近接地下通道洞桩法车站施工力学特性研究

陈熹，高波，申玉生，侯旭丰

(西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

近接地下通道洞桩法车站施工力学特性研究

陈熹，高波，申玉生，侯旭丰

(西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

摘要:以新疆乌鲁木齐地铁八楼站为工程依托，分析浅埋暗挖车站洞桩法施工对既有地下人行通道的影响规律，采用FLAC3D数值分析软件模拟洞桩法施工过程，研究洞桩法施工过程中地下通道产生的位移值以及内力值变化规律。在横断面内分析洞桩法各工况引起的地下人行通道的沉降量及水平位移值变化规律，得出各个工况产生沉降量、水平位移值的比例，分析各工况下地下人行通道结构内力变化规律，总结对结构内力影响最大的工况及其影响程度，并得出洞桩法施工的安全及稳定性较好，能够较好保护临近建筑物的结论，可为类似的洞桩法近接施工工程提供参考。

关键词：洞桩法；地下通道；地铁车站；近接施工

随着我国地铁大规模的发展，在地面建筑物多、地下管网密集、地表沉降要求较高的地铁车站建设中，洞桩法被广泛的应用，洞桩法又称PBA法，是基于对地层不产生大扰动前提下，利用小导洞和钻孔桩技术进行开挖的工法，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[1-5]。PBA工法包括顺作法和逆作法，顺作法即利用小导洞施工钻孔围护桩和中柱，在建立桩、梁、柱支撑体系，然后扣拱，在拱顶的保护下再向下逐层开挖土体，按设计要求架设钢支撑至标高，再由下而上修筑内部主体结构。逆作法即在建立起桩、梁、柱支撑体系并扣拱后，在支护体系的保护下逐层向下开挖土体，一边开挖一边自上而下施作内部结构[6-10]。目前关于洞桩法近接施工的研究已经取得了一定的成果，王霆等[11]依托北京地铁10号线黄庄站工程,基于地表和管线沉降的实测数据,建立“车站结构-地层-管道”三维耦合有限元模型，研究车站洞桩法施工对地层和管道的影响。何海健[12]结合北京地铁号线国贸站工程探讨了地铁洞桩法施工对邻近桥桩的影响,并提出了地铁邻近桥桩施工的控制措施。杜彬等[13]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，总结了车站上侧桩、中侧桩、下侧桩等邻近桩基的变形规律。宋健等[14]根据沈阳地铁中街站大跨度隧道洞桩法开挖施工过程中引起地表沉降变形的现场跟踪监测数据，分析得出隧道开挖过程影响地表沉降变形的特征和规律。

1工程概况

八楼站是乌鲁木齐城市轨道交通1号线的中间站，车站长329.3m，宽23.3m。车站有效站台中心里程处顶板覆土12.71m，车站东端起点处顶板覆土11.927m，车站西端终点处顶板覆土2.448m，车站中心里程处轨面埋深26.94m(绝对标高782.020m)，底板底埋深28.74m。车站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，标准段宽为23.3m，车站高度为16.68m，采用锚杆支护及格栅钢架与网喷混凝土联合支护。

新医路地下通道主道净宽5.1m，净空2.9m，覆土4.0～4.6m，地下通道距暗挖车站主体拱部2.2m，平面结构布置为回字形，标准段采用预制箱涵，见图1。该地下通道结构承载能力差，预制箱涵变形缝处受不均匀沉降作用明显，下方暗挖施工时，对通道造成很大影响，是一级环境风险工程。

场地范围内主要地层由冲积、洪积河床堆积形成的第四系全新统—晚更新统圆砾、卵石及下伏的侏罗系泥岩、砂岩构成，地表广泛分布人工素填土和杂填土，在卵砾石层中局部分布透镜体状黏质粉土、粉土和粉细砂。

选取工程典型横断面(如图2)为建立模型的依据，地表土层为①-1杂填土，下部土层依次为：②-10卵石、⑤-1-2强风化泥岩、⑤-2-2强风化砂岩、⑤-1-3中风化泥岩。其中强风化泥岩地层与强风化砂岩地层呈互层状且倾角较大。

