朱鵬輝,汪 勇,關(guān)惠龍,李彬彬,余雅楠

(1.中鐵七局集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710082;2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院,陜西 西安 710055)

0 引言

洞樁法結(jié)合了蓋挖法與暗挖法的優(yōu)點(diǎn),能?chē)?yán)格控制地層變形,減小地表沉降量,并對(duì)上部結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的影響較小,因此廣泛應(yīng)用于城市地鐵車(chē)站的建設(shè)中[1]。地鐵車(chē)站在施工過(guò)程中不可避免地會(huì)引起地層變形,如周?chē)貙幼冃芜^(guò)大,則可能引起地下管線(xiàn)破壞或地下構(gòu)筑物變形,傳遞至地表后,則會(huì)引起地表不均勻沉降,從而影響地面周?chē)渌ㄖ?影響人們的生活和安全。因此,研究洞樁法施工過(guò)程中引起的變形特質(zhì),對(duì)控制施工地層沉降具有重大意義。

眾多學(xué)者利用數(shù)值模擬及實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分析研究了地鐵車(chē)站施工中影響地層變形的因素。王鐵男等[2]依托沈陽(yáng)某地鐵項(xiàng)目,研究了地鐵隧道開(kāi)挖過(guò)程中,超前小導(dǎo)管預(yù)注漿環(huán)向布置范圍的影響,通過(guò)數(shù)值模擬研究確定超前小導(dǎo)管合理的布置范圍。向?qū)毶降萚3]結(jié)合白馬隧道,基于三維數(shù)值計(jì)算方法,建立軟巖隧道掘進(jìn)計(jì)算模型,分析了超前小導(dǎo)管長(zhǎng)度、環(huán)向間距、注漿范圍等參數(shù)對(duì)地表沉降的影響。劉石等[4]以長(zhǎng)春市地鐵5號(hào)線(xiàn)人民廣場(chǎng)站為例,利用GTS NX軟件進(jìn)行隧道開(kāi)挖全過(guò)程地表沉降數(shù)值模擬分析,并對(duì)導(dǎo)洞開(kāi)挖步序進(jìn)行優(yōu)化。李家正等[5]依托北京17號(hào)線(xiàn)東大橋地鐵車(chē)站,運(yùn)用數(shù)值模擬的方法研究了開(kāi)挖方案對(duì)地表變形的影響,采用MIDAS結(jié)合正交設(shè)計(jì)和回歸分析研究采用對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖施工時(shí),開(kāi)挖順序、開(kāi)挖步距與地表變形的函數(shù)關(guān)系,最終得到最優(yōu)開(kāi)挖方案。羅華平等[6]依托鹽坪壩連拱隧道工程,利用有限元分析軟件FLAC3D對(duì)粉煤灰堆積地層中雙連拱隧道不同開(kāi)挖錯(cuò)距施工進(jìn)行數(shù)值模擬,研究5,10,15m不同開(kāi)挖錯(cuò)距對(duì)特殊地層隧道圍巖及結(jié)構(gòu)的影響。

雖然地鐵車(chē)站隧道及洞樁法方面的研究已有不少先例,但目前的相關(guān)研究鮮少涉及黃土地區(qū)富水厚砂層地質(zhì)條件,綜合分析小導(dǎo)管參數(shù)及導(dǎo)洞開(kāi)挖方面的影響也較少見(jiàn)。因此,本文主要依托西安市地鐵8號(hào)線(xiàn)豐禾路車(chē)站,利用GTS NX數(shù)值模擬軟件,系統(tǒng)模擬豐禾路站的導(dǎo)洞開(kāi)挖過(guò)程,綜合分析超前小導(dǎo)管加固范圍、開(kāi)挖錯(cuò)距、導(dǎo)洞開(kāi)挖順序?qū)Φ乇沓两档挠绊?并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地表沉降的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),驗(yàn)證了施工方案的高效益及合理性,以期為同類(lèi)工程的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 工程概況

