多层多跨PBA法暗挖地铁车站施工地表沉降分析

2022-09-21陈俊林

铁道勘察 2022年5期

陈俊林

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 概述

地铁工程通常围绕着城市核心区修建，而城市核心区往往建筑群密集，并且地下管线分布较为复杂。地铁车站的修建必然会破坏原有的地应力平衡，造成土体的应力重分布，过大的施工扰动不仅会导致既有地下结构与管线发生破坏，而且会导致周边建筑物发生沉降或者倾斜[1]。过大的地表沉降可能导致隧道塌方，并对附近现有构筑物和公用设施造成破坏[2]。因此，分析地铁车站开挖过程中的地表沉降规律并研发响应的控制技术显得尤为重要。

PBA法(Pile-Beam-Arch，洞桩法)以框架围护结构与盖挖法的理念为基础，结合传统浅埋暗挖法 “短开挖、快封闭”的核心理念创建[3]。其核心思想是通过导洞快速形成由边桩和顶拱组成的支护体系[4]，使后期施工在一个封闭的支护结构中进行，这对控制地层沉降具有重要意义[5]。

近年来，PBA法因其独特的优势，已逐渐在全国各大城市推广，成为我国地铁修建中应用较多的方法[6]，但其理论体系尚不完善。因此，国内诸多学者对地铁施工引起的地表沉降变化规律及地层沉降控制技术展开了一系列研究[7-13]。

王霆等基于大量监测数据，结合数理统计与概率论对地铁车站浅埋暗挖法施工引起的地表沉降规律展开研究[14]；肖茜对北京地铁14号线莱户营站(双层三跨结构)暗挖段现场监控量测数据进行分析，发现PBA法施工过程中，车站横断面上方地表沉降值呈圆锥状，且沿车站断面中线对称分布[15]；刘运思等通过调研北京地铁17号线十里河车站工程(双层三跨结构)，基于洞桩法原理建立导洞开挖数值模型，分析车站埋深、跨度、开挖顺序、导洞数量以及地层参数等多因素影响下的地表变形规律[16]；任建喜等基于北京地铁10号线莲花桥站(双层三跨结构)，采用有限差分原理预测PBA法施工诱发的地表及桥桩的沉降规律[17]；曹力桥等结合北京地铁16号线红莲南里站(双层三跨结构)，采用三维有限元分析法研究不同扣拱施工顺序下地表沉降及车站中柱位移的变化规律[18]。但数值模拟结果的准确性却十分依赖于土体本构的选取和建模者的工程经验。另外，还有部分学者通过将数值模拟与现场数据分析相结合，对地表沉降展开分析。王天彪采用数值模拟辅以现场实测的方法对使用PBA法的北京地铁8号线王府井北站(双层三跨结构)各施工阶段的地表沉降进行了研究[19]；吴精义等以6座双层三跨结构的北京地铁粉细砂地层PBA车站监控量测数据为依托，分析不同降水条件下PBA车站地表沉降规律，并依据有限元方法进行计算验证粉细砂层PBA车站的地表沉降规律[20]。为了进一步掌握PBA工法施工对地表沉降的影响，以北京地铁六号线苹果园南路站实际工程为背景，运用有限元分析软件Midas-gts对PBA工法施工的整个过程进行数值模拟分析，并结合实际监控量测数据，分析PBA工法施工全过程对地表沉降的影响。

2 工程概况

2.1 工程位置及车站结构形式

北京地铁房山线北延工程首经贸站位于芳菲路(南北向)与看丹路(东西向)的交叉路口北侧，在芳菲路下方沿芳菲路南北向设置，与既有10号线首经贸站呈“T”形布置。线路位于北京城区西南部平原地区，处于永定河冲洪积扇的中部，为永定河冲洪积平原地貌。站位周边规划以居住、商业用地为主，车站西侧为万年花城万芳园一区，车站东侧为育菲园东里等商业用地(见图1)。

车站为全暗挖岛式车站，从南到北车站结构型式分别为三层三跨拱形断面(见图2)、两层四跨拱形断面(见图3)、两层三跨拱形断面(见图4)，主体结构三层三跨段及两层三跨段采用8导洞PBA法施工，两层四跨段采用10导洞PBA法施工。与10号线换乘节点采用三层三跨三连拱断面相连。车站(包含换乘结点)左线长251.5 m，右线长296.0 m，站台宽14.0 m，标准段宽23.1 m。标准段覆土厚8.2 m，三层段覆土厚4.5 m。车站总建筑面积15 707.0 m2。车站南端接10号线首经贸站预留换乘节点，车站北端左线接暗挖区间，右线接盾构区间。

图2 三层三跨段横断面(单位：mm)

图3 两层四跨段横断面(单位：mm)

图4 两层三跨段断面(单位：mm)

2.2 工程地质及水文地质

本车站的地质纵剖面见图5，施工范围内的地层从上至下分别为：土、粉质黏土、细中砂、圆砾、卵石。土层物理力学参数见表1。

图5 车站地质纵剖面

表1 土层物理力学参数

本站地下水的类型为潜水，含水层主要为卵石层，地下水位埋深为19.9～20.1 m。

3 施工工法

PBA法车站施工工序较为复杂，为更好地分析动态施工引发的地层变位的时空效应，不考虑断面跨度和层数对施工步序的影响，将PBA法分为导洞开挖(步序1)、施作顶底纵梁和灌注桩(步序2)、初支扣拱(步序3)、土体分层开挖(步序4)等4个特征阶段，两层三跨断面、两层四跨断面、三层三跨断面施工步序示意见表2。模拟开挖过程中，对开挖引起的地表沉降进行严格监测和记录，监测点布置见图6。在车站轴线处地表、导洞拱顶处地表、拱结构顶部地表等区域布置沉降测点，监测地表沉降变化情况。

