复杂环境PBA法导洞施工顺序对地表沉降影响分析

李金奎，陈朋，裴强*

(1.大连大学 建筑工程学院，辽宁 大连 116622；2.通辽市城乡建设管理技术服务中心，内蒙古 通辽 028000)

0 引言

当下中国经济进入中高速发展时期，拉动交通等基础设施的快速发展，城市地铁建设进入快速发展阶段。地铁车站处于城市繁华地带，地铁车站修建工法有：盖挖法、明挖法、PBA法、盾构扩挖法以及特殊工法。PBA法施工对周边环境扰动小，是复杂城市环境地铁车站建设首选工法，但是PBA法导洞施工过程中容易引起群洞效应，对地表沉降造成一定影响。邱明明等[1]基于某城市地铁盾构隧道工程，运用数值模拟和理论分析的方法研究了双线平行隧道施工地层沉降规律，并通过相对间距系数C=L/i来描述地表沉降发展规律；陈春来等[2]分析了现有Peck公式的优缺点，并在二维土体沉降基础上推导了三维土体沉降计算公式，并基于工程实践进行计算分析；任强等[3]结合广州地铁研究了双洞体Peck公式的应用，并应用数值分析方法得出双线平行隧道地表沉降主要是由地层损失引起的；白海卫等[4]收集了18个实际地表沉降数据进行拟合分析，得出经典Peck公式在双线盾构隧道中预测地表沉降仍然适用；张文婷等[5]以青岛地铁3号线为工程依托，运用数值模拟和现场监测的方法进行隧道建设过程中地表沉降和建筑的动态耦合效应研究。

为探讨导洞施工顺序对地表沉降的影响，本文采用叠加法的Peck理论对劳动公园站PBA法进行预测，并运用GTS软件对不同的导洞施工顺序进行模拟分析，得出最佳的导洞施工方案，同时评价基于叠加法Peck公式的适用性，为类似工程提供参考和借鉴。

1 工程概况

1.1 车站周边环境

大连地铁5号线劳动公园站位于解放路与自卫街交叉口处，沿解放路南北方向布置，劳动公园站起点里程为K7+531.659，终点里程为K7+722.859，总长度为191.2 m，标准段宽度23.3 m。车站主体为地下2层岛式车站，车站顶板覆土约18.7～24.0 m。车站东北侧为大连市第九中学，东南侧为3、4、7、18层居民楼，西侧为大连市第二十四中学，南侧为胜利东路高架桥，沿道路埋设着通讯、电力、上下水、燃气管线，周边环境较复杂，对地表沉降要求较高。车站采用PBA法施工，设计为上排4个、下排2个共计6个导洞。导洞初期支护断面结构为直墙拱，边导洞内设置冠梁，导洞初期支护厚度为300 mm，导洞间顶拱采用300 mm初期支护，端部嵌固在冠梁内，侧壁采用竖向格栅和砂浆锚杆支护形式，局部地质较差部位采用直径为1 000 mm灌注桩，间距为5 000 mm。劳动公园站车站主体结构和导洞位置如图1所示。

图1 劳动公园站车站主体结构和导洞位置Fig.1 Station main structure and guide hole location

1.2 劳动公园站地质概况

劳动公园站施工范围内地层由上至下各层为素填土、粉质黏土、强风化板岩、中风化辉绿岩。车站所在强风化板岩层为IV级围岩，中风化辉绿岩为V级围岩，地层岩土体参数见表1。

表1 地层岩土参数Tab.1 Stratum geotechnical parameters

图2 单导洞地表沉降Fig.2 Single-conductor surface settlement

2 Peck公式对群洞施工地表沉降预测

2.1 单导洞施工地表沉降预测

美国科学家Peck总结了大量单洞隧道地表沉降数据后提出Peck公式，见式(1)，认为隧道上方地表沉降近似为正态高斯分布的沉降形式[6]。

(1)

