卵石-泥岩复合地层中浅埋车站暗挖逆作施工引起地表沉降规律

文/新疆城建试验检测有限公司 李天华 白文英 孟效成

乌鲁木齐市地层条件主要为上部卵石与下伏泥岩的复合地层，地质条件比较特殊。同时1号线大多数车站采用“洞-桩-墙”浅埋暗挖法的施工方式（Pile-Beam-Arch，简称PBA施工工法），而复合地层条件下浅埋车站施工对环境的影响一直是工程界关心的核心问题。

因此本文以乌鲁木齐地铁1号线八楼站为背景，通过数值模拟和现场实测数据分析研究卵石与泥岩复合地层条件下地铁车站PBA工法施工对地表沉降的影响，研究PBA工法各施工阶段地表沉降规律，复合地层条件下地表沉降槽宽度参数，地表最大沉降量等内容，为类似地铁车站建设起指导作用。

工程概况

八楼站工程简介

乌鲁木齐市轨道交通1号线八楼站为换乘站。1号线车站沿新医路东西方向，新医路与友好北路、鲤鱼山南路交口设站，车站总长329.4m，其中小里程暗挖段198m，设3座工作竖井，暗挖车站中心里程覆土高度约为10.67m，小里程端覆土高度为10.9m，小里程端与盾构区间相接。暗挖主体横断面为双柱三拱直墙平底断面，采用暗挖类PBA工法施工。

设计概况

暗挖车站主体为地下两层岛式明暗挖结合车站，车站中心里程为YDK11+302.515。明暗挖分界里程为YDK11+397.115，标准段宽为23.3m，车站高度为16.68m。初期支护采用格栅钢架加喷射混凝土支护体系，主体断面采用4导洞形式开挖，上层中间一个大导洞3，两侧各一个小导洞1和2，下层中间一个大导洞4。两侧边导洞采用上下台阶法开挖，上下中导洞采用“CD”法开挖。

车站开挖步骤

台阶法施工主体两侧小导洞1和2，施做围护边桩及桩顶纵梁，初期支护；CD法施工上下中导洞3和4，初期支护；施做顶部扣拱及初期支护；开挖上层土体，施做顶部二衬、中板及中纵梁；开挖下层土体，施做结构底板。待底板达到设计强度后施做下部侧墙，完成主体结构施工。

图1 暗挖车站结构示意图

地质条件

本车站详细地层分布及地层特征如下：

第四系全新统（Q4）

人工填筑土（Q4ml）：①-1杂填土；

第四系冲洪积（Q4al+pl）：②-10卵石（Q4al+pl）。

侏罗系（J）

⑤-1-2强风化泥岩（J2+3Ms)，⑤-1-3中风化泥岩（J2+3Ms)，⑤-2-2强风化砂岩（J2+3Ss）；

⑤-2-3中风化砂岩（J2+3Ss）；

⑤-3-2强风化砾岩，⑤-3-3中风化砾岩；

⑤-4煤。

图2 八楼站暗挖车站地质断面图

车站开挖数值模拟

数值模型

根据设计资料使用midas软件建立模型，考虑边界效应的影响，土体宽度为80m，高度为40m，开挖方向长度为80m，地铁车站以及导洞的模型尺寸及埋深按照设计资料进行建模，建立的数值模型如图3所示，模型左右、前后边界水平位移约束，下表面竖向位移约束，隧道各断面开挖通过施工过程中单元的激活和钝化功能完成。

导洞的喷射混凝土和车站结构的混凝土采用面单元进行模拟，车站内部的中柱以及车站侧墙外部的围护桩均采用梁单元进行模拟，土体分为四层，从上到下分别是杂填土、卵石层、强风化泥岩层和中风化泥岩层。

