黄土地区PBA法暗挖车站快速施工关键技术研究*

2024-02-26商学旋徐岩军黄开雷

施工技术(中英文) 2024年1期

商学旋,徐岩军,黄开雷,杨焜,刘义,席宇,李伟

(1.陕西建工集团股份有限公司铁建工程部,陕西西安 710004;2.陕西省建筑科学研究院有限公司地下空间工程研究所,陕西西安 710082)

0 引言

PBA(pile-beam-arch)工法结合了暗挖法和盖挖法的特点[1],施工占用场地小,无须进行地面交通导改,施工过程中路面及周边建筑物的变形控制效果较好[2],尤其适用于城市密集区的地下地铁车站建设。

导洞开挖是PBA工法施工的首要工作,为后续施工提供作业空间[3],一般可开挖3～8个导洞,并通过不同的导洞开挖顺序进行灵活组合。合理的导洞开挖方案至关重要,既要有利于开展后续工作,也要充分考虑如何抑制群洞效应,减小对土体的扰动。贾蓬等[4]研究了北京地铁6号线东四站采用不同开挖顺序对小导洞和车站拱顶竖向土压力分布的影响。李润军[5]研究了暗挖车站双向小导洞不同开挖顺序和错距时的变形规律。张振波等[6]对北京地铁1号线苹果园站PBA工法导洞开挖顺序进行了数值分析,对比了单导洞开挖、分组双导洞开挖等对既有车站变形的影响。

PBA工法已经广泛应用于北京市地下暗挖车站施工中,相关理论及施工技术均已较成熟,吴精义等[7]基于监测数据和数值模拟分析了位于粉细砂层的北京地铁PBA车站在不同降水条件下的地表沉降规律。廖秋林等[8]详述了位于富水砂卵石地层的北京地铁7号线达官营站的施工关键技术。王勇等[9]分析了北京地铁16号线两个分别处于砂卵石和粉质黏土的车站采用PBA工法修建时的地表沉降规律。与之相反的是,目前PBA工法在湿陷性黄土地区的应用经验仍十分有限,由于黄土力学特性与北京的砂卵石地层具有显著不同,因而有必要对黄土地区PBA工法暗挖车站的施工技术进行深入研究。

在黄土地区,西安地铁2号线何家营站是首次应用“上四下二”六导洞开挖方案的暗挖车站。出于缩短工期的需求,本文基于黄土地区的土体特性,对车站施工的关键工作——导洞开挖的设计方案进行了优化,提出了上、下部导洞同时开挖、错距进行的方法,通过数值模拟对比分析了优化前后方案的安全性,并从工期和费用两个方面综合说明了优化开挖方案的技术经济性,可为黄土地区类似工程提供参考。

1 工程概况

1.1 项目概况

西安市地铁2号线二期南延工程起于常宁站,北至韦曲南站,长3.42km,设何家营、常宁宫两座车站,其中何家营站为地下暗挖岛式车站,位于长安区神禾二路与南长安街十字路口北侧,沿南长安街敷设,地面道路宽44m,双向6车道,如图1所示。何家营站设计采用三跨两柱地下2层现浇直墙三连拱结构,结构标准段宽度21.9m,高度16.5m,长度191.7m,车站结构断面如图2所示。

图1 车站总平面布置

图2 车站结构断面

车站正线采用PBA工法暗挖施工,采用“上四下二”导洞法开挖,如图3所示。其中上部小导洞开挖宽度为4.0m,开挖高度为5.0m,采用台阶法施工,下部大导洞开挖宽度为11.4m,开挖高度为6.0m,采用CD法施工。

图3 导洞开挖形式

1.2 工程地质条件

该项目所在地貌单元属一级黄土台塬(神禾塬)区,按地层沉积年代、成因类型,将勘探范围内的土层划分为第四系全新统人工填土层、第四系上更新统地层、第四系中更新统地层三大类场地。各地层厚度、埋深变化不大。车站主体结构主要位于老黄土④1-1(具轻微湿陷性)、古土壤④2-1中,综合围岩级别为V级,工程地质剖面及模拟分析区段如图4所示。

图4 工程地质剖面

由于拟建场地未见地表水,地下水位于结构底板附近,施工前已采取降水、止水措施,故在后续分析中未考虑地下水的影响。

2 导洞开挖方案

导洞开挖是进行车站主体结构施工的首要工作,也是决定项目工期的关键。同时,地表沉降变形在导洞开挖阶段的占比较大,因此采用合理的导洞开挖方案是缩短工期及进行地表变形控制的关键。

