东大桥站群洞施工开挖面距的优化分析

供稿|曹德更，冯志耀，潘旦光 / CAO De-geng, FENG Zhi-yao, PAN Dan-guang

内容导读

以北京地铁17号线东大桥站标准段为工程背景，研究PBA工法中小导洞开挖面距对地表沉降的影响。由5、10、15、20 m四种开挖面距下的数值计算结果表明：随着小导洞开挖面距的增加，地表沉降减少，但两者之间呈非线性变化关系；当开挖面距小于15 m时，增大开挖面距将显著减少地表沉降，当开挖面距大于15 m时，继续增大开挖面距对地表沉降的影响很小。实测结果表明当开挖面距为15 m时，满足工程沉降控制要求。

浅埋暗挖法因其拆迁占地少，对城市环境及周边居民、交通等影响小，已成为目前城市地铁车站修建的主要施工方法之一[1]，其中洞桩法(PBA法)利用预先开挖的小导洞施作桩、梁、拱、柱，使之形成主受力的空间框架体系，然后再进行主体断面的开挖，在大断面地铁车站施工中得到广泛应用[2，3]。

在洞桩法施工过程中，由于导洞多且相邻较近，各工作面相互干扰，容易产生群洞效应，是引起地表沉降的主要工序之一。王暖堂[4]采用有限元法研究了北京地铁复—八线王府井至东单区间隧道施工中，洞群施工顺序对地表沉降的影响；吴波[5]根据动态规划最优原理，以地表沉降作为目标函数，建立了城市地铁区间隧道群洞开挖顺序优化分析数学模型；白纪军[6]根据现场量测结果，对浅埋暗挖群洞施工引起的沉降进行了分析，并从施工技术的角度出发，提出了控制地表沉降的有效方法；刘成伟[7]通过对地表沉降的监测来了解在施工时地层的力学状态和稳定情况，分析了群洞施工时群洞之间的相互影响情况；胡国伟[8]结合施工全过程的非线性仿真及施工信息反馈，研究了群洞隧道开挖引起的地表沉降、拱顶下沉的规律；D. M. Potts和T. I.Addenbrook[9]用二维有限元研究了相邻隧道开挖的相互影响，对倒高斯函数曲线沉降槽进行了分析；潘旦光等[10]利用三维数值模拟，详述了地表沉降随导洞的施工顺序、工法、施工间隔和台阶长度的变化规律。

已有的研究表明影响群洞效应的因素很多，其中不同导洞工作面之间的距离(简称开挖面距)是一个重要的影响因素。合理的开挖面距与土体性质、地质条件等有关，本文以北京地铁17号线东大桥站南侧标准段施工为背景，针对东大桥站具体的地质条件和导洞施工方案，研究开挖面距对地表沉降的影响，以降低群洞效应导致的地表沉降。

工程概况

工程简介

东大桥站位于东大桥路、工人体育场东路与朝阳门外大街、朝阳北路相交的五叉路口，该地段为成熟社区和商业区，地面车流量大，交通繁忙。西北象限为工人体育场东路小区，西南象限为蓝岛大厦，东北象限有百富国际大厦、公交站场，东南象限为东大桥东里小区。车站主体沿东大桥路、工人体育场东路南北向设置，与既有的6号线东大桥站呈“T型通道换乘，并与规划APM线换乘。车站为岛式车站，15 m岛式站台，有效站台长186 m，车站总长336.8 m，标准段宽度为28.9 m，车站结构高19.67 m，中心里程处单层结构的覆土厚度约15.18 m，车站有效站台中心处底板埋深约33.6 m，车站工程平面图如图1所示。

工程地质

本工程位于北京市区东部的朝阳区，属平原地貌，地形较为平坦，地面高程约为39.2～38.4 m，勘察揭露地层最大深度为64 m。根据钻探资料及室内土工试验结果，按地层沉积年代、成因类型，将本工程场地勘探范围内的土层划分为人工填土层(Qml)、第四纪全新世冲洪积层()、第四纪晚更新世冲洪积层()三大类。人工填土层包括素填土层和杂填土层；第四纪全新世冲洪积层包括黏质粉土层、粉质黏土层、粉砂层、细砂层；第四纪晚更新世冲洪积层卵石层、中砂层、粉细砂层、粉质黏土层、黏土层、黏质粉土层、细砂层、砂质粉土层。车站拱顶位于粉质黏土、卵石层，底板位于卵石层、黏土层。

车站主体导洞设计与施工

车站主体段采用洞桩法施工，无水暗挖作业，车站标准段为暗挖双层双柱三跨结构，结构宽24.5 m，高19.57 m，各导洞间距及洞径尺寸如图2所示。采用“先边后中，先上后下，错洞开挖”的开挖顺序，具体开挖顺序为：导洞1、4—导洞3—导洞2—导洞5、8—导洞7洞—导洞6。开挖前用φ3.2 m×2.8 m小导洞对拱顶以外0.5 m范围内的土体进行预注浆加固，加固范围超前开挖面2 m，注浆浆液为水泥-水玻璃，注浆压力控制在0.2～0.5 MPa，采用上下台阶开挖，台阶长度控制在3～5 m，采用C20网喷混凝土加钢格栅与钢筋网片进行初支。针对既定的导洞施作方法和特定的地质条件，下文主要研究开挖面距对地面沉降的影响。

群洞施工开挖面距影响

模型建立

根据标准段群洞施工区域的尺寸，考虑到施工过程中的空间效应及模型的边界影响[11]，建立的模型尺寸为120 m×60 m×65 m，如图3所示。在土体本构模型方面，地层采用摩尔-库仑本构模型，开挖采用null单元模拟[12]。边界条件为顶面为自由边界，模型左右两侧面约束x方向水平位移，模型前后两侧面约束y方向水平位移，底面约束z方向位移[13]。

