砂质黄土地下车站分幅施工变形规律研究

陈志敏， 蔺鹏臻， 冯亚松

(1. 兰州交通大学甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室， 甘肃 兰州 730070；2. 兰州交通大学道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室，甘肃 兰州 730070； 3. 东南大学岩土工程研究所， 江苏 南京 210096)

砂质黄土地下车站分幅施工变形规律研究

陈志敏1, 2， 蔺鹏臻1, 2， 冯亚松3

(1. 兰州交通大学甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室， 甘肃 兰州 730070；2. 兰州交通大学道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室，甘肃 兰州 730070； 3. 东南大学岩土工程研究所， 江苏 南京 210096)

目前尚无地下车站主体结构分幅施工的先例，也没有此种情况下明确的不均匀沉降控制标准。兰州中川机场地下车站采取主体结构分幅施工，通过调研相关规范与文献，制定该地下车站不均匀沉降控制标准。采用FLAC3D软件，分析不考虑结构顶部回填土和考虑结构顶部回填土2类共7种工况下的地基不均匀沉降变形潜势及车站结构受力情况。结果表明： 兰州中川机场地下车站变形潜势可分为安全、单指标预警、双指标预警、临界(一指标达到即可)、超限(一指标达到即可)等5个级别； 对不均匀沉降而言，设后浇带左右半幅施工在施工期和长期均有利。对结构受力而言，设后浇带左右半幅施工在施工期有利，但对长期受力不利，推荐采用不设后浇带左右半幅施工方案； 砂质黄土条件下地下车站主体结构不同施工工况变形潜势差异明显，左右半幅2种工况分别出现双指标预警和单指标预警的变形潜势等级。

砂质黄土； 地下车站； 分幅施工； 不均匀沉降； 控制标准

0 引言

在黄土地区进行地下工程建设时，对地基沉降和主体结构变形要求较高；但由于砂质黄土具有结构疏松、节理和孔隙发育等特性，使得地基基础容易产生不均匀沉降,目前国内外关于地基、基础不均匀沉降的研究，多集中在不均匀沉降预测、原因和机制分析、沉降计算理论及处理措施等方面。在预测方面，通常是利用经验公式，复杂情况下结合模糊数学、神经网络等方法[1]； 关于最终沉降的计算方法，现行GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》[2]采用半理论半经验的修正分层总和法进行计算，但因地层土性和结构荷载等因素复杂多变，按照规范进行沉降计算的结果往往与真实情况有较大出入； 文献[3]通过分析沉降计算方法和研究进展，指出沉降计算是地基基础工程中的3大难题之一； 文献[4]对黄土地区施工时常出现的工程问题进行总结，结合大同至西安客运专线黄土的地貌、分布等特征及黄土的物理力学性质进行分析，并提出相应控制措施； 文献[5-7]深入分析了黄土地区建筑物沉降机制及处理措施； 文献[8-9]对湿陷性黄土地区地下工程建设进行了全面的研究； 文献[10-12]探讨了黄土地区重大工程中的不均匀沉降问题及其处理措施。但目前尚无地下车站主体结构分幅施工的先例，也没有此种情况下明确的不均匀沉降控制标准，更无针对砂质黄土地下车站工程分幅施工进行不均匀沉降预测的研究报道。本文针对兰州中川机场砂质黄土地下车站工程分幅施工实际情况，制定该车站主体结构不均匀沉降控制标准，并分析地下车站不均匀沉降的变形潜势及其结构受力。

1 中川机场地下车站主体结构分幅施工与不均匀沉降控制标准

1.1 工程分幅施工概况

新建兰州至中川机场铁路中川机场站为地下一层工程，全长550.135 m，底板埋深13～15.5 m。原设计基坑支护方案采用钻孔灌注桩+钢支撑结构，框架主体采用纵向12～18 m分节，横向整体一次浇筑。因工期紧张和基坑右侧纵向布置电力隧道未及时迁改，并考虑到周边场地开阔，采用放坡开挖和车站框架结构分幅施工方案。两级放坡，坡率为1∶0.5，中部设置一定宽度分级平台。车站框架结构分幅施工，即先施工已开挖的左半幅框架结构，待电力隧道迁改完成后，再开挖右半幅土方进行右半幅框架结构施工，如图1所示。

