地铁车站风道洞桩法施工对地层沉降的影响*

张丽丽

地铁车站风道洞桩法施工对地层沉降的影响*

张丽丽

（北京工业职业技术学院，100042，北京//副教授）

以北京地铁8号线某区间站PBA（洞桩法）工法施工为背景，通过FLAC3D数值模拟软件对小导洞开挖顺序进行模拟，得到其最优的施工方案。模拟结果表明：优先施工下层导洞的方案三和方案四产生的地表沉降和拱顶沉降小于优先施工上层导洞的方案一和方案二；同层导洞不同的施工顺序也会对地表沉降和拱顶沉降产生不同的影响。最后通过四个施工方案产生的地表沉降和小导洞拱顶沉降的对比，确定采用方案三进行施工。方案三模拟数值与现场监测数值比对结果表明，二者沉降趋势和沉降量都相差不大，验证了模拟结果的可靠性。

地铁车站风道；PBA工法；数值模拟；沉降监测

PBA工法俗称洞桩法，是由我国最先提出应用的，是浅埋暗挖法的一种，结合盖挖法与暗挖法的优点独创了其特殊性［1-4］。本工法能在含水层的地质条件中施工，施工过程中对地层的扰动较小，对地下埋设的管线影响小，因此得到了迅速推广。在我国地铁隧道工程中，区间或车站采用PBA工法施工的有很多条线路，如北京地铁6号线朝阳门车站、北京地铁11号线双井站、北京地铁10号线东单车站等［6-8］。PBA工法的基本原理是，先进行小导洞开挖，在开挖的工程中进行初支，待小导洞开挖完成后进行条基、桩、冠梁、拱架等的施工，然后进行土体开挖成洞。

本文以北京地铁8号线大红门桥站—和义站项目为背景，通过FLAC3D数值模拟分析，得到不同的小导洞施工方案对地表沉降和小导洞拱顶沉降的影响，选取最优施工方案，以有效控制地表沉降。

1 工程概况

北京地铁8号线大红门桥站—和义站区间工程位于北京市丰台区南四环，所处建筑物密集；上方为主要交通道路，车辆繁多，下方埋设有多种市政管道。区间隧道采用盾构法施工。区间附属结构：区间共设置2个联络通道、1个区间风道（兼作废水泵房），区间风井风道中心里程为K39+688.036。本工程的风道上方道路旁东边是皮草批发市场和商业写字楼，西侧有多处民宅和一栋物流仓库。风道上层导洞拱顶埋深为11.342 m，初支扣拱拱顶埋深为10.342 m。

风道区域的地质情况：人工填土层有杂填土①1层和粉土填土①层；新近沉积层有粉土②层；第四纪全新世冲洪积层有粉砂③1层和卵石③层；第四纪晚更新世冲洪积层有粉细砂⑤1层、粉质黏土⑤5层、卵石⑤3层和粉土⑤4层。风道底板位于粉细砂⑤1层。土层分布及参数见表1，地质剖面图见图1。

表1 土层分布及参数

图1 地质剖面图

区间内有三种地下水赋存，潜水水位在13.89～14.29 m，层间水位在20.25～24.36 m，承压水水位在23.75～30.24 m。

勘察显示工程所在地层中的管线较为复杂，包括φ600雨水管，埋深1.44 m；DN500燃气管，埋深1.56 m；DN1000上水管，埋深0.9 m；DN400中水管，埋深3.11 m；φ700污水管，埋深3.18 m；雨水方涵1 400 mm×1 200 mm，埋深1.57 m。各管线与小导洞位置关系如图2所示。

本工程周边建筑物密集，风道上方为道路主干道，车流量大。多条市政管道埋设于暗挖风道的上方，对施工要求高。风道暗挖段结构形式采用双层单跨四导洞施工（见图3），施工过程要留有足够长度的核心土。风道开挖长度65.05 m，风道上层导洞拱顶埋深为11.342 m，施工难度及风险大。

图2 地下管线断面图

图3 风道及小导洞断面图

2 数值模拟分析

2.1 模型设计

模型以水平向为x轴线，导洞开挖深度方向为y轴线，地面到洞底的深度为z轴线，模型尺寸为40.00 m×40.00 m×37.73 m。按照设计要求在模型上开挖4个小导洞分为A、B、C、D区，如图4所示。