1.1 車(chē)站情況

西安地鐵8號(hào)線(xiàn)豐禾路站主體段主要位于西二環(huán)大興立交與開(kāi)遠(yuǎn)門(mén)立交兩座高架快速干道之間的地面平交段,車(chē)站地面交通繁忙,車(chē)流量大,車(chē)速高;車(chē)站周邊鄰近家屬樓、寫(xiě)字樓等重要建筑物;站址周邊地下管線(xiàn)眾多,包含給排水管、雨水管和燃?xì)夤艿?綜合考慮,車(chē)站采用洞樁法施工。豐禾路站平面如圖1所示。對(duì)于本車(chē)站來(lái)講,與其他黃土地區(qū)車(chē)站不同的是,導(dǎo)洞拱頂上部含有約2.5m厚的砂層,采用三導(dǎo)洞施工,地表沉降和拱頂沉降是研究重點(diǎn)。

圖1 豐禾路站平面

豐禾路站主體采用地下2層單柱雙跨結(jié)構(gòu)形式,12.0m島式站臺(tái),采用三導(dǎo)洞施工;車(chē)站全長(zhǎng)237.2m,標(biāo)準(zhǔn)段寬21.3m。設(shè)置3座豎井及橫通道為車(chē)站3座導(dǎo)洞及扣拱提供工作面。導(dǎo)洞內(nèi)凈寬4m×5m,埋深9.4～10.2m,采用臺(tái)階法施工。車(chē)站施工斷面如圖2所示。

圖2 車(chē)站施工斷面(單位:m)

1.2 地層變形階段分析

豐禾路站洞樁法施工小導(dǎo)洞及扣拱拱頂均位于砂層中,中樁穿越7～8m厚砂層;且地下水位高,車(chē)站主體位置地下水穩(wěn)定水位為10.700～13.100m。洞樁法修建地鐵車(chē)站需在無(wú)水環(huán)境下作業(yè),而地下水處理難度大、風(fēng)險(xiǎn)高,如何有效消除地下水帶來(lái)的安全隱患是洞樁法施工重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

相關(guān)研究表明:施工前期降水、導(dǎo)洞施工階段和扣拱施工階段是引起地表、地層發(fā)生沉降的主要階段。

在施工前期降水階段,采用地面管井降水方案,輔以明排水、止水措施,同時(shí)對(duì)降水區(qū)域附近建筑物、鄰近管道、地表及內(nèi)部構(gòu)件沉降進(jìn)行實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè),通過(guò)分析處理沉降觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)降水后地下水位及單個(gè)管井出水量總體穩(wěn)定,驗(yàn)證了管井降水的合理性。

在扣拱施工階段,采用上下臺(tái)階法施工,其開(kāi)挖、支護(hù)須嚴(yán)格遵循“21字原則”,即“先降水、管超前、嚴(yán)注漿、短開(kāi)挖、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”。采用超前支護(hù)、較強(qiáng)的初期支護(hù)等措施來(lái)控制地表沉降,確保地面建筑物和地下管線(xiàn)的安全。

在導(dǎo)洞施工階段,超前小導(dǎo)管加固范圍、開(kāi)挖錯(cuò)距、導(dǎo)洞開(kāi)挖順序都會(huì)對(duì)地層沉降產(chǎn)生一定的影響,本文依托豐禾路地鐵車(chē)站,模擬導(dǎo)洞施工階段3種因素對(duì)地層沉降的影響,驗(yàn)證了實(shí)際施工過(guò)程中選擇導(dǎo)洞施工方案的合理性,最大限度地減小了地層的沉降。

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 隧道模型及邊界設(shè)置

以豐禾路地鐵車(chē)站為計(jì)算對(duì)象,利用MIDAS軟件建立三維有限單元計(jì)算模型,如圖3所示。車(chē)站采用臺(tái)階法施工,巖體采用莫爾-庫(kù)倫(Mohr-Coulomb)本構(gòu)模型,開(kāi)挖采用Null模型,圍巖注漿加固土采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。

圖3 網(wǎng)格劃分示意(單位:m)

取x方向?yàn)闄M向128m,y方向?yàn)榭v向30m,z方向?yàn)樨Q向64.9m。采用固定邊界條件,左右兩端邊界為水平方向固定約束邊界,底部采用固定約束,地表為自由邊界,施加等效荷載。