1.2 工程地质和水文地质概况

图1 车站结构示意图

1.3 中川机场地下车站主体结构不均匀沉降控制标准

鉴于目前尚无地下车站主体结构分幅施工的先例，也没有明确此种情况下的不均匀沉降控制标准，可借鉴类似建筑工程和地铁邻近施工等的相关控制标准制定本工程中的不均匀沉降控制标准。现行GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》要求框架结构和单层排架结构应由相邻柱基的沉降差控制。对于中、低压缩性地基土，框架结构的工业与民用建筑相邻柱基的允许沉降差为0.002l，单层排架结构(柱距为6 m)柱基的允许沉降量为120 mm; 文献[13]指出北京地区地铁隧道邻近建(构)筑物施工时，一般建(构)筑物地表沉降按30 mm、倾斜按3‰控制，重要建(构)筑物地表沉降按15～20 mm、倾斜按1‰控制，特别重要的建(构)筑物地表沉降按10 mm、差异沉降按5 mm 控制。邻近桥梁施工时，预应力混凝土简支T梁顺桥向和横桥向差异沉降控制基准分别为20 mm和5 mm，其他桥梁结构类型顺桥向和横桥向差异沉降均控制为5 mm; 文献[14]对国内外几十年来沉降理论和观测成果进行分析，结合我国地基规范和其他相关规范给出了储罐地基变形控制标准的建议值; 文献[15]总结了目前各种建(构)筑物沉降和差异沉降的控制标准，如表1所示。

表1 建(构)筑物的允许沉降量和差异沉降量[15]

中川机场地下车站的基层主要为无水砂质黄土层，属于中、低压缩性土，按照GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》，则沉降差按照0.002l(即77 mm)控制，总沉降可参照体型简单的高层建筑基础的平均沉降量200 mm控制； 按照文献[13]，则地表沉降按30 mm(30 mm不是基底沉降)、建筑物倾斜按3‰(即116 mm)控制； 按照文献[15]，砂土钢筋混凝土结构筏板基础最大沉降量为5.0～8.0 cm、差异沉降量为2.0～3.0 cm。由于文献[15]中砂土钢筋混凝土结构筏板基础控制标准最符合中川机场地下车站的地质和结构类型，且比现行GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》指标严格；因此，参照表1和文献[15]制定中川机场地下车站主体结构沉降控制标准，如表2所示。根据表2中的沉降控制标准，可将变形潜势分为安全、单指标预警、双指标预警、临界(只要一指标达到即可)、超限(只要一指标达到即可)等5个级别。

表2 中川机场地下车站主体结构沉降控制标准

Table 2 Settlement control standards for main structure of Zhongchuan Airport Underground Station mm

2 计算工况与计算模型

为全面比较与分析放坡开挖及车站框架结构施作分为左右半幅2步时，主体结构施工期间及长期的变形和受力状况，分别拟定7种不同工况进行建模计算和对比分析。

2.1 计算工况

7种计算工况见表3。为分析车站主体框架结构施工期间整体施工、单一纵向施工缝和预留后浇带3种施工方法对框架结构变形和受力的影响，不考虑放坡后的回填土和主体结构上覆土层及上部荷载，拟定前3种工况进行分析； 在前3种工况的基础上，进一步考虑主体结构两侧回填土、上覆土层及上部荷载，拟定后4种工况，分析放坡开挖回填土压力及左右半幅施工对结构的影响。

2.2 模型建立

采用FLAC3D软件进行数值模拟，计算断面如图2所示。建立数值计算模型，如图3所示。模型尺寸为120 m (长) ×1 m (宽)× 60 m (高)，整个计算域共划分为3 462个节点和1 660个单元。

土体为弹塑性材料，摩尔-库仑本构模型主要用来模拟松散或胶结的粒状材料，比如土体、岩石、混凝土等，故地层采用弹塑性模型，屈服条件采用摩尔-库仑准则。模型底部施加X、Y和Z方向的约束，侧面及顶面施加法向约束。根据地质勘察报告，将相近的地层物理力学参数进行分组以便于建模计算，具体取值如表4所示，土层参数归纳为埋深2 m以上部分、2 m以下部分和回填土层3部分， 还有混凝土垫层和框架结构参数。

表3 计算工况汇总

图2 计算断面(单位： mm)

图3 数值模拟计算模型

项目密度/(kg/m3)变形模量/MPa泊松比内摩擦角/(°)黏聚力/kPa土层2m以上165060.4222192m以下175070.42520回填土1780230.382722垫层2300310000.3323250框架结构2800300000.2406000