对底部边界节点的x、y、z三个方向的速度进行约束，相当于固定支座，对x两侧的边界进行水平速度约束［9］。由于y方向只设置一个单元长度，所以对模型中所有节点的y方向速度均进行约束，相当于进行平面分析。

土体假定为均匀、各向同性的弹塑性体，强度准则采用摩尔-库仑准则［10］。由于施工过程会采取降水措施，所以不考虑地下水的影响。

图4 模型示意图

2.2 施工方案

由于风道北侧为道路，南侧为单层仓库，为找到最优的施工方案，本文拟定了 4种施工方案，通过数值模拟找到沉降最小的施工顺序，作为最终的施工方案。

方案一：先施工上层A小导洞，深度达到10 m时，同时进行 B小导洞施工；当上层 A、B导洞相续封洞后，开始开挖 A、B导洞正下方对应的 C、D导洞。

方案二：先施工上层B小导洞，深度达到10 m时，同时进行 A小导洞施工；当上层 B、A导洞相续封洞后，开始开挖 A、B导洞正下方对应的 D、C导洞。

方案三：先施工下层C小导洞，深度达到10 m时，同时进行 D小导洞施工；当下层 C、D导洞相续封洞后，开始开挖 C、D导洞正上方对应的 A、B导洞。

方案四：先施工下层 D小导洞，深度达到 10 m时，同时进行 C小导洞施工；当下层D、C导洞相续封洞后，开始开挖D、C导洞正上方对应的B、A导洞。

在 FLAC3D模拟开挖施工中，遵循设计蓝图的要求每次进尺 2 m。

2.3 沉降计算结果对比

运用FLAC3D数值模拟软件对不同开挖方案进行施工全过程模拟。通过历史检测点实时监测模拟开挖过程中开挖对地表和拱顶造成的沉降情况。

将四个方案的沉降云图绘制成柱状图（见图5），可以看出方案二施工时造成的地表沉降值最大约为 35 mm，而方案三施工时造成的地表沉降值仅为25 mm，明显要比其他几种施工方案施工时造成的沉降小。从图中可以看出四种施工方案施工时造成的拱顶沉降略有差异但相差不大。方案二施工时造成的沉降值最大为 63.698 mm，方案三施工时造成的沉降值为 63.649 mm，沉降值最小。方案三施工时造成的导洞上方的地表沉降和导洞拱顶的沉降值与其他三种施工方案相比最小，结合本工程对施工时的地表沉降的要求及施工时对周边环境、地下市政管线的影响，方案三最适合本工程施工。

图5 施工方案沉降图

在对PBA工法施工进行全过程施工模拟时，设置了监测点以便实时监测施工过程中和施工完成后对导洞洞顶及地表沉降影响。为了更好地研究地表沉降，选取模型小导洞的正上方地面作为研究对象，选取了几个检测点来分析施工完成时对地表造成的影响。监测曲线图如图6～图11所示。

图6 地表监测点2沉降曲线

图7 地表监测点3沉降曲线

图8 监测点7 B小导洞洞顶沉降曲线

图9 监测点7 B小导洞洞顶细部详图

图10 监测点10 C小导洞洞顶沉降曲线

从图6～图11不同开挖方案的沉降曲线能够得出以下结论：

（1）从沉降曲线变化趋势可以清晰地看出，随着小导洞的不断挖深，对地表沉降的影响也越来越大，其沉降值也越来越大。

图11 监测点10 C小导洞洞顶细部详图

（2）从曲线图可以明显地看出，当小导洞的深度坐标相同时，四种方案施工时造成的地表沉降值不同，沉降值从大到小依次是方案二、方案一、方案四、方案三，也即先施工上层导洞所造成的沉降值大于先施工下层导洞造成的沉降。

（3）方案一与方案二相比，优先从上层导洞施工时，先开挖B导洞所造成的地表沉降相比先开挖A导洞大。方案三方案四相比，优先从下层导洞开挖时先开挖 D导洞造成的地表沉降相比开挖 C导洞大。