導(dǎo)洞如圖4所示,注漿加固模型及初支模型如圖5,6所示。

圖4 導(dǎo)洞示意

圖5 注漿加固模型

圖6 初支模型

2.2 地層基本參數(shù)分析

豐禾路站位于西二環(huán)與豐禾路十字南側(cè),地勢(shì)南高北低,地面高程為394.550～395.600m,屬皂河Ⅰ級(jí)階地。場(chǎng)地地層組成自上而下為:第四系全新統(tǒng)①1雜填土,①2素填土,②1-1黃土狀土(具有濕陷性,為Ⅰ級(jí)非自重濕陷性黃土場(chǎng)地),②2粉質(zhì)黏土;上更新統(tǒng)②5-2及②5-3中砂,③4粉質(zhì)黏土,③7-3中砂;中更新統(tǒng)④4及④4-1粉質(zhì)黏土,④7-3中砂。根據(jù)場(chǎng)地地層巖性特征和地下水位埋深,綜合考慮將導(dǎo)洞圍巖劃分為Ⅵ級(jí)。巖土參數(shù)情況如表1所示。

表1 地層巖土參數(shù)

2.3 工況設(shè)置

本文利用數(shù)值模擬分析影響黃土地區(qū)富水砂層洞樁法地鐵車(chē)站地表沉降的3種因素:超前小導(dǎo)管加固范圍、開(kāi)挖錯(cuò)距、導(dǎo)洞開(kāi)挖順序,工況設(shè)置如表2所示。

表2 工況設(shè)置

1)研究超前小導(dǎo)管加固范圍對(duì)地表變形的影響時(shí),加固范圍分別考慮1.0,1.5,2.0m 3個(gè)工況,開(kāi)挖錯(cuò)距按10m考慮,導(dǎo)洞施工工序?yàn)橄冗吅笾?即先施工左導(dǎo)洞,然后施工右導(dǎo)洞,最后施工中導(dǎo)洞,按照左-右-中的順序施工。

2)研究開(kāi)挖錯(cuò)距對(duì)地表變形的影響時(shí),分別考慮6,10,14m 3個(gè)工況,超前小導(dǎo)管加固范圍為1.5m,導(dǎo)洞開(kāi)挖也按左-右-中的順序施工。

3)研究導(dǎo)洞開(kāi)挖順序?qū)Φ乇沓两档挠绊憰r(shí),分別考慮左-右-中,右-左-中,中-左-右,中-右-左4種工況,超前小導(dǎo)管加固范圍為1.5m,開(kāi)挖錯(cuò)距為10m。

3 結(jié)果分析

3.1 超前小導(dǎo)管加固范圍對(duì)地層沉降的影響

豐禾路地鐵車(chē)站拱頂存在富水厚砂層,而富水砂層結(jié)構(gòu)松散、自穩(wěn)性差,在施工過(guò)程中極易被擾動(dòng)甚至可能出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象,嚴(yán)重影響地鐵車(chē)站建造質(zhì)量和施工安全。因此,需在導(dǎo)洞施工前對(duì)一定范圍的土體進(jìn)行注漿,通過(guò)超前支護(hù)加固土體,減小地層沉降。在實(shí)際施工過(guò)程中,超前注漿加固能有效減小地層沉降,但成本較高,為達(dá)到良好的經(jīng)濟(jì)效益,需提前確定最適宜的注漿范圍[7]。

按表2設(shè)置導(dǎo)洞開(kāi)挖錯(cuò)距為10m,開(kāi)挖順序?yàn)樽?右-中,超前小導(dǎo)管的加固范圍分別設(shè)置為1.0,1.5,2.0m。結(jié)果如圖7～9所示。

圖7 不同加固深度下的地表沉降

由圖8可知,加固范圍對(duì)該地區(qū)地鐵車(chē)站施工有一定的影響,加固范圍為1.0m時(shí)引起的地表沉降最大,值為14.96mm;加固范圍為1.5m時(shí)引起的地表沉降次之,值為14.32mm;加固范圍為2.0m時(shí)引起的地表沉降最小,值為13.84mm。

