新型洞桩法暗挖地铁车站施工阶段地表变形研究

张 磊

（中国电建集团铁路建设有限公司，北京 100044）

1 工程及工法概况

哈尔滨地铁省政府站采用新型单层四导洞PBA工法，其工艺原理如下：（1）采用矿山法施作垂直运输通道及水平运输通道，其中水平运输通道施作4个小导洞；（2）待4个小导洞完全贯通后，在两个边导洞内施作围护结构边桩、两个中导洞内施作中柱桩基及钢管柱；（3）在边桩上端施作桩顶冠梁，在钢管柱上端施作顶拱纵梁；（4）在桩顶冠梁与边导洞另侧预留连接件形成初支扣拱，并回填混凝土；（5）开挖导洞之间的洞间土、架立顶部格栅、喷射混凝土、铺设防水层、施作顶纵梁与顶纵梁之间中部以及顶纵梁与边桩顶冠梁之间边部的二衬扣拱。地铁车站上部荷载通过拱形结构传至桩顶冠梁及顶纵梁，再通过边桩及钢管柱桩基传至下部地层。边桩、桩基、桩顶冠梁、顶纵梁、拱结构共同构成桩（Pile）、梁（Beam）、拱（Arc）支撑框架体系，最后采用逆做法施工，完成车站侧墙、中板、底板，最终形成由初支和二衬共同受力的框架支撑结构。国内外大量学者对地铁车站施工及运营过程中车站的基底承载力、结构变形能力开展了大量研究工作。文章基于哈尔滨省政府地铁站，对PBA工法进行数值模拟分析，进而对梁拱柱结构在施工过程中体系转换的力学行为进行研究。主要的研究内容为沉降分析（基于各施工阶段），即地层沉降分析、地表沉降规律、地表水平位移值；主体结构力学特性分析（基于各施工阶段），即初始地应力分析、车站主体结构应力分析、钢管柱应力分析。

2 施工阶段的有限元模型

PBA工法是一种较为复杂的工法，部分工序在有限元分析中需要进行简化，具体包括超前小导管注浆加固、边桩和钢管柱。

2.1 施工阶段的模拟思路

为模拟开挖导洞的施工过程，土体开挖采用施工阶段程序中的“钝化”命令，同时对于站台层和站厅层的开挖过程，可采用荷载释放系数定义，根据实际施工情况模拟荷载释放的过程，以使计算结果更加精确。此外，对于开挖结束后的导洞支护、冠梁和顶纵梁的施工、混凝土回填浇筑，这些工序可以通过施工阶段程序中的“激活”命令进行模拟，但是“激活”只是在空单元组的位置上激活网格组，而这些工序还伴随着材料的变化，因此需要设置改变属性的边界条件，使相对应的材料属性在施工过程中被激活。假定各土层是平整、均匀的，地下水的渗流作用对土层的影响不予考虑。模拟时的荷载设置主要为结构上覆土的自重、地铁车站的结构自重及地面荷载，本构设置均在材料弹塑性范围内。

2.2 模型建立及边界条件

地铁车站模型结构顶部的覆土厚度取8m，结构底部厚度取15.3m，模型总高度为40m。考虑到有限元分析的精确度及计算效率，车站左右土层的宽度各取车站的2.5倍宽距，模型总宽为162m。在划分网格时，为使模拟更加精细、高效，车站结构及内部土体采用1m的网格尺寸，车站周围土体采用1～4m的线性梯度方法进行网格划分。整个模型的尺寸为162m×6.5m×40m，模型节点的总数为10334个，单元的总数为9124个。有限元模型是一个正六面体，地铁车站上部为地表，无约束边界。模型由上下左右前后六个面组成，其中上表面为地表，为自由边界。左、右边界上受到X方向上的约束，前、后侧面受到Y方向上的约束，底部受到Z方向上的约束。

