邊跨初期支護(hù)扣拱下方土體開挖時(shí),由于邊跨扣拱開挖過程需同步進(jìn)行,可以很好地平衡中跨扣拱拱腳兩側(cè)的部分水平推力,使得中柱應(yīng)變呈減小趨勢(shì)。隨著二次襯砌扣拱的施作,中柱兩側(cè)的拉壓應(yīng)變逐漸趨于穩(wěn)定,這是由于中柱頂部已施作的二次襯砌結(jié)構(gòu)可作為1道水平支撐結(jié)構(gòu),對(duì)中柱的水平向位移進(jìn)行限制,使中柱不會(huì)產(chǎn)生較大的變形,確保整個(gè)車站結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定和安全。

5 結(jié)語

1) 針對(duì)邊樁變形控制較高的黃土地區(qū)地鐵車站洞樁法工程,扣拱、站廳層及站臺(tái)層的施工是控制邊樁水平變形的關(guān)鍵階段。在以上關(guān)鍵階段施工時(shí),應(yīng)在車站結(jié)構(gòu)內(nèi)部架設(shè)鋼支撐,并適當(dāng)加固已擾動(dòng)的地層來減小邊樁的水平變形。

2) 在樁梁和扣拱施作的過程中,邊樁鋼筋主要承受軸向壓力的作用。而在后續(xù)施工階段,迎土側(cè)的鋼筋主要承受壓力,背土側(cè)的鋼筋由軸向壓力逐漸轉(zhuǎn)化為軸向拉力,且隨著施工的進(jìn)行鋼筋的拉壓力增長趨勢(shì)逐漸減緩。在施工中通過在圍護(hù)樁位置焊接橫向連接鋼筋,使由單樁所承受的荷載需通過橫向連接由兩側(cè)樁體共同承擔(dān),從而顯著減少樁體兩側(cè)鋼筋的受力和變形。

3) 在扣拱初期支護(hù)施作的過程中,導(dǎo)洞初期支護(hù)的鑿除會(huì)使圍護(hù)樁周圍土體應(yīng)力重分布,使邊樁水平土壓力呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。站廳層土方開挖到中板施工完成階段,隨著圍護(hù)樁埋置深度的增大,邊樁的水平土壓力增長速率越快。因此,車站內(nèi)側(cè)的土方開挖是控制邊樁迎土側(cè)土壓力大小的關(guān)鍵階段,必要時(shí)應(yīng)對(duì)樁后土體進(jìn)行注漿加固,有利于提高樁基的承載力。

4) 中跨初期支護(hù)扣拱的施工使得中柱受力較為復(fù)雜,導(dǎo)致中柱的應(yīng)變呈現(xiàn)出先減小、后增大的趨勢(shì)。兩邊跨初期支護(hù)扣拱和二次襯砌扣拱的施工則會(huì)對(duì)中柱的水平變形進(jìn)行限制,使中柱兩側(cè)的拉壓應(yīng)變逐漸減小最終趨于穩(wěn)定。因此在中跨扣拱土體開挖完成后,充分對(duì)拱后土體回填注漿,對(duì)提高圍巖的穩(wěn)定性和減小中柱的變形具有顯著作用。