北京地铁七号线达官营站洞桩法开挖数值模拟研究

(中铁建中非建设有限公司，北京 100855)

地铁暗挖车站几乎都是大断面的开挖，施工难度大，施工过程中产生的过大地表沉降和变形会对地面建筑物以及地下管线的安全造成巨大威胁[1-4]，因此必须进行研究。暗挖车站常采用受力合理，沉降控制较好的洞桩法(PBA法)施工，洞桩法又称“洞、桩、墙”暗挖逆作法，该法吸取了盖挖法和暗挖法的优势，利用小导洞和钻孔桩技术对地层不产生大的扰动的前提下，先进行小导洞的开挖，进而形成梁、柱纵向支撑体系，最后完成扣拱，从而全面形成纵横向框架空间支撑体系，然后在此支撑体系保护下进行站厅层和站台层的开挖。

洞桩法已在北京多个地铁车站工程中应用，有效地降低了暗挖引起的地表沉降量。部分学者和工程技术人员对此也进行了相关研究，如杜彬 等[5]以北京地铁国贸站工程为背景，分析了大跨度分离式地铁车站采用洞桩法施工对周围地层及邻近桩基的影响。瞿万波 等[6]以洞桩法施工的北京地铁10号线工体北路站大断面群洞交叉隧道为工程背景，采用三维有限元数值模拟方法对其初衬结构力学行为进行研究。王霆 等[7]以北京地铁10号线黄庄站工程为背景，对洞桩法施工对地层和刚性接头管线的影响进行了分析研究。袁扬 等[8]对洞桩法施工地铁车站导洞开挖方案进行了优化分析。这些应用和研究充分证明洞桩法在松散软弱土层中进行浅埋大断面洞室开挖的优越性。然而，由于不同工程的特殊性，对于复杂的地铁车站仍必须进行具体分析。

1 工程简介

北京地铁7号线达官营站位于三里河南延路和广安门外大街交叉路口以东，沿广安门外大街东西向布置，车站中心里程K2+105.000。车站为地下二层三跨岛式站台车站，地下一层为站厅层，地下二层为站台层。车站共设两组风道，4个出入口及1个消防出入口等附属结构，总建筑面积16 493 m2(不含地面建筑面积)。其中车站主体结构长235.80 m，宽约23.75 m，顶板标高35.826 m，覆土厚度9.17 m，底板标高20.776 m，埋深约为24 m。

地铁7号线达官营站所处场地土层按地层沉积年代、成因类型由上到下依次划分为为人工堆积层(杂填土、粉土填土)、新近沉积层(粉细砂、圆砾)、第四纪晚更新世冲洪积层(卵石、粉细砂、强风化砾岩)，下第三系沉积四大层(见图1)。由于车站所处位置近3～5 a潜水水位标高为22.55 m，车站底部标高为22.624 m，车站主体位于潜水水位以上，且开挖前已将水位降低至车站底板以下1 m，车站施工处于无水作业状况，因此不考虑地下水的影响。

图1 天桥、管线与达官营车站位置图(单位：mm)

达官营车站里程K2+44.400正上方还有人行天桥，天桥主梁宽5.0 m，转弯处宽3.0 m，桥梯全宽2.5 m，桥下净空4.8 m。全桥平面呈“工”字形，南北两桥主跨为27.0 m，副跨均为10.75 m。车站开挖面以上管线众多，其中截面为Φ1 600×1 800 mm的电力方沟，Φ800 mm自来水管和Φ1 600 mm雨水管离车站距离较近，天桥、管线与达官营车站位置及尺寸如图1所示。

车站采用暗挖法施工，由于车站所处位置地层条件复杂，管线众多，且近距离下穿人行天桥，工程施工难度大，为了保证施工安全及城市道路等的正常运行，对洞桩法开挖引起的稳定性问题进行研究，为工程的顺利实施提供依据。

2 达官营站洞桩法开挖模拟研究

2.1 几何模型及边界条件

模型尺寸的确定原则：在保证计算结果准确性的前提下，减少计算单元，加快计算进度。由于车站所处土层分层较为均匀，无大的破碎带与断层，且车站在纵向长度范围内尺寸未发生变化，可以考虑为平面应变问题。因此，截取车站里程K2+14.400至K2+60.900的纵向长度46.5 m为厚度(大概为车站长度的1/5)；根据一般模拟经验，隧道建模尺寸每边应为巷道尺寸的3～5倍，可消除边界影响，因此横向长度取82.8 m(为上(或下)小导洞组直径的3倍)；高度取50 m (约2倍车站底板到地面的距离)，建立几何模型如图2所示。桥柱从左至右分别为1#桥柱，2#桥柱，3#桥柱，4#桥柱，天桥桥柱截面尺寸为1.0 m×0.5 m，高度为分别为2.5 m，4.8 m，4.8 m，2.5 m，计算得出施加于桥柱的压应力分别为408.86 kPa，1 675.14 kPa，1 675.14 kPa，408.86 kPa。车站结构见图3，采用AutoCAD-Ansys-Flac3D的建模手段来进行PBA复杂开挖工法的开挖模拟，通过对不同土层、结构进行分组的形式来控制诸如开挖回填、施做衬砌等模拟。土体开挖和结构的破除采用空模型(null)来实现，回填采用为空模型赋新参数来模拟移除开挖掉的材料。 采用实体单元模拟格栅钢架、网喷混凝土、模筑混凝土等支护结构。