单位：mm图1　地下通道与车站主体结构尺寸图Fig.1 Size of underpass and main structure of station

图2　八楼站标准断面地质剖面图Fig.2 Geological section map of Balou station

2洞桩法施工数值模拟

2.1数值模型

本文计算主要采用大型有限差分FLAC3D软件，依据八楼站工程实例，建立模型横向宽80m，高50m，考虑到地下横通道的长度，模型纵向长度取60m。上中导洞拱顶距地面埋深10m，上部左右侧小导洞开挖宽度4.6m，开挖高度5.1m，中导洞开挖宽度9.4m，开挖高度5.6m。围岩、导洞初支、二次衬砌、钢管桩冠梁、中导洞纵梁及车站中部立柱均采用实体单元模拟，围护钢管桩及开挖过程施做的锚索分别采用FLAC3D中特有的Pile单元和Cable单元模拟。中部钢管桩长12m，桩顶部及底部纵梁尺寸高×宽=2.5×1.4m。围护钢管桩长16m，桩径0.22m，桩间距取0.5m，钢管桩顶部深入冠梁0.5m，顶部冠梁尺寸高×宽=0.7×1.5m。

采用ANSYS建立模型并导入FLAC3D进行计算，综合考虑建模的便捷性以及模拟结果的可靠性将模型进行适当简化。

图3　模型网格图Fig.3 Grid of model

3.2岩土体及支护参数

围岩采用摩尔库伦材料，初衬、二衬采用线弹性材料，钢管桩采用pile单元模拟，锚索采用Cable单元模拟，具体参数见表1、表2和表3。

表1　模型材料参数表

表2　钢管桩参数

表3　锚索参数

2.3开挖模拟

开挖进尺为1.0m，以10m为一个开挖循环进行模拟，每个开挖进尺工况中以是否施作中桩为区分依据可分为普通开挖工况和需要施作中桩的开挖工况，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，上层中间一个大导洞，两侧各一个小导洞，下层中间一个大导洞，开挖主要采用顺作法，即利用小导洞施工钻孔围护桩和中柱，在建立桩、梁、柱支撑体系，然后扣拱，在拱顶的保护下再向下逐层开挖土体，再由下而上修筑内部主体结构。

其施工工序见图4。

图4　开挖工序Fig.4 Construction sequence of Balou station

为了消除模型边界效应的影响，地下通道的监测断面取在纵向30m位置，主要分析开挖工序对地下通道监测断面的位移及内力影响，水平位移以水平向右为正方向，竖向位移以竖直向上为正方向，监测断面的监测点设置如图5：

开挖完成后的模型见图6：

图5　地下通道横断面监测点设置图Fig.5 Monitoring sites of underpass

图6　模型开挖完成图Fig.6 Model after excavation

3结果分析

3.1横断面计算结果位移分析

为了避免边界效应的影响，分析的典型断面选取为30m处横断面，主要分析横断面内各个开挖工况对于地下通道监测点位移的影响，以期获横断面内洞桩法开挖对任一地下通道横断面的位移影响规律。

顶板位置设置有3个监测点，将其沉降值监测结果见图10。

图7　不同工况顶板监测点沉降图Fig.7 Settlement curve of monitoring sites at roof position in different construction steps

通过图7可以看出，顶板位置出现不均匀沉降，但各个监测点的沉降值在不同开挖工况下的变化规律相似，本次开挖循环中，C点的最终沉降值在三个测点中最大，为2.6mm，同时整个开挖循环过程中C点的沉降量增加值也最大，为0.8mm；相应B点最终沉降量为2.3mm，沉降量增加值为0.7mm；A点的最终沉降量为2.1mm，沉降量增加值为0.6mm。

顶板位置由上中部导洞开挖引起的沉降量约占总沉降的10.2%，下中部导洞开挖引起的沉降量约占总沉降的21.6%，两侧小导洞开挖引起的沉降量约占总沉降的13.9%，在扣拱工况时产生的沉降值最大，占总沉降的34.5%，开挖土体引起的沉降量约占总沉降的19.8%。造成这种沉降量分布规律的主要原因分析为：各个导洞在开挖过程中与地下通道形成一定的群洞效应，影响相互叠加，故而有45.0%左右的沉降量在各个导洞开挖的工况下产生；扣拱工况中需要先开挖上部导洞间的土体然后扣拱形成整体支护体系，开挖上部导洞间的土体的过程中由于距离地下人行通道较近，开挖范围较大，对地下人行通道产生了较大扰动，产生了单个工况下的最大沉降量，约占34.5%；在开挖土体工况中，由于整体支护结构已经形成，开挖产生的扰动较小，故仅产生了20%左右的沉降量。