导洞开挖方案主要包括导洞的开挖顺序和支护措施两个方面,本文主要针对导洞开挖顺序进行优化设计。

2.1 导洞开挖顺序

对本项目的组合导洞进行逐一编号,为方便表述,将下导洞从中隔壁两侧分为2个小导洞,导洞编号如图5所示。

图5 导洞编号

根据相关理论研究成果和工程经验,为了降低群洞效应、减小地层扰动,各导洞间应错距开挖,使相邻开挖面之间保持10～15m的距离为宜;同时在水平方向应遵循“先边后中”的开挖原则[10-11]。

由于本项目下导洞跨度较大,考虑到导洞整体受力的合理性,采用“先下后上”的开挖顺序可以确保在初始相对比较稳定的土层状态下开挖下导洞,且上、下导洞之间的内力相互影响较小,安全系数更高,同时亦可使上导洞免受下导洞开挖产生的二次扰动。基于此,本项目的设计开挖方案遵循“先下后上、先边后中”的开挖顺序,先逐次开挖下部两侧边导洞,然后再开挖下部中导洞,各相邻开挖面确保最小错距10m。在下导洞全部开挖完成后再进行上导洞开挖。设计导洞开挖方案如图6所示,图中横向一格的距离表示前后工序开挖错距10m。

图6 设计开挖方案

由于项目工期紧张,为加快施工进度,本文对原方案进行了优化,在“先边后中,错距开挖”的原则下同时开挖上、下导洞。第1步先开挖上部边导洞,而后再逐次开挖下部边导洞、下部中导洞,最后开挖上部中导洞,各相邻开挖面之间保持最小错距10m。优化开挖方案的具体开挖顺序如图7所示。

图7 优化开挖方案

优化开挖方案对“先下后上”和“先上后下”进行了折中考虑,上、下导洞之间保持错距开挖、同时作业。相比于原设计开挖方案,优化方案可同时开展的作业面更多,且由于上、下边导洞均能较早地开挖,后续的边桩施工可紧随其后进行,从而加快施工进度,有效缩短工期。但下导洞开挖时势必对已完成初期支护的上导洞产生影响,引起上导洞初支结构的位移和变形,具有一定的安全风险。

2.2 导洞支护措施

为确保施工安全,在导洞开挖前对导洞上方地层进行超前小导管注浆加固,沿拱部外轮廓打设超前小导管,环向间距0.3m,外径d=42mm,长度L=3m,外插角为10°～15°。

导洞开挖每次进尺0.5m,采用台阶法开挖,及时施作初期支护。采用“钢格栅+钢筋网片+喷射混凝土”作为支护结构,格栅钢架在车间分块加工制作,在洞内地面拼装,各单元间使用螺栓连接,上、下导洞格栅钢架的厚度分别为0.25,0.30m,纵向连接筋分别采用φ22和φ25钢筋。在开挖台阶处设2根φ42×3.5锁脚锚管,确保与钢架焊接牢固。

3 计算模型

为研究车站主体导洞采用不同开挖方案时对地层变形和初支结构的影响,本文采用岩土工程领域专用有限元分析软件MIDAS GTS NX建立三维数值分析模型。

3.1 模型建立

为提高建模分析的效率,在确保计算可靠性的基础上进行下述假定或简化。

1)地表是水平的,各土层厚度均匀,取地质勘察报告中实际土层厚度的平均值。

2)初支结构和锁脚锚管分别采用2D板单元和1D植入式桁架单元模拟[12],如图8所示。两者均按线弹性材料考虑,其中初支结构根据等效刚度原则计算复合弹性模量。

图8 导洞支护结构

3)通过在施工步中选择“改变材料属性”来模拟土体的注浆加固效果。

4)每个施工步开挖进尺0.5m,简化考虑为全断面开挖,开挖、支护同步进行。

5)模型计算时不考虑地下水的作用。

沿导洞进深方向,在车站中部取长度为35m的开挖区段作为模拟段,模型上边界取至地表,下边界从下导洞底部向下延伸约3倍开挖高度;左、右边界从车站导洞两侧开挖边界分别向外延伸约3倍车站宽度[13],整体模型尺寸为160.0m×62.3m× 35.0m,如图9所示。

图9 有限元模型

3.2 边界条件及荷载

对整体模型的底部施加固定约束,约束模型四个侧面的法向位移,模型上部地表为自由边界,无约束。模型所受荷载为土体自重及20kPa地面超载。

3.3 材料参数

模型中土体采用修正莫尔-库伦本构,能够较好地体现其加、卸荷时的刚度差异,避免出现使用莫尔-库伦本构时开挖回弹量过大的问题[14]。模型自上而下划分了6个土层,各土层的物理力学参数如表1所示。