圖8 不同加固范圍下的地表沉降曲線(xiàn)

由圖9可知,在加固范圍為1.0m時(shí),拱頂沉降較大,加固范圍為1.5,2.0m時(shí),兩者的拱頂沉降值十分接近,注漿加固范圍為2.0m時(shí)的加固效果最好,但隨著注漿加固范圍的增大,施工所需成本也會(huì)增加,并隨著地層間的相互擠壓作用,產(chǎn)生的地表隆起值也會(huì)增大。因此,綜合考慮,在豐禾路地鐵車(chē)站實(shí)際施工過(guò)程中的加固范圍選擇1.5m。

圖9 不同加固范圍下的拱頂沉降曲線(xiàn)

3.2 開(kāi)挖錯(cuò)距對(duì)地層沉降的影響

在導(dǎo)洞開(kāi)挖施工過(guò)程中,開(kāi)挖錯(cuò)距是決定施工進(jìn)度及施工安全性的一項(xiàng)重要因素。當(dāng)開(kāi)挖錯(cuò)距較小時(shí),會(huì)使施工速度變慢,進(jìn)而延長(zhǎng)工期;當(dāng)開(kāi)挖錯(cuò)距較大時(shí),開(kāi)挖后的圍巖會(huì)變形,甚至出現(xiàn)塌方[8]。因此,確定合理的開(kāi)挖錯(cuò)距,使施工進(jìn)度和施工安全達(dá)到相對(duì)平衡的狀態(tài),在實(shí)際施工過(guò)程中有重要意義。

本文設(shè)置超前小導(dǎo)管的加固范圍為1.5m,按左-右-中的導(dǎo)洞開(kāi)挖順序進(jìn)行施工,開(kāi)挖錯(cuò)距分別設(shè)置為6,10,14m,模擬結(jié)果如圖10～12所示。

圖10 不同開(kāi)挖錯(cuò)距下的地表沉降

由圖11可知,距導(dǎo)洞中心距離越近,地表沉降值越大;開(kāi)挖錯(cuò)距為14m時(shí)引起的導(dǎo)洞中心地表沉降最大,值為14.42mm;開(kāi)挖錯(cuò)距為10m時(shí)引起的地表沉降次之,值為14.33mm;開(kāi)挖錯(cuò)距為6m時(shí)引起的地表沉降最小,值為14.26mm。曲線(xiàn)呈單峰形,在導(dǎo)洞中心位置處產(chǎn)生的地表沉降最大,三者曲線(xiàn)較接近,地表沉降差異不大,因此,開(kāi)挖錯(cuò)距對(duì)該地區(qū)地層沉降的影響不大。

圖11 不同開(kāi)挖錯(cuò)距下的地表沉降曲線(xiàn)

圖12 不同開(kāi)挖錯(cuò)距下的拱頂沉降曲線(xiàn)

同時(shí),洞樁法在施工過(guò)程中,由于多導(dǎo)洞開(kāi)挖,會(huì)出現(xiàn)“群洞效應(yīng)”[9],通過(guò)增加開(kāi)挖錯(cuò)距可減弱多導(dǎo)洞開(kāi)挖引起的地層擾動(dòng)疊加效應(yīng)。但在實(shí)際工程中,開(kāi)挖錯(cuò)距增大會(huì)使先開(kāi)挖導(dǎo)洞承受更大的荷載,使其處于不利地位[10]。因此,實(shí)際施工中的開(kāi)挖步距不應(yīng)過(guò)大。

由圖11,12可知,開(kāi)挖錯(cuò)距為6,10,14m時(shí),導(dǎo)洞地表的沉降值基本一致,沉降值的差距為0.1mm,而拱頂沉降隨導(dǎo)洞開(kāi)挖步距的增大而增大,綜合考慮其施工效率以及“群洞效應(yīng)”,本工程實(shí)際施工中選擇最合適的開(kāi)挖步距為10m。