2.3 材料的本构模型

根据地质勘察报告可知，该处的主要地层分布为粉质黏土、细中砂、粗砂，其中粉质黏土的内摩擦角为14.2°，黏聚力为23.6kPa，属于内摩擦角较小的软土，细中砂、粗砂的内摩擦角和黏聚力分别为33°、36°和2kPa、3kPa，属于摩擦力较大的土体。根据以上描述，此模型中的粉质黏土选择德鲁克-普拉格本构关系，细中砂和粗砂选择修正的莫尔-库伦本构关系。除此之外，其他结构材料的本构模型均采用各向同性—弹性本构关系。结构及材料的本构模型见表1。

表1 结构及材料的本构模型表

2.4 材料参数

从上到下分布的地层类型较多，文章在计算时对地层进行了简化。对钢管柱和边桩利用等效刚度的原理进行了折减，地层土体的基本参数如表2所示。注浆加固采用在地层实体单元基础上改变材料属性进行模拟，注浆材料选用、注浆加固及车站结构材料参数如表3所示。

表2 地层参数表

表3 注浆加固及车站结构材料表

3 施工过程变形情况

3.1 地表沉降规律

坐标原点选取在模型地表中心处。地表监测断面为模型纵向方向3.25m处的横切面，记录此断面在地铁车站施工过程的地表沉降，结果如图1所示。

图1 主要施工阶段地表沉降槽

从图1中可以看出，在地铁车站修建过程中，地表的沉降值在中线位置最大，并且地表沉降量分布关于车站中线对称；在车站中线左右各0～20m的地表沉降量有明显变化，距车站中线20～40m的沉降变得越来越不明显；随着车站的施工逐渐完成，地表沉降变化越来越明显。主要施工阶段地表沉降汇总如表4所示。

表4 主要施工阶段地表沉降表

由表4可知，在地铁车站的施工过程中，导洞开挖阶段（Cave）引起地表最大沉降约占总体沉降量的55%，边桩、中柱体系的施工阶段（P-B）引起的地表最大沉降约占总体沉降的5%，扣拱施工阶段（Arc）引起的地表最大沉降约占总体沉降的30%，主体结构施工阶段（SC、SP）引起的地表最大沉降约占总体沉降的10%。

在地铁车站主要的施工阶段中，导洞开挖阶段（Cave）和扣拱施工阶段（Arc）地表沉降所占比例最大，为85%；而边桩、中柱体系的施工（P-B）所引起的地表沉降所占比例最小，为5%。这是因为在导洞开挖阶段及扣拱阶段地铁车站主体结构稳定性低，在扣拱施工阶段完成前，车站的主体结构尚不稳定，且两个阶段的土方开挖量大、开挖次数多，对地表的扰动较大，因此导洞开挖阶段和扣拱施工阶段地表的沉降较大。

3.2 地层水平位移

随着地铁车站施工逐渐完成，地层水平位移值逐渐增大，并在SP阶段达到最大值，且地层水平位移关于车站中线对称分布，但位移方向相反。同理，地表监测断面为模型纵向方向3.25m处的横切面，记录此断面在地铁车站施工过程的地表水平位移，绘制成散点图如图2所示。

图2 不同施工阶段地表水平位移变化曲线

由图2可知，在地铁车站施工过程中，车站两侧的土体向车站中心压缩，在距车站中线0～12m处，地表水平位移逐渐增大；距车站中线大于12m处，地表位移逐渐减小。地表水平位移随着车站施工进展而逐渐增大，最终水平位移为12.5mm。

4 结论

（1）文章基于有限元软件Midas GTS对哈尔滨省政府站采用新型洞桩法暗挖的施工过程进行数值模拟分析，得出车站各个施工阶段地表沉降相互比例为Cave∶P-B∶ Arc∶ SC（SP）=11∶1∶ 6∶ 2，最终地表沉降总量为-34.9mm。（2）在地铁车站修建过程中，其地表沉降分布宽度主要为车站中线左右20m内，距车站中线20～40m的地表沉降逐渐变小，且各个施工阶段的地表沉降趋势相同。（3）地铁施作的各个阶段，地表的水平位移在距车站中线左右0～12m逐渐增大，距车站中线大于12m则逐渐减小，且随着车站施工的进度推进，地表的水平位移逐渐增大，地表的最终水平位移为12.5mm。