表1 土体物理力学参数

导洞的结构材料包括初支结构、锁脚锚管及注浆土,其中将导洞初支结构考虑为线弹性单一均质材料,参数如表2所示。

表2 结构材料参数

4 结果对比分析

对两种导洞开挖方案分别进行施工阶段模拟,模型沿导洞方向的变形趋势基本一致,在模型中部的变形较大。故选取模型中间部位沿导洞开挖方向的截面,分析开挖完成后的地表沉降变形和导洞初支结构的应力及变形以对比方案的安全性。此外,从工期和费用角度进行方案的技术经济指标对比分析。

4.1 地表沉降变形

进行地下暗挖车站施工会引起地表沉降,其沉降值大小是施工过程中重要的变形控制指标,也是评价方案优劣的关键参数。选定截面处原开挖方案和优化开挖方案对应的地表沉降结果如图10所示。

图10 不同开挖方案的地表沉降对比

从图10可以看出,车站导洞开挖完成后,地表沉降沿车站中线基本对称并呈槽形分布,在车站中线位置的地表沉降值最大。原方案和优化方案产生的最大地表沉降分别为36.37,31.08mm,按优化方案开挖产生的地表沉降更小,其主要原因是上导洞先开挖后,随着地层变形在其上方形成天然土拱,能够将部分覆土荷载传至两侧。且上导洞的初支结构和对导洞上方土体的注浆加固措施一定程度上增强了车站上方的土体刚度,减小了下导洞开挖引起的地表沉降。

4.2 导洞初支结构变形及弯矩

为分析导洞初支结构的变形及受力情况,在导洞初支结构上选取若干节点,如图11所示。

图11 导洞节点选取

导洞拱顶和仰拱中部的竖向变形如表3所示。

表3 导洞竖向变形

从表3可看出,采用优化方案开挖时,上1导洞的拱顶竖向变形明显增大,其余导洞节点在采用优化方案开挖时的竖向变形均略小于原方案。因此优化开挖方案,主要对先行开挖的上部边导洞的变形不利,故应在其施工放样时提前考虑一定的外放量。

各导洞初支结构在拱顶、侧墙中部和仰拱中部的弯矩如表4所示。

表4 导洞初支结构弯矩

从表4可看出,采用优化方案开挖时,上1导洞初支结构拱顶、仰拱的弯矩有小幅增长,其余导洞初支结构上选取点的弯矩略小于原方案。

综上所述,按优化方案开挖时,对上部边导洞的结构受力是较为不利的,但总体上增长不大;对中导洞和下部边导洞的结构受力较为有利。

4.3 技术经济指标

两种不同方案的导洞开挖工效不同,本文从工期和费用两个主要技术经济指标对比了两种方案的技术经济性,优化方案和原设计开挖方案的技术经济指标对比如表5所示。

表5 不同开挖方案技术经济指标对比

由表5可知,按优化开挖方案进行导洞开挖,可以极大提高施工效率,缩短施工工期,有效降低施工成本。

4.4 小结

为分析原设计方案和优化方案的施工安全性,综合比较了两种方案开挖时的地表沉降、导洞初支结构变形及内力,并进行了两种方案的技术经济指标对比分析。结果表明:采用优化方案开挖时,地表沉降较小;上部边导洞的拱顶竖向变形明显增大,需采取施工措施加以控制。其余导洞的竖向变形均略小于原方案;上部边导洞的初支结构弯矩有小幅增长,其他导洞初支结构弯矩则略有减小。优化方案可以在确保安全的前提下提高施工效率,达到缩短工期的目标。因此,本项目最终选择按优化开挖方案进行导洞施工。

5 施工监测结果对比

施工过程中,在车站暗挖范围内,通过地表上沿车站正线方向间隔布置的监测点进行地表沉降变形的实时观测,位于模拟区段中部开挖断面上的监测点布置如图12所示。

图12 地表监测点布置

选取模拟区段的中间位置,将导洞开挖阶段施工完成后各监测点的实测沉降值与优化开挖方案对应的模拟结果进行对比,如图13所示。

图13 地表沉降模拟值与实测值对比

由图13可知,导洞开挖完成后的实测地表最大沉降为37.72mm,比数值计算结果高出约6.64mm,其主要原因为:①模型中开挖与支护是同步进行的,而实际施工时为先开挖后支护,导洞初期支护滞后于开挖;②实际施工时在边导洞具备作业空间后即开始进行边桩施工,使地层变形进一步增大。总体来看,数值模拟结果与实测数据吻合较好。

该项目的监测等级为一级,要求施工导洞完成后车站上方地表的最大累积沉降值≤50mm,故按优化方案施工的地表沉降满足施工控制要求。