底板位置设置有3个监测点，将其沉降值监测结果见图8。

图8　不同工况底板监测点沉降图Fig.8 Settlement curve of monitoring sites at bottom position in different construction steps

通过图8可以看出，在本次模拟中，底板位置也出现了一定的不均匀沉降，其规律与顶板相似，本次开挖循环中，H点的最终沉降值在3个测点中最大，为2.6mm，同时整个开挖循环过程中H点的沉降量增加值也最大，为0.9mm；相应G点最终沉降量为2.2mm，沉降量增加值为0.8mm；F点的最终沉降量为2.1mm，沉降量增加值为0.8mm。

底板位置由上中部导洞开挖引起的沉降量约占总沉降的11.2%，下中部导洞开挖引起的沉降量约占总沉降的26.9%，两侧小导洞开挖引起的沉降量约占总沉降的10.7%，在扣拱工况时产生的沉降值最大，占总沉降的34.3%，开挖土体引起的沉降量约占总沉降的16.9%。造成这种沉降量分布规律的主要原因与顶板类似。

对于侧墙位置的2个监测点D和E，主要监测其水平位移值，监测结果如图9所示。

图9　不同工况侧墙监测点水平位移图Fig.9 Horizontal displacement curve of monitoringsites at lateral wall position in different constru-ction steps

通过图9可以看出，E和D2点的水平位移有一定的差值，最大的差值大约为0.13mm。对于E监测点，在上中部导洞开挖、下中部导洞开挖、两侧小导洞开挖3个工况时，水平位移基本保持不变，只有极少的增加量，在扣拱工况时水平位移才产生了一个相对较大的增加量，约为0.02mm，约占总体水平位移的63.3%，在之后的开挖土体工况中，水平位移又基本保持不变。对于D监测点，在上中部导洞开挖、下中部导洞开挖工况中，水平位移变化规律基本表现为单调增加，在两侧导洞开挖工况中，表现为先增后减，在扣拱工况中，水平位移产生了一个相对明显的增加量，约为0.05mm，约占总体水平位移的49.3%，在之后的开挖土体工况中，水平位移又基本保持不变。水平位移值较小的原因主要分析为地下人行通道埋深不大，侧土压力较小，同时由于有整体支护结构存在，施工过程中侧土压力变化值较小，侧墙水平位移主要由不均匀沉降引起，故水平位移值一直保持较小。

3.2横断面计算结果内力分析

为了避免边界效应的影响，内力分析的典型断面选取为30m处横断面，主要分析横断面内各个开挖工况对于地下通道监测点内力值的影响，以期获横断面内洞桩法开挖对任一地下通道横断面的内力影响规律。

各个监测点弯矩计算结果如图10所示，弯矩值以内侧受拉为正。

图10　不同工况监测点弯矩图Fig.10 Moments of monitoring sites in different co-nstruction steps

通过图10可以看出，下中部导洞开挖工况和扣拱工况对各个监测点弯矩值的影响最大。底板位置F，G和H3个监测点弯矩值变化最大，且变化规律基本一致，主要在下中部导洞开挖工况和扣拱工况产生了外侧受拉的弯矩，从弯矩数值上表现为减小，其中底板中G点弯矩值减小最多，整体开挖过程中由8.0kN·m减少至1.1kN·m，其中下中部导洞开挖工况和扣拱工况引起的弯矩值减小约占总减少量的95.3%，其主要原因分析为下中部导洞开挖工况和扣拱工况开挖范围较大，底板位置围岩有一定的沉降趋势，故而引起底板处产生外侧受拉弯矩。顶板位置监测点受底板变形以及其内力变化的影响，产生了内侧受拉的弯矩，顶板最大弯矩变化值约为3.5kN·m。侧墙位置监测点离底板下部围岩有一定距离，受到影响较小，弯矩值基本比较稳定。