采用PBA法修建地铁车站时需先进行导洞开挖，单个导洞开挖产生的地层变形及地表沉降与单线隧道所引起的地层变化是一样的，所以单导洞Peck公式沉降槽如图2所示。

2.2 多导洞施工地表沉降预测

PBA法多导洞施工时地表沉降变化的计算基于Peck公式采用叠加法进行地表沉降预测[7-8]，为了便于使用Peck公式，假设每个导洞施工均按照单一导洞条件，多导洞施工产生的沉降在地表位置进行叠加，地表沉降预测公式见式(2)：

(2)

3 导洞施工顺序数值分析

3.1 计算模型

使用有限元软件GTS进行数值模拟[9-10]，模型尺寸为60 m×30 m×60 m，如图3所示。地层参数取值来自表1，岩土模型选用摩尔-库伦模型，本构方程见式(3)。初期支护为C25喷射混凝土支护，在模型中采用析取单元的方法建立初期支护衬砌结构。

图3 数值模拟模型Fig.3 Numerical simulation model

(3)

式中：p为等效压力，MPa；q为剪应力，MPa；θ为应力洛德角。

边界条件：模型上表面为自由面，侧向用水平位移约束，底面为全约束设置。6个导洞分布位置如图3所示。

3.2 施工顺序的确定

施工顺序的划分主要涉及导洞施工顺序和施工作业方式2个因素。劳动公园站采用6个导洞分为上、下2层施工，上层布置4个导洞，下层布置2个导洞。6个导洞施工顺序根据已有的工程经验和工程案例，共确定6组不同施工顺序方案，如表2所示。

表2 6种不同施工顺序的模拟方案Tab.2 6 different construction sequence simulation scenarios

3.3 网格划分及施工阶段的定义

在网格划分中采用3D实体单元进行岩层划分，单元尺寸设置为1 m；导洞初期支护结构用板单元进行模拟，设置板单元属性时在截面中输入板单元厚度300 mm，进行衬砌结构划分时板单元尺寸设置为0.5 m；对于超前注浆加固通过设置注浆加固层来进行模拟；在网格划分过程中一定要检查网格质量，检查在接触面处节点的耦合情况，如果节点不耦合则计算结果很难收敛；模型荷载主要为自重荷载。

在施工阶段组定义中主要是通过设置导洞中岩体单元的激活与钝化来实现该导洞开挖过程的模拟，导洞施工顺序分别按照表2中每组方案的顺序进行，当施工到该导洞时导洞的单元就处于钝化状态模拟开挖施工。在施工阶段定义中要注意初始位移清零的设置，这样所得计算结果才更加准确。模拟过程中导洞采用台阶法施工，上下台阶进尺为1 m。

3.4 计算结果

根据6种不同施工顺序模拟计算结果，在地表上方每2 m设置1个沉降监控点，共计设立30个地表沉降监控点，从每个模型中提取出关键步的地表沉降数据值并绘制地表沉降曲线，6种不同施工顺序的关键步沉降曲线如图4所示。

(a) 方案1关键步地表沉降曲线

(b) 方案2关键步地表沉降曲线

(c) 方案3关键步地表沉降曲线

(d) 方案4关键步地表沉降曲线

(e) 方案5关键步地表沉降曲线

(f) 方案6关键步地表沉降曲线

3.5 模拟结果分析

3.5.1 单导洞流水作业施工顺序对比分析

流水作业施工顺序(方案1、2、3)地表沉降结果分别如图4(a)、(b)、(c)所示。其中方案1、方案2[图4(a)、(b)]为先上层4个导洞施工后下层2个导洞施工，方案3[图4(c)]为先施工下层2个导洞后施工上层4个导洞。从方案1[图4(a)]可以看出，开挖上层1导洞地表沉降最大值为1.7 mm，导洞4开挖后地表沉降最大值2.16 mm，1、4导洞开挖结束后地表沉降值在1.21～2.16 mm，地表沉降整体较小且较均匀。当2导洞开挖后，地表沉降急剧增大，最大沉降值达到4.39 mm，增幅达到103.24 %。当3导洞开挖后，地表沉降继续增大，最大沉降值达到6.88 mm，增幅达到56.72 %。当5、6号导洞开挖后地表沉降值在5.19～11.55 mm，最大值达到11.55 mm，发生在车站结构纵向中心位置，整体呈正态分布，与Peck公式预测趋势基本相符。当各个导洞开挖后上覆地层发生卸载作用，地层发生不均匀沉降。各个关键步地表沉降峰值点不同，每个导洞开挖均导致地表沉降有所增加，增加幅度约在0.46～2.55 mm，6个导洞开挖后，地表沉降峰值点移至车站结构纵向中心位置。