（4）从监测点的曲线细部放大图可知，在四种施工方案中，方案三施工时造成的地表沉降值最小，方案二施工时造成的地表沉降值最大。

由以上数值模拟结果可以得出，方案三更具有可行性，是适用于本工程的最优方案。

3 模拟结果与现场监测结果对比

采用方案三进行施工，施工过程中对地表沉降和小导洞拱顶沉降进行监测，将监测结果与模拟结果进行对比，判断该方案是否满足要求。

3.1 地表沉降对比

图12为实测地表沉降与数值模拟地表沉降的对比。在数值模拟中，测点2和测点3的沉降较规律，沉降速率较稳定。测点2沉降值始终比测点3大。现场监测中，测点2和测点3与模拟结果较接近。测点2在小导洞开挖后即产生了 20 mm的地表沉降，在开挖2～12 m范围内的沉降较小，仅产生了 5 mm的沉降，在 12～23 m范围内沉降迅速增加到 35 mm，随后沉降速率减小并稳定，开挖到 40 m的最终沉降为 42 mm。现场监测点3在小导洞开挖后产生了17 mm的沉降，从开始到开挖到 26 m处，该点逐渐下沉到 28 mm，从 26 m以后，沉降速率加大，开挖到 40 m时沉降为 41 mm。从两条模拟沉降曲线和其对应的现场监测曲线可以看出，模拟结果较好地反映了实际施工过程中的地表沉降。

图12 地表沉降对比

3.2 小导洞拱顶沉降对比

图13为小导洞拱顶沉降与数值模拟的拱顶沉降对比。数值模拟中测点7 B从开挖到30 m处沉降速率稳定，沉降值为 28 mm，开挖到 30～32 m时沉降迅速增加到 60 mm，随后缓慢增加到63 mm。现场监测点7 B与模拟结果接近，在小导洞开挖到26 m之前沉降逐渐增加到 20 mm，在 26～29 m沉降迅速增加到 58 mm，最后趋于稳定，在小导洞 40 m处沉降值为 60 mm。数值模拟中测点 10 C测点在小导洞开挖到 20 m之前拱顶沉降逐渐增加到17 mm，开挖到 20～30 m深度时沉降迅速增加到 58 mm，随后沉降缓慢增加到 61 mm，与模拟结果相差2 mm。现场监测中该测点在开挖到15 m之前沉降较稳定，开挖到 10～20 m时沉降迅速增加到 41 mm，随后沉降速率逐渐降低，最终沉降为65 mm。模拟测点和实测测点的沉降趋势和沉降量都相差不大，可以用来指导施工。

图13 小导洞拱顶沉降对比

4 结论

（1）通过对四种施工方案的数值模拟分析，发现优先施工上层导洞所造成的沉降大于优先施工下层导洞造成的地表沉降。

（2）同层导洞开挖时，不同的开挖顺序也会影响地表沉降大小，在施工前应充分考虑周边的施工情况，采用数值模拟分析找出最优的施工方案。

（3）地表沉降在小导洞开挖过程中增加较大，在施工时应注意加强小导洞的监测和支护，防止地表沉降过大。

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Influence of Pile-Beam-Arch Method on Metro Station Ground Settlement

ZHANG Lili

Based on the PBA construction method of an interval station on Beijing metro Line 8，FLAC3D numerical simulation software is used to simulate the excavating sequence of pilot tunnels，an optimized construction scheme is obtained.The simulation results show that the ground settlement and crown settlement caused by the constructions of lower pilot tunnel in scheme 3 and scheme 4 are less than that by the constructions of upper pilot tunnel in scheme 1 and scheme 2，different construction sequences in the same layer pilot tunnel also result in different impacts on ground settlement and crown settlement. Finally，based on a comparison between ground settlement and crown settlement of pilot tunnels in four construction schemes，scheme 3 is chosen to execute construction.A comparison between the simulation data of scheme 3 and the field monitoring data shows，the ground settlement and crown settlement in both cases are not very different，which verifies the simulation reliability of scheme 3.

metro station duct； PBA （pile-beam-arch）method； numerical simulation； settlement monitoring

TU433：U231.4

10.16037/j.1007-869x.2017.10.020

Author′s address Beijing Polytechnic College，100042，Beijing，China

*北京市教委科研计划资助项目（KM20160853002）

2016-12-01）