表2 PBA法施工步序

图6 地表沉降监测点布置(单位：mm)

4 数值模型建立及验证

4.1 模型建立

地下结构理论计算力学模型可分为连续介质模型和作用-反作用模型两种。其中，连续介质模型由于考虑地层与结构的共同作用，从而多用于结构的变形分析；作用-反作用模型的计算对象是具体结构，多用于结构内力及变形分析。具体到本工程，考虑到施工引起的沉降与地层关系密切，决定采用连续介质模型进行分析。

选用FLAC3D6.0有限差分法数值模拟软件。假定地表和各土层均呈均质水平层状分布，初始应力场只考虑自重，各土层描述和计算参数见表1。模型中土体采用摩尔-库伦本构模型，衬砌、梁、板、柱采用弹性本构。模型两侧法向位移均被完全约束，模型底部的x，y，z三个方向的位移也被完全约束。模型中的地下水埋深设置为20 m，地下水位以上采用天然密度，地下水位以下采用饱和密度。

根据工程概况，建立两层三跨断面数值模型，宽100.0 m，高60.0 m，厚20.0 m，共计单元数为78 792个，模型整体网格划分见图7。

图7 两层三跨断面模型网格划分

4.2 模型验证

沉降监测数据是在该工程施工条件下的沉降监测数据，会受到地质条件和施工队伍水平的影响。例如，开挖前是否做好小导管注浆、支护是否及时等，都会对实际的监测数据产生一定的影响。而根据现场监测数据，结合数值模型运算结果，沉降槽曲线以及地表沉降随施工进度的时间曲线均大致吻合，证明数值模拟结果较为可靠(见图8、图9)。

图8 两层三跨断面地表沉降曲线

图9 地表沉降随施工进度的时间曲线

整体地表变形规律表现为在车站轴线附近地表变形量较大，向车站两边横向方向逐渐衰竭，并形成沉降凹槽。地表沉降集中发生在导洞开挖和初支扣拱阶段，施作顶底纵梁和灌注桩以及土体分层开挖阶段引起的地表沉降较小。

为评估数值模拟结果和现场实测结果的差异，引入非线性统计学评价指标R2，当R2的值越接近1，表明数值模拟结果与现场实测结果越接近。R2的表达式为

(1)

5 数值模拟分析

为探究施作引起的沉降规律，采用FLAC3D6.0进行模拟。分别建立相同条件下的两层四跨断面(见图10)、三层三跨断面(见图11)数值模型，并结合模型运算结果与两层三跨断面进行对比分析。

图10 两层四跨断面模型网格划分示意

图11 三层三跨断面模型网格划分示意

假定数值模拟模型不变，各土层描述和计算参数不变，模型尺寸信息见表3。

表3 数值模拟模型参数

对比数值分析结果可以发现，采用PBA法施工的浅埋地铁车站土体最大位移发生在车站结构两侧的拱顶处，因埋深较浅，沉降槽曲线呈“W”形分布(见图12)，地表沉降区域分布在车站拱顶上部地表处，沿车站轴线近似对称(见图13～图15)。

图12 地表沉降曲线

图13 两层三跨模型最终沉降示意

图14 两层四跨模型最终沉降示意

图15 三层三跨模型最终沉降示意

施工引起的大量沉降集中在导洞开挖和初支扣拱阶段，约占总沉降的90.0%，桩、柱、纵梁施作阶段和土体开挖及二衬施作阶段，几乎不产生沉降。在导洞开挖阶段和桩、柱、纵梁施作阶段不同断面的沉降速率几乎相同，在初支扣拱时产生较大的差别，从而导致最终沉降量的差异。说明导洞开挖与初支扣拱是PBA法产生沉降的主要原因，而初支扣拱阶段是不同断面产生沉降产生差异的主要阶段(见图16)。

图16 地表沉降随施工进度的时间曲线

此外，相较于两层三跨断面，两层四跨断面地表最终平均沉降值约为两层三跨断面的1.1倍，地表最大沉降值增加24.2%。不难看出，跨度的增加并未使沉降量明显增加，因为土体最大位移发生在车站结构两侧的拱顶处，而车站埋设较浅，拱顶的沉降并未延展到车站中心线的地表处。三层三跨断面和两层三跨断面的最终沉降量近似相同。原因在于，隧道洞径的增加引起开挖临空面的增加，从而导致围岩越易变形。因此，在初支扣拱时造成更明显的地表沉降，而在拱的有效保护下增加洞室高度或地铁车站结构层数不会导致地表沉降发生较大增长。

根据现场实际监测数据，分别提取相同地层条件下不同断面、不同跨度的拱结构顶部地表最终沉降值，结果见图17。从图17中可以发现，随着拱部跨度的增加，地表沉降值增大。拱顶沉降与拱结构跨度呈现明显的正比例关系。