地铁车站临时结构施工地表沉降变化研究

2020-06-07常文豪

工程与建设 2020年6期

常文豪，李斌

(武汉理工大学交通学院，湖北武汉 430063)

0 引言

本文主要研究的是因地铁车站临时结构的竖井与横通道开挖导致的地表沉降情况。目前，学者们所采用的研究因地下工程开挖导致的地表沉降的方法主要有以下四种:①经验公式;②数值模拟;③模型试验;④现场监测。Martos[1]通过对大量的岩土开挖工程进行研究得到地表沉降槽符合正态分布的特征。白海卫等[2]采用Peck公式分析双线隧道施工过程中引起的地表沉降,并与监测值进行比较,结果表明经典的Peck公式在预测双线隧道地层沉降时仍具有重要意义。樊帅等[3]将Peck公式应用于地铁隧道开挖过程中地表沉降的实时预测中并与实测的数据比较，符合度较高。Fang等[4]用数值模拟软件对浅埋暗挖施工地铁车站进行模拟,发现不同的施工方法会得到不同的地表沉降数值。Li等[5]对洞桩法施工地铁车站做了研究,发现数值模拟的结果与实测值存在差异,提出车站的临时结构施工可能会导致地表产生沉降这一问题。闫佳驹[6]以北京地铁某站为例模拟施工各阶段的地表沉降值,为实际施工提供合理的建议。尹兰兰[7]用模型试验法对台阶法施工地铁隧道的变形进行模拟,并用数值模拟验证了合理性。邢振兴等[8]介绍了对某车站的竖井与横通道的具体的监测方案,并取得了较好的效果。Yao等[9]对倒挂井壁法施工竖井进行实时监测,结果表明使用此方法时对地层的影响较小。

本文将针对Li[5]提出的问题进行探究,对PBA工法施工地铁车站时临时结构竖井与横通道开挖导致的地表沉降变化和影响范围进行研究,通过FLAC 3D软件进行数值模拟，并与理论计算的结果相结合研究地表的沉降以验证结果的准确性,为后续的施工提供沉降资料,防止出现过大的地表沉降。

1 数值模拟

1.1 FLAC3D在本工程中的应用

本工程依托北京地铁某车站的实际工程案例,根据工程施工实际情况,并考虑模型在计算时的边界效应,根据圣维南原理[10],边界距离大于3～5倍开挖洞泾。设定X(沿横通道)方向66 m,Y(垂直于横通道)方向56 m,Z(深度)方向58 m。模型具体如图1所示,模型中共175 736个单元,183 330个节点。具体细节尺寸,竖井为6×8 m,深度29 m;上层横通道宽5 m,高6 m,埋深10 m;下层横通道位于上层横通道正下方,净距6 m,宽5 m,高6 m。根据地层的物理力学参数情况进行简化,地层模型可简单分成5层,各层的物理力学参数见表1。在进行数值模拟时,为了使模型收敛和考虑工程的实际情况必须对模型的边界进行约束,包括位移边界条件和应力边界条件。在本模型中,仅考虑位移边界条件,前后和左右(X和Y方向)约束法向位移,底部约束所有位移。

图1 模型示意图

表1 地层物理力学参数

1.2 模拟施工过程

与其他数值模拟软件一样,在正式计算之前,需要对模型在自重作用下的沉降清零,然后再计算其他部分。围岩本构关系采用摩尔-库仑(m-c)模型,锁口圈梁采用弹性模型。本文所研究的主要工程为地铁车站的临时结构竖井与横通道的施工,其施工过程为首先开挖竖井,其次开挖上层横通道,最后开挖下层横通道。

(1)模拟竖井开挖。根据工程实际施工情况,对围岩单元的属性进行改变,改变竖井井圈部分参数属性和本构模型,使用弹性体模型来模拟钢筋混凝土结构的锁口圈梁结构。提高竖井的注浆加固范围内围岩参数模拟导管注浆后的围岩参数,用空模型单元来改变需要开挖的部分,每次开挖的深度为1 m。用Shell单元来模拟支护结构。

(2)模拟横通道开挖。对需要注浆预支护的部分通过提高围岩参数来实现,开挖过程通过空模型单元实现,横通道的支护结构由Shell单元模拟。根据实际施工情况使用台阶法开挖,每次开挖进尺1.5 m,台阶长为3 m,上台阶高3 m,下台阶高3 m,并采用注浆小导管对横通道上方岩土体进行注浆预支护来提高围岩强度。开挖顺序为先开挖上层横通道,待其开挖完成后再开挖下层横通道,上下层采用相同的开挖方式。