3 计算结果分析

3.1 框架施工期间前3种工况对比分析

为分析车站主体框架结构施工期间整体施工、单一纵向施工缝和预留后浇带3种施工方法对框架结构变形和受力的影响，首先对前3种工况进行分析比较。前3种工况施工期间基底沉降对比曲线如图4所示，水平坐标原点位于左右分幅纵向施工缝位置(下同)。由图4可知： 工况1(整体施工)基底沉降最大为12.39 mm，最小为11.04 mm，不均匀沉降为1.35 mm，沉降差很小，可忽略不计； 工况2(单一纵向施工缝)基底沉降最大为19.32 mm，最小为9.83 mm，不均匀沉降为9.49 mm； 工况3(预留后浇带)基底沉降最大为16.29 mm，最小为5.55 mm，先施工左部分沉降差较大，不均匀沉降为10.74 mm，左右框架间出现8.3 mm 的错台。故分左右半幅施工均会产生一定量的不均匀沉降，预留后浇带则会使不均匀沉降稍微增加，并使左右框架间出现错台。

图4 不考虑顶部回填土下3种工况施工期间基底沉降曲线

Fig. 4 Curves of foundation settlement under 3 working conditions without consideration of top roof backfill

前3种工况施工期间框架结构受力情况分别为：工况1(整体施工)车站框架结构的竖向最大拉应力和最大压应力分别为0.110 MPa和0.104 MPa，水平最大拉应力和最大压应力分别为0.218 MPa和0.215 MPa，受力较小； 工况2(单一纵向施工缝)车站框架结构的竖向最大拉应力和最大压应力分别为3.77 MPa和4.54 MPa，水平最大拉应力和最大压应力分别为4.57 MPa和4.62 MPa，受力相对较大； 工况3(预留后浇带)车站框架结构的竖向最大拉应力和最大压应力分别为2.15 MPa和1.43 MPa，水平最大拉应力和最大压应力分别为2.73 MPa和2.66 MPa，相对工况2，结构受力明显减小，说明预留后浇带能有效改善结构受力。

3.2 两侧回填土和上覆荷载对结构长期变形的影响分析

两侧回填土产生的土压力主要影响结构的水平方向位移，尤其是水平方向位移差对侧墙和中间柱体的结构安全有明显影响。为此，通过对比后4种工况下车站框架结构水平方向的变形来分析两侧回填土对结构的影响。

采用工况4时，框架结构竖向最大水平位移差约为0.5 mm，变形较小； 采用工况5时，框架结构竖向最大水平位移差约为10 mm； 采用工况6时，框架结构竖向最大水平位移差约为10 mm； 采用工况7时，框架结构竖向最大水平位移差约为0.7 mm。由此可见，两侧回填土产生的土压力对结构的水平方向位移有一定影响。若采用左右半幅施工，预留后浇带可以明显减小沿框架结构竖向的最大水平位移差，与整体施工相差不大，明显改善了结构受力。

3.3 两侧回填土和上覆荷载条件下左右半幅施工对基底长期沉降的影响分析

后4种工况施工完成后的基底沉降对比曲线如图5所示。由图5可知： 采用工况4时，车站框架结构的基底沉降在40 mm以内，最大为38.53 mm，最小为35.39 mm，不均匀沉降为3.14 mm，沉降差较小； 采用工况5时，基底沉降也在40 mm之内，最大为38.85 mm，最小为35.8 mm，不均匀沉降为3.05 mm，沉降差较小，并且后期两侧基坑土回填对框架结构两侧地基的沉降稍有影响，促进了基坑坡脚处沉降值的增加，对结构的整体均匀沉降有一定的促进作用； 采用工况6时，基底沉降已经超过40 mm，最大为47.52 mm，最小为34.62 mm，不均匀沉降为12.9 mm，且长期沉降曲线从左到右呈线性连续下降，斜率约为0.3‰； 采用工况7时，基底沉降最大为44.4 mm，最小为36.74 mm，且长期沉降曲线呈两端大中间小的规律。左半幅不均匀沉降为3.83 mm，斜率约为0.2‰。右半幅不均匀沉降为7.97 mm，斜率约为0.4‰。由此可见，两侧回填土和上覆荷载共同作用下，虽然采用预留后浇带措施后基底不均匀沉降值有一定减小，但由于设后浇带后长期沉降曲线呈两端大中间小的规律，使得右半幅沉降斜率大于工况6中的沉降斜率。

图5 考虑结构顶部回填土下4种工况施工完成后的基底沉降曲线

Fig. 5 Curves of foundation settlement under 4 working conditions considering top roof backfill