流水作业方案2中，2导洞施工完成后地表沉降最大值2.56 mm，较方案1中关键步1沉降增大0.86 mm，增幅50.59 %；3导洞挖完后地表沉降最大值5.62 mm，较2导洞挖完后沉降增大3.06 mm，增幅达到119.53 %，较方案1中关键步2沉降增大3.46 mm，增幅达到160.18 %。当5、6号导洞开挖后地表沉降值在7.57～16.09 mm，较方案一沉降增加2.38～4.54 mm，最大值增幅达到39.31 %。

流水作业方案3中，5导洞施工完成后地表沉降最大值3.18 mm，较方案1中关键步1沉降增大1.48 mm，较方案2中关键步1沉降增大0.62 mm，地表沉降增幅36.47 %～87.06 %；6导洞施工完成后地表沉降最大值6.73 mm，较5导洞挖完后沉降增加3.55 mm，增幅达到111.64 %，较方案1中关键步2沉降增加2.34 mm，较方案2中关键步2沉降增加1.11 mm，增幅达到34.91 %～111.64 %。当2、3号导洞开挖后地表沉降值在7.25～16.27 mm，较方案1最大沉降增加2.06～4.72 mm，最大值增幅达到40.87 %。较方案2最大沉降-0.32～-0.18 mm，最大值增幅降低4.41 %。方案3较方案2地表沉降整体差距较小。

在单导洞流水作业施工顺序方案1、2、3比较中，方案1地表沉降量及沉降分布明显优于方案2、3。

3.5.2 双导洞同步作业施工顺序对比分析

双导洞同步施工作业方案(方案4、5、6)地表沉降结果见图4(d)、(e)、(f)所示。其中方案4[图4(d)]、5[图4(e)]为先施工上层4个导洞后施工下层2个导洞，方案6[图4(f)]为先施工下层2个导洞后施工上层4个导洞，3种方案都是2个导洞同时进行施工。方案4中施工1、4导洞后地表沉降值在1.72～3.04 mm，2、3导洞施工结束后地表沉降值在4.28～11.82 mm，较1、4导洞施工后地表沉降增加2.56～8.78 mm，增幅为148.82 %～288.82 %，5、6导洞施工结束后地表沉降值在8.45～19.85 mm，较2、3导洞施工后地表沉降增加4.17～8.03 mm，增幅为91.46 %～162.89 %。

方案5中施工2、3导洞后地表沉降值在2.73～8.73 mm，1、4导洞施工结束后地表沉降值在5.30～13.45 mm，较2、3导洞施工后地表沉降增加2.57～4.72 mm，增幅为54.07 %～94.14 %，5、6导洞施工结束后地表沉降值在10.36～23.26 mm，较1、4导洞施工后地表沉降增加5.06～9.81 mm，增幅为72.94 %～95.47 %。

方案6中施工5、6导洞后地表沉降值在5.98～10.06 mm，1、4导洞施工结束后地表沉降值在7.60～14.51 mm，较5、6导洞施工后地表沉降增加1.62～4.45 mm，增幅为27.1 %～44.23 %，2、3导洞施工结束后地表沉降值在9.76～22.73 mm，较1、4导洞施工后地表沉降增加2.16～8.22 mm，增幅为22.13 %～36.16 %。

双导洞同步施工作业优点在于缩短工期平行作业，但施工管理较复杂，需加强支护，重点防控地表沉降。

3.5.3 单导洞流水作业、双导洞同步作业施工顺序对比分析

方案4、5、6双导洞同步施工作业引起地表沉降值19.85～23.26 mm，明显高于方案1、2、3单导洞流水作业施工顺序(沉降值11.55～16.27 mm)。方案4、5、6双导洞同步施工作业关键步地表沉降变化明显，单个关键步施工后最大沉降增量8.78 mm，最大增幅达到288.82 %，地表沉降突变易对地下管线及周边环境带来危害。