1.3 数值模拟结果

本次的数值模拟,主要研究地表沉降的数值大小和分布范围。竖井和横通道开挖会在地表面形成沉降槽,在距离开挖较近处会产生较大的变形,而距离较远处对地表的影响较小甚至没有影响。为了研究的准确性,特意提取三组监测点上的地表沉降变化,地表监测点垂直于横通道布置,监测点距竖井边缘呈远、中、近分布,三组监测点之间相距9m,CX3距离竖井边缘4.5m,为距竖井最近的一条测线,将三条测线的沉降情况分别绘制成图,如图2所示。

图2 地表沉降变形图

图2为横通道开挖后地表的沉降变化情况,从中可以看出在距离竖井较近的CX3监测组横通道中心线上方发生了较大的地表沉降变化,最大沉降值为3.5 mm。该组监测点处在竖井与横通道的双重影响下,是由竖井和横通道开挖导致地表沉降双重叠加造成的。而距离横通道顶端较近的CX1监测组横通道中心线上方的地表沉降值较小,最大沉降值为1.7 mm左右,这是因为该组监测点距离竖井开挖位置较远,且处在横通道的顶端位置,地表的沉降变化受到限制所致。CX2监测组横通道中心线上方的地表沉降值位于另外两组监测点之间,最大沉降值为2.7 mm左右。CX2监测组位于横通道的中间位置远离竖井开挖位置和横通道顶端,受竖井开挖和横通道顶端的影响较小,能够较为真实地反映地表沉降的真实情况。

从开挖导致的地表沉降的影响范围来看,随着监测组到竖井的距离增大,地表沉降的影响范围也在减小。CX3监测组的影响范围为横通道中心线左右两边18 m,CX2的影响范围为横通道中心线左右两边16 m,CX1的影响范围为横通道中心线左右两边12 m。至于沉降影响范围以外的地表隆起情况,可能为竖井与横通道开挖后底板受到向上的反力导致围岩向上运动,影响到较远处的地表发生了微微的隆起现象,最大隆起值仅为0.4 mm。

2 Peck公式计算预测

本节将使用Peck公式对由地铁临时结构施工造成的地表沉降进行计算预测,由于本车站的临时结构横通道有上下两层,且是一个不规则的形状,需要将两层横通道等效为一个圆形,并找到等效圆圆心的位置。根据上下层横通道的埋深和面积即可算出等效圆的圆心和埋深,已知上层横通道埋深10 m,下层横通道埋深22 m。经计算单个横通道截面面积为27.843 m2。

等效圆的圆心计算位置为:

z0=(10+22)/2=16(m)

(1)

等效圆的面积为:

=27.843+27.843=55.686(m2)

(2)

等效圆的半径为:

(3)

等效圆顶部至地表的地层厚度内摩擦角加权平均值:

(4)

则沉降槽宽度为:

(5)

另外根据经验取地层损失率Vl=1.25%,则可以求得地表最大沉降为:

(6)

则地表沉降的分布曲线公式为:

(7)

由该公式绘制的地表横向沉降曲线如图3所示。

图3 地表横向沉降曲线图

从图3可以看出,由Peck公式计算的最大地表沉降值为5 mm,发生在横通道中心线上方的地表处,并由中心线向横通道两侧的地表沉降值递减,最终趋近于0,呈正态分布特征。

3 沉降对比分析

将数值模拟的地表沉降结果与Peck公式计算结果相比较,为了比较的准确性,将CX2的地表沉降结果与计算结果相比较,比较情况如图4所示。

图4 数值模拟与公式计算对比图

从图4可以看出,数值模拟的结果与Peck公式计算出的结果相比,Peck公式计算的沉降值为5 mm,要大于数值模拟的沉降值约为2.7 mm,但结果相差不大,同为一个数量级,且其总体趋势大致相同。公式计算结果与数值模拟结果的沉降影响范围略有不同,Peck公式计算出的影响范围比数值模拟的结果范围更广,其原因是Peck公式计算的结果只能包含地表的沉降,而在数值模拟的结果中还包含着地表隆起的部分,所以会呈现不同的沉降曲线,但总体来说两者的吻合度较高,说明了数值模拟的准确性。