各个监测点轴力计算结果如图11所示。

通过图11可以看出，各个监测点轴力值受下中部导洞开挖工况和扣拱工况影响最大。其中底板位置F，G和H3个监测点轴力值变化最大，在导洞开挖过程中轴向压力基本保持增长趋势，在扣拱工况中，由于不均匀沉降等因素影响，F和G监测点轴向压力保持增加，但H监测轴向压力降低，其原因主要分析为H点位置处围岩产生的位移更大，应力相对释放更充分。最大轴向压力变化值出现在G点位置，约为41.2kN，其中下中部导洞开挖工况和扣拱工况产生的轴力变化量约占总量的73.8%。顶板各监测点轴力数值较小，变化幅度较小，轴向压力基本保持增长趋势，最大轴向压力变化量为21.5kN。在整个开挖过程中，侧墙位置监测点D和E轴向压力基本保持减少的趋势，其中下中部导洞开挖工况和扣拱工况产生的轴力变化量占总量的80%左右，扣拱完成后，监测点D和E产生了一定的轴向拉力，其原因主要分析为由于地下通道上部及两侧围岩对结构有一定约束作用，使顶板沉降值略小于底板，故在侧墙位置产生了一定受拉趋势。

各个监测点剪力计算结果图见图12。

图11　不同工况监测点轴力图Fig.11 Axial force of monitoring sites in differentconstruction steps

图12　不同工况监测点剪力图Fig.12 Shear force of monitoring sites in differentconstruction steps

通过图12可以看出，下中部导洞开挖工况和扣拱工况对各个监测点剪力值的影响最大。从数值上来看，底板位置的监测点剪力基本保持正向增长趋势，顶板位置的监测点基本保持负向增长趋势，而侧墙位置的监测点剪力变化较小。剪力值变化较大的监测点为底板位置的G和H监测点和顶板位置的C监测点，产生这种情况的原因主要分析为结构不均匀沉降规律为沉降值从左到右逐渐增大，各工况引起的顶板和底板位置右侧的结构变形(主要是沉降)较大，对结构剪力影响也较大，故主要在靠近右侧的监测点剪力值变化较大。G和H监测点剪力变化值分别为18.3kN与35.5kN，其中下中部导洞开挖工况和扣拱工况产生的剪力变化量约占总量的90%以上，C监测点剪力变化值为11.3kN，其中下中部导洞开挖工况和扣拱工况产生的剪力变化量约占总量的96.2%。其他监测点剪力变化幅度较小，剪力值基本比较稳定。

4结论

1)从地下通道横断面上的竖向位移结果分析可以得知，导洞开挖产生的沉降量约占沉降总量的50%，而扣拱产生的沉降量约占沉降总量的35%，土体开挖的沉降量约占沉降总量的15%。

2)从地下通道横断面上的水平位移结果分析可以得知，导洞开挖对侧墙水平位移影响不大，而扣拱工况则对侧墙水平位移有较大影响，约占水平位移总量50%，土体开挖工况基本不对水平位移产生影响。

3)从地下通道横断面上的内力结果分析可以得知，中部导洞开挖工况和扣拱工况对结构内力影响十分明显，其产生的内力变化量基本占总变化量的70%以上，同时底板位置受施工影响最大，其内力变化较为明显。

4)从数值上看，位移值、内力变化值普遍较小，说明采用洞桩法施工的安全及稳定性较好，能够较好的保护临近建筑物，与文献[15]中的结论一致。

5)由于地下通道位置并不在车站中线位置，开挖会产生一定的不均匀沉降，其规律为距离车站中线越近的监测点具有越大的沉降量。

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Influence of Subway station mined in shallow stratum with cavern-pile method on existing underpass

CHEN Xi, GAO Bo, SHEN Yusheng, HOU Xufeng

(MOEKeyLaboratoryofTransportationTunnelEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

Abstract:Relying on the project at the subway station of BaLou in Urumqi, Xinjiang, this paper analyzed the influence of subway station mined in shallow stratum with PBA method on existing underpass. The cavern-pile construction procedure was simulated using FLAC3Dnumerical analysis software to study the variations of internal force value and displacement in underpass during the construction. The variations of sedimentation and horizontal displacement in underpass under each condition of the cross sections were analyzed, and the proportions of sedimentation and horizontal displacement of each condition were concluded. The change rules of internal force values in underpass under each condition of the cross sections were obtained. Finally, the conditions that influence internal force the most and their occurrences were identified. The results show that the cavern-pile method has a better safety and stability and thus can protect the surrounding buildings. The finding in this paper can also provide useful reference for similar construction projects using the cavern-pile method.

Key words：cavern-pile method; underpass; subway station; adjacent construction

收稿日期：2015-11-21

通讯作者：高波(1959-)，男，黑龙江鸡西人，教授，从事隧道及地下工程研究；E-mail：progaobo@swjtu.edu.cn

中图分类号：U231+.3

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)05-0950-08