图3 车站数值模型

参数选取

土体采用摩尔-库伦模型，土体参数如表1所示。

车站衬砌及其他梁、板、柱等结构的参数按照相应的混凝土等级进行选取使用。

模拟开挖过程

根据实际施工情况，在开挖过程中以2米为一个施工步进行模拟，地铁车站的整个开挖过程分为4步：

形成初始重力场；开挖导洞，施做初期支护；施做围护桩、中柱以及车站顶拱，开挖上层土体并施做车站中板；开挖下层土体，施做底板、侧墙，完成开挖。

计算结果及分析

地铁车站采用PBA工法，土体开挖主要分为三部分：导洞开挖；车站上层土体开挖；车站下层土体开挖。

以车站中间断面分析，根据计算结果可以看出，在导洞开挖后，地面最大沉降量为2.98mm，即由于导洞开挖面积比较小，对地层的扰动影响小，因此地表沉降量较小。车站上层土体开挖后，地面最大沉降为10.1mm，沉降量明显大于导洞开挖施工阶段，这说明在PBA工法施工过程中，车站上层土体的开挖对地层的扰动远大于导洞开挖，土体加固措施在此施工阶段应当予以重视，但其沉降总量依然比较小，这是因为地铁车站开挖地层上方是卵石层，在扰动较小的情况下，具有一定的承载能力，因此其地表沉降量也小于软土地区。车站下层土体开挖后，其地面沉降量几乎保持不变，这是因为PBA工法中，车站下层土体开挖前，进行了围护桩以及顶拱二衬等车站结构的施做，在下层土体开挖前形成了良好的支撑体系，因此车站下层土体开挖后不会引起地面进一步沉降。图4为各施工阶段后地面沉降曲线图，从中可以看出地表沉降主要发生在车站上层土体开挖阶段，导洞开挖阶段与车站上层土体开挖阶段的地表沉降量大致为3∶7。

图4 车站各施工阶段开挖后地表沉降曲线

隧道施工引起的地表沉降曲线与Peck公式或一系列修正的Peck公式所给出的地表沉降曲线吻合较好，沉降曲线可近似为正态分布曲线，Peck横向分布公式为∶

式中：s为距离车站中心轴线x处地表沉降值；smax为地表最大沉降量；i为地表沉降槽宽度系数，可通过回归求得。

地表沉降槽反弯点距离i反映开挖对地表影响的范围，不同地层条件下车站开挖的地表沉降槽参数一般不同，本文通过数值模拟计算结果进行拟合得到了在该复合地层条件下的地表沉降槽参数i=5.86m。

选取车站正上方处节点数据进行分析，得到不同施工阶段地表沉降随开挖掌子面位置的关系，如图5、图6所示。从结果中可以看出，在导洞开挖阶段，当开挖掌子面经过地表测点断面位置时，地表沉降量为该施工阶段总沉降量的25%作用，掌子面远离后，地表还会有比较大的沉降量，体现了地表沉降具有一定的时效特性。在上层土体开挖阶段，发现在掌子面距离监测断面较远时，地面虽然开始发生沉降，但沉降趋势比较缓慢，当掌子面达到监测断面附近时，地表沉降速率明显增加，当掌子面远离监测断面并达到一定距离后，地表沉降量趋于收敛。

表1 土层物理力学参数

图5 导洞开挖阶段地表沉降与掌子面位置关系曲线

图6 车站上层土体开挖阶段地表沉降与掌子面位置关系曲线

监测数据对比分析

测点布置

沿车站开挖方向总共有20个监测断面，断面编号为DB-50到DB-69，其中6个断面为主要监测断面，每个断面的监测点数量为7或10个，地表沉降测点的具体布置如下图7所示。

地表沉降监测数据分析

图7 车站地表沉降监测点布置图

图8 DB-55断面1号测点车站上层土体开挖阶段地表沉降时程曲线

图8和图9分别为DB-55断面1号测点和2号测点在车站土体整体开挖过程的地表沉降时程曲线，根据地表沉降时程曲线可以看出，在车站土体开挖过程中，当掌子面靠近监测断面时，监测断面地表收到地层扰动影响，产生轻微沉降现象，当掌子面经过监测断面时，地表发生明显沉降，且沉降速率较快。其中1号测点的地表沉降量为4.7mm，2号测点的沉降量为5.53mm。2号测点的沉降量大于1号测点，并且2号测点地表沉降速率也大于1号测点，分析原因是其测点位置更靠近车站中轴线，受土体开挖的影响更大造成的。通过分析监测数据，可以发现地表沉降主要发生在车站上层土体开挖阶段，其规律与数值计算分析得到的结果相吻合。

选取DB-56断面、DB-58断面、DB-60断面地表测点与数值计算得到的地表沉降槽曲线进行对比分析如图10所示，可以看出地表测点的实测数据基本符合数值计算拟合的地表沉降槽曲线，即该地表沉降槽参数可以比较精确地刻画卵石-泥岩复合地层条件下浅埋地铁车站PBA工法开挖的地表沉降规律。

图10 地表沉降槽曲线