3.4 两侧回填土和上覆荷载条件下左右半幅施工对结构长期受力的影响分析

采用工况4时，车站框架结构的竖向最大拉应力和最大压应力分别为4.18 MPa和4.10 MPa，水平最大拉应力和最大压应力分别为5.53 MPa和5.59 MPa； 采用工况5时，车站框架结构的竖向最大拉应力和最大压应力分别为3.65 MPa和3.60 MPa，水平最大拉应力和最大压应力分别为5.34 MPa和6.33 MPa； 采用工况6时，车站框架结构的竖向最大拉应力和最大压应力分别为4.13 MPa和4.18 MPa，水平最大拉应力和最大压应力分别为3.27 MPa和4.91 MPa。施工缝处拉应力为0.4 MPa，压应力为0.2 MPa； 采用工况7时，车站框架结构的竖向最大拉应力和最大压应力分别为3.28 MPa和3.96 MPa，水平最大拉应力和最大压应力分别为4.21 MPa和4.86 MPa。施工缝处拉应力为3 MPa，压应力为1 MPa。由此可见，后4种工况的车站框架结构最大拉应力和最大压应力差别不大。不设后浇带的工况6长期沉降曲线从左到右呈线性连续下降； 设后浇带后的工况7长期沉降呈两端大中间小的规律，施工缝处拉应力较大。

3.5 不同工况变形潜势等级分析

为方便和中川机场地下车站主体结构不均匀沉降控制标准进行比较，确定其变形潜势等级，汇总7种工况的最大应力、变形和变形潜势等级，如表5所示。可以看出： 所有工况均满足中川机场地下车站主体结构沉降控制标准。对不均匀沉降而言，设后浇带在施工期和长期均有利； 但对结构受力而言，设后浇带左右半幅施工在施工期有利，但对长期受力不利。不设后浇带左右半幅施工不均匀沉降远小于规范要求，且对结构长期变形和受力有利；因此推荐采用不设后浇带左右半幅施工方案。

表5 7种工况下车站结构应力及变形潜势对比

4 结论与建议

1)中川机场站变形潜势可分为安全、单指标预警、双指标预警、临界(一指标达到即可)、超限(一指标达到即可)等5个级别； 数值模拟的所有工况均满足中川机场地下车站主体结构沉降控制标准。砂质黄土条件下地下车站主体结构不同施工工况变形潜势差异明显，左右半幅2种工况分别出现双指标预警和单指标预警的变形潜势等级。

2)左右半幅单一纵向施工缝施工会产生一定量的不均匀沉降，预留后浇带则会使不均匀沉降稍微增加，并使左右框架间出现错台，设后浇带在施工期和长期均有利； 预留后浇带可明显改善结构在施工期的受力情况，但对长期受力不利，推荐采用不设后浇带左右半幅施工方案。

3)本文对砂质黄土地下车站分幅施工变形规律进行了研究，可为类似工程控制不均匀沉降和指定合理的施工方案提供参考。今后遇到类似问题时，建议在本研究的基础上，考虑工程地质条件的复杂性和结构类型的多变性，适度修正不均匀沉降控制标准与施工措施。

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Study of Deformation Rules of Underground Station in Sandy Loess Constructed by Semi Construction Method

CHEN Zhimin1, 2, LIN Pengzhen1, 2, FENG Yasong3

(1.KeyLaboratoryofRoad&BridgeandUndergroundEngineeringofGansuProvince,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,Gansu,China; 2.NationalandProvincialJointEngineeringLaboratoryofRoad&BridgeDisasterPreventionandControl,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,Gansu,China;3.InstituteofGeotechnicalEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,Jiangsu,China)

At present, there is no semi construction experience and settlement control standard for main structure of underground station. The main structure of Lanzhou Zhongchuan Airport Underground Station is constructed by semi construction method; and the uneven settlement standards for the underground station should be settled according to relevant standards and documents. The uneven deformation rules of the foundation and the stress of the station structure are analyzed under 7 conditions of the station structure with and without top roof backfill by software FLAC3D. The study results show that: 1) The deformation potentials can be classified into 5 levels, i.e. safety, single index warning, double index warning, critical state (as long as one index reached) and ultralimit (as long as one index reached). 2) The semi construction with post-cast strip is good for uneven settlement control during construction period and following long term. It is also good for structural stress during construction period but not for structural stress in long term. As a result, the semi construction without post-cast strip is recommended. 3) The deformation potentials of underground station in sandy loess under different working conditions vary obviously. The double index warning and single index warning occur under working conditions of semi construction.

sandy loess; underground station; semi construction; uneven settlement; control standard

2017-03-10;

2017-06-27

国家自然科学基金(11662007)； 甘肃省建筑节能和建设科技专项(JK2014-15)； 长江学者和创新团队发展计划滚动资助(IRT_15R29)

陈志敏(1979—)，男，河北临城人，2012年毕业于兰州交通大学，岩土工程专业，博士，副教授，主要从事岩土与地下工程方面的教学与科研工作。E-mail： chenzhimin0523@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.08.008

U 45

A

1672-741X(2017)08-0966-07