土层参数取值以《北京地铁17号线东大桥站岩土工程勘察报告》给出的岩土参数值为依据，其中内摩擦角和粘聚力是通过三轴试验(固结不排水)获得的。根据所给的土体压缩模量ES，由推导出初始弹性模量E0，并以初始弹性模量为基础，进行多次试算，通过反演的方式确定合理的弹性模量。依据室内土工试验的结果对部分性质相近的土层进行合并，合并后的土层共分为7层，各土层的力学参数如表1所示，各层土的构成如下。

1层土，29.5～38.5 m，由杂填土、素填土、粘质粉土构成；

2层土，22～29.5 m，由粉细砂、细中砂、圆砾构成；

3层土，16～22 m，由粉质黏土、黏质粉土构成；

4层土，6.5～16 m，由中砂、圆砾构成；

5层土，3 ～6.5 m，由粉质黏土构成；

6层土，-7～3 m，由中砂、卵石构成；

7层土，-26.5～-7 m，由粉砂、粉质黏土、粉细砂、粉质黏土、中砂构成。

表1 土层的力学参数

模拟开挖

在计算过程中，台阶长度设置为3 m，每次开挖进尺长度为1 m，依次分析5、10、15、20 m四种开挖面距下地表沉降的变化规律。

每个开挖面距下的具体计算分为以下几个步骤：①在重力作用下，计算地应力，形成初始地应力场，进一步将初始位移归零，并假定现有地层的固结已经完成；②对将要开挖的小导洞拱顶轮廓线0.5 m以外的土体进行超前预注浆加固，注浆超前开挖面2 m；③采用null单元来模拟开挖，依次向前开挖上、下台阶；④采用shell单元来模拟衬砌结构，封闭步骤③中开挖的区段，形成初支结构。重复步骤②～④，当导洞开挖超前下一待挖导洞的距离等于设定的面距时，采用相同步骤使下一导洞同步跟进，直至全部导洞完成。其中注浆后的土体参数为：弹性模量60 MPa，泊松比0.28，粘聚力60 kPa，内摩擦角35°；C20网喷混凝土衬砌结构的弹性模量为20 GPa，泊松比为0.2。

计算结果分析

图4为5、10、15、20 m四种开挖面距下，距模型边缘15 m处的最终沉降云图，从图中可以看出导洞上方呈漏斗状沉降，中心轴上方沉降最大，越远离中心轴沉降越小，导洞下方为底鼓区域，最大沉降值发生在2号导洞右上方。

导洞开挖过程中地表最大沉降值随施工阶段的变化如图5所示。从图5中可以看出，开挖面距为15 m和20 m时，各导洞贯通时测点沉降量较小，说明引起的群洞效应较小；而开挖面距为5 m和10 m时，各导洞贯通时测点的沉降量较大，这是由于导洞开挖面距过小，引起的群洞效应较大。

图6为距模型边缘15 m处地表的沉降分布图，图7为地表最大沉降值随开挖面距的变化。从计算结果可知：地表沉降值与开挖面距有较大的相关性，随着小导洞开挖面距的增加，地表沉降减少，但两者之间的变化是非线性的；开挖面距为15 m和20 m的计算沉降槽曲线基本重合，这意味着当开挖面距达到15 m以上时，再增加开挖面距对减小地表沉降的作用较小，而当开挖面距小于15 m时，增加开挖面距，地表沉降将显著减少。考虑地表沉降、施工时间两个因素，开挖面距控制在15 m左右时，对本工程最有利。

开挖面距为15 m时各阶段的地表沉降分布曲线如图8所示。沉降曲线表明地表正下方的导洞施工是该处沉降的主要原因，而且其相邻的导洞的施工会引起该导洞上方的土体进一步沉降。就车站中心线上方地表沉降而言，上层导洞开挖引起的沉降占总沉降的58.1%；开挖导洞3引起的沉降占上层导洞开挖总沉降的35.6%，开挖导洞2引起的沉降占上层导洞开挖总沉降的41.7%；开挖导洞7引起的沉降占下层导洞开挖总沉降的29.8%，开挖导洞6引起的沉降占下层导洞开挖总沉降的51.2%，这表明开挖上、下层中间两个导洞是引起车站上方地表沉降的主要工序。

现场实测结果分析

为验证数值模拟结果的准确性，进一步增加数值分析结论的说服力，在施工过程中对地表沉降进行监控测量是一项重要的内容，车站主体监控量测平面测点布置示意图如图9所示，通过监控测量还能够及时了解前一步施工工艺的合理性，进而对下一步施工工艺进行优化。通过实测与数值模拟得到的A-A断面地表沉降槽曲线如图10所示，两条曲线形状基本吻合，现场实测值比数值模拟值要偏大一些，这是由于数值模拟过程中未考虑地层降水引起的沉降而造成的。实测与数值计算所得到的地表最大沉降值均满足施工要求。

结束语

通过对北京地铁17号线东大桥站群洞施工中开挖面距对地表沉降影响的分析，根据数值计算及现场实测结果可得出以下结论：

1) 开挖面距越小，群洞效应越明显。随着小导洞开挖面距的增加，地表沉降减少，但两者之间的变化是非线性的。

2) 当开挖面距小于15 m时，增大开挖面距将显著减少地表沉降；当开挖面距大于15 m时，继续增大开挖面距对减小地表沉降的作用较小；

3) 数值计算和实测结果表明当开挖面距为15 m时，满足工程沉降控制要求。

摄影 安孟辉