导洞群施工引起地表沉降与导洞施工顺序有较大关系[11-12]，可以选择单导洞流水作业、双导洞同步作业施工顺序。双导洞同步作业施工顺序有利于施工工期，单导洞流水作业便于控制地表沉降，有利于安全施工[13-14]。在6个施工方案中，尽管作业方式和导洞施工顺序不同，但最终地表沉降槽形状与Peck公式预测基本一致，是以地下结构中心线为对称轴的正态分布曲线；每个方案中地表沉降的峰值都是不断从两边向中间移动，并最终在结构中线形成单峰值沉降槽，不同的流水作业施工顺序沉降槽峰值有所不同，双导洞同步作业施工顺序的沉降峰值明显高于单导洞流水作业沉降峰值。

3.6 工程实测和数值模拟结果对比分析

根据数值模拟[15]结果，采用方案1流水作业施工顺序组织劳动公园站施工，以某一观测断面监测数据为例，进行Peck公式预测、数值模拟对比分析如图5所示，3条地表沉降曲线沉降槽基本是以车站结构纵向中心线对称的高斯正态曲线分布，与Peck公式预测的基本一致，3种方法地表沉降差异最大1.51 mm。3条沉降曲线中数值模拟结果最小，为5.19～11.55 mm，现场实测结果居中为5.60～12.06mm，叠加原理Peck理论计算结果最大，为6.70～13.05 mm，比数值模拟结果高出12.99 %～29.01 %，比现场实测结果高出8.21 %～19.64 %。采用叠加法Peck理论计算地表沉降值较大的原因是直接考虑单个导洞施工地表沉降值的算术叠加，没有考虑导洞间土体的相互作用，计算结果偏大。数值模拟过程中地表沉降没有考虑土体中的水、采用的模型为理想化弹塑性模型，模拟结果偏小。在地铁车站PBA法施工前期可由采用GTS数值模拟和叠加法的Peck理论进行地表沉降预测，以指导工程实践，但2种方法较实际地表沉降存在一定的偏差，单一的GTS数值模拟研究应深入研究地层单元本构和地下水作用模型，单一采用叠加法的Peck理论进行预测应对叠加法进行修正。结合具体工程，建议采用2种方法综合分析确定实际地表沉降的区间值。

图5 地表沉降对比分析Fig.5 Comparative analysis of surface settlement

4 结论

依托大连地铁5号线劳动公园站PBA法工程，采用GTS数值模拟、Peck理论和现场实测相结合的综合方法，对比分析不同作业方式和导洞施工顺序的地表沉降规律，得出以下结论：

① 大连地铁5号线劳动公园站PBA法工程中双导洞同步施工作业引起地表沉降值19.85～23.26mm，明显高于单导洞流水作业施工顺序(沉降值11.55～16.27 mm)。双导洞同步施工作业关键步地表沉降变化明显，最大沉降增量8.78 mm，最大增幅达到288.82 %，地表沉降突变易对地下管线及周边环境带来风险。

② 复杂环境下PBA法修建地铁车站时地表沉降发展与导洞施工顺序、作业方式、支护形式和施工方法密切相关。双导洞同步作业施工顺序有利于施工工期控制，单导洞流水作业便于控制地表沉降，有利于安全施工。

③ 复杂环境下PBA法修建地铁车站时地表沉降槽形状是以地下结构的中心线为对称轴的正态分布曲线，与作业方式和导洞施工顺序无关。但地表沉降槽峰值与作业方式和导洞施工顺序相关，双导洞同步作业施工顺序的沉降峰值明显高于单导洞流水作业沉降峰值。

④ 地铁车站PBA法地表沉降预测采用GTS数值模拟因采用理想化岩土体弹塑性模型而导致模拟结果偏小，采用叠加法的Peck理论计算因未考虑导洞间土体的相互作用导致预测结果偏大。建议具体工程应采用两种方法综合分析，能够确定实际地表沉降的区间值。