3.3 導(dǎo)洞開(kāi)挖順序?qū)Φ貙映两档挠绊?/h3>

在地鐵車(chē)站施工過(guò)程中,導(dǎo)洞開(kāi)挖會(huì)引起地層沉降,產(chǎn)生拱頂變形,且不同導(dǎo)洞開(kāi)挖對(duì)于地層的擾動(dòng)會(huì)形成疊加效果,從而產(chǎn)生“群洞效應(yīng)”。先開(kāi)挖邊導(dǎo)洞、再開(kāi)挖中導(dǎo)洞,或先開(kāi)挖中導(dǎo)洞、再開(kāi)挖邊導(dǎo)洞所產(chǎn)生的地層沉降也有差異。施工過(guò)程中,不同的導(dǎo)洞施工順序影響圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特征變化過(guò)程[11],因此,以導(dǎo)洞開(kāi)挖順序?yàn)榉治鰧?duì)象,對(duì)研究地層沉降影響因素有重要意義。

設(shè)置超前小導(dǎo)管的加固范圍為1.5m,開(kāi)挖錯(cuò)距為10m,導(dǎo)洞開(kāi)挖順序設(shè)置4組:左-右-中、右-左-中、中-左-右、中-右-左。模擬結(jié)果如圖13～15所示。

圖13 不同開(kāi)挖順序下的地表沉降

由圖14可知,導(dǎo)洞開(kāi)挖引起的地表沉降槽呈單峰分布,產(chǎn)生地表最大沉降的開(kāi)挖順序依次為:中-右-左(14.42mm)>中-左-右(14.35mm)>左-右-中(13.27mm)>右-左-中(13.29mm),先開(kāi)挖兩邊導(dǎo)洞再開(kāi)挖中間導(dǎo)洞比先開(kāi)挖中間導(dǎo)洞再開(kāi)挖兩邊導(dǎo)洞引起的地表沉降小。開(kāi)挖順序?qū)Φ乇沓两涤绊戄^大,選擇先邊洞后中洞的開(kāi)挖順序最合適[12]。

圖14 不同開(kāi)挖順序下的地表沉降曲線(xiàn)

由圖15可知,先邊后中的開(kāi)挖順序引起的沉降值更小。因此,該項(xiàng)目在施工過(guò)程中選擇先開(kāi)挖邊導(dǎo)洞,再開(kāi)挖中間導(dǎo)洞的施工順序是合理的。

圖15 不同開(kāi)挖順序下的拱頂沉降曲線(xiàn)

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用數(shù)值模擬軟件,依托豐禾路地鐵車(chē)站項(xiàng)目,對(duì)于黃土地區(qū)富水砂層洞樁法地鐵車(chē)站的地層沉降進(jìn)行了影響因素的敏感性分析。

1)加固范圍對(duì)黃土地區(qū)富水厚砂層地鐵車(chē)站地表沉降及拱頂沉降影響較大,隨著加固范圍的增大,地層沉降逐漸減小,但考慮到經(jīng)濟(jì)效益,加固范圍存在最優(yōu)解,故在實(shí)際施工中選擇加固范圍為1.5m。

2)導(dǎo)洞開(kāi)挖順序?qū)υ擖S土地區(qū)富水厚砂層地鐵車(chē)站地表沉降及拱頂沉降有一定影響,先開(kāi)挖中間導(dǎo)洞或者先開(kāi)挖兩邊導(dǎo)洞所引起的地表沉降產(chǎn)生明顯差異,先開(kāi)挖邊導(dǎo)洞再開(kāi)挖中間導(dǎo)洞產(chǎn)生的地表沉降及拱頂沉降更小。因此,在實(shí)際施工中選擇先邊后中的導(dǎo)洞開(kāi)挖順序。

3)導(dǎo)洞的開(kāi)挖錯(cuò)距對(duì)該黃土地區(qū)富水厚砂層地鐵車(chē)站地表沉降及拱頂沉降影響不大,隨著開(kāi)挖錯(cuò)距的增大,地層沉降逐漸增大,但變化程度較小。綜合考慮,在實(shí)際施工中選擇開(kāi)挖錯(cuò)距為10m。