模型边界条件：侧面和底面均为位移边界，侧面限制水平移动，底部限制垂直移动，上边界为自由面。

2.2 岩土体及支护材料参数

根据土工试验结果，各土层的物理力学参数见表1，工程材料的物理力学参数见表2，管线除电力方沟为砖砌结构外，都为混凝土结构，管线单元的物理力学参数见表3[9]。超前小导管加固采用注入水玻璃与稀硫酸混合浆液预加固措施以提高围岩的稳定性，计算采用等效方法，在模拟计算时依据经验将围岩参数中的B、K、c、Ф值提高50%[9]。数值模拟中本构模型采用Mohr-Coulomb模型。

表1 各土层物理力学参数表

表2 工程材料的物理力学参数

表3 管线单元物理力学参数

2.3 开挖过程模拟分析

洞桩法施工开挖步骤如图4所示。开挖完成后，车站结构竖直方向沉降量等值线见图5。从图5中可以看出，沉降量的增加源自于车站周围的土体变形，而车站二衬结构变形很小。

在数值模拟中对模型中心DB-03位置处(图2)地表沉降值进行监测，获取地表沉降曲线如图6所示。

图4 总体施工步骤示意图

图5 车站结构竖直方向沉降量等值线图 图 6 DB-03地表沉降量曲线图

从图6中可知车站PBA工法各阶段施工引起的监测点DB-03点地表沉降值。可以看出，PBA工法造成的地表沉降量主要集中在小导洞开挖和车站上部大导洞开挖阶段，两阶段沉降分别占总沉降量的64.7%和32.03%；其余阶段由于形成墙、柱、梁纵横向支撑体系，引起的沉降量很小；静力平衡阶段，车站二衬结构施工完成，在地应力作用下地表沉降出现部分回弹。

车站开挖完成后，根据数值模拟中所获取的地表各个监测点的最终沉降量绘制的沉降槽曲线如图7 所示。

图7 地表沉降槽曲线图

从图7中可以看出，地表沉降基本符合高斯公式，且最大沉降量小于30 mm，符合监测控制标准。数值模拟开挖中，桥基及管线变形如图8和图9所示。

图8 桥基变形曲线图 图9 管线变形曲线图

由图8和图9可见，桥基最大沉降分别为：1#桥基3.23 mm，2#桥基28.49 mm，3#桥基5.21 mm，4#桥基2.05 mm，2#桥基沉降量值超过限值且差异沉降超过6%，因此应采取加强措施。管线最大沉降量出现在车站大导洞开挖阶段，分别为：Φ800雨水管21.77 mm，1 600 mm×1 800 mm电力方沟30.84 mm，Φ800污水管1为30.91 mm，Φ800污水管2为28.23 mm，Φ1 600雨水管18.51 mm。根据《达官营站监控量测控制标准施工方案》，管线的控制沉降为20 mm，斜率控制为3‰，显然其中各个管线的沉降值均偏大，但满足斜率控制要求，因此，应在后续施工中加强监测和控制，避免管线因不均匀沉降差过大，造成剪切应力增大而导致管线的破坏。

洞桩法施做完成后中柱所受压应力最大，中柱下端条基处和中柱上部端处所受拉应力最大。因此应在这些部位进行加强。

3 结论

采用数值模拟方法研究了洞桩法车站施工对地表、桥基、管线，结构等的影响，得到以下结论：

(1)洞桩法开挖过程中，2#桥基及各个管线的最大沉降量超过限值，应在施工过程中加强监测。

(2)地表沉降方面，车站进站小导洞开挖阶段造成地表沉降约占总沉降量的64.7%，是PBA洞桩法施工中造成沉降量最大的阶段；柱、梁体系形成造成的沉降约占总沉降量的1.47%，车站大导洞开挖约占33%。因此，应加强对车站进站小导洞开挖阶段沉降量的控制。车站的地表最大沉降量位于车站模型中心处，地表沉降槽曲线基本符合高斯公式。

(3)洞桩法开挖过程中，车站结构应力分布较为均匀，局部出现应力集中现象。中柱作为结构的主要受力构件，承受较大竖向荷载、剪切荷载的双重作用，是结构的最不利位置，应进行重点监测，并采取相应的加强措施，确保施工安全。

参 考 文 献

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[2]刘维宁, 张弥，邝明. 城市地下工程环境影响的控制理论及其应用[J]. 土木工程学报, 1997, 30(5): 66-75.

[3]TAN Wenhui, SUN Hongbao, LI Runjun. Stability analysis on rectangular transition section tunneling in beiwan horsehead region of No.7 subway[J]. Advanced Materials Research：Trends in Civil Engineering, 2012, (446-449)：2224-2228.

[4]李怀鉴,张桂扬. 大断面连拱隧道暗挖工法数值模拟研究[J]. 石家庄铁道大学学报：自然科学版, 2013, 26(2): 51-56.

[5]杜彬，谭忠盛，王梦恕．地铁车站洞桩法施工对地层及邻近桩基的影响规律[J]．北京交通大学学报：自然科学版 ，2008，32(3)：30-36．

[6]瞿万波，刘新荣，傅晏，等．洞桩法大断面群洞交叉隧道初衬数值模拟[J]．岩土力学，2009(9)：2799-2804．

[7]王霆，罗富荣，刘维宁，等．地铁车站洞桩法施工对地层和刚性接头管线的影响[J]．岩土力学，2011(8)：2533-2538．

[8]袁扬, 刘维宁, 丁德云, 等. 洞桩法施工地铁车站导洞开挖方案优化分析[J]. 地下空间与工程学报, 2011, 12( 增刊2): 1692- 1696.

[9]孙宏宝. 地铁达官营站洞桩法开挖稳定性分析及地震作用下结构响应研究[D]. 北京：北京科技大学，2012.