上软下硬地层PBA法导洞开挖方案优化研究

魏智强

（中铁投资集团有限公司，北京 100000）

0 引言

随着我国城市人口数量的快速增长，城市交通拥堵问题日益凸显，城市早晚高峰密集的人员流动和私家车的出行为道路交通带来极大的负担，道路客运能力不足的问题越来越明显。为了改善地面交通，缓解交通压力，全国各大城市均开始大力发展地铁。大多数地铁站都建在城市的中心区域[1-3]。城市周边环境复杂，对施工过程中的地表位移变形控制要求较高[4-12]。在保证施工进度的同时，应减少对周边环境的影响。桩-梁-拱（PBA）法作为一种新型的地下开挖施工方法，由于其施工位于地下，可有效减少对周围地表和既有交通的影响，PBA 法在地铁车站施工中得到广泛应用。许多学者对PBA 法的施工过程进行了研究，从众多研究中可以看出，在PBA 法施工过程中，先导隧道施工过程容易产生群效应，先导隧道开挖阶段对地表的影响较大。为了探讨导洞施工顺序对地表沉降的影响，在施工过程中选择合理的开挖进尺，文章以大连地铁劳动园站PBA 法施工为例，引入屈服接近度的概念，分析导洞在不同施工方案下屈服接近度的分布规律，并确定最有利的施工方案。以期为类似工程提供参考。

1 围岩屈服接近度

屈服接近度（YAI，yield approach index）为：描述一点的现时状态与相对最安全状态的参量的比，YAI∈[0，1]。强度准则为摩尔-库伦准则：

式（1）中：I1为第一主应力不变量；J2为第二偏应力不变量；φ为内摩擦角；θσ为应力罗德角；c 为黏聚力。

式（1）在π 平面上可表示为：

式（2）可整理为：

在图1 所示的状态下，由三角关系：

图1 子午面上一点的应力状态

则屈服接近度定义为：

点C 坐标满足式（4），则：

将式（7）代入式（6）得：

式（8）即为摩尔-库伦准则下的屈服接近度表达式。

为了 便于表达，令F′(σπ,τπ,θσ)=1 -F(σπ,τπ,θσ)，在文中，屈服接近度接近0 意味着趋于稳定，反之则趋于失稳。

2 工程概况

劳动园站场地的地形比较平坦。站内地面高程33.37～35.92m，地势南高北低。站台宽度为14m，车站顶板覆盖土壤约18.7～24m。该站采用PBA 法施工，上排4 导洞，下排2 导洞，共6 导洞。导洞初始支护断面结构为直墙拱，导洞初始支护厚度为300mm。根据实际施工情况及车站采用的6 洞三跨PBA 法施工方案，导洞选取0.5m、1.0m、1.5m、2m 四种循环进尺方案进行三维数值模拟。在导洞施工阶段，不同的导洞施工顺序会对地表产生不同的扰动。

根据现有导洞的开挖进尺，导洞的施工方案有四种：

第一，A1—A2—B1—B2—C1—C2（F1）；

第二，B1—B2—A1—A2—C1—C2（F2）；

第三，C1—C2—A1—A2—B1—B2（F3）；

第四，C1—C2—B1—B2—A1—A2（F4）。

导洞位置，如图2 所示。

图2 导洞位置

3 导洞开挖方案模拟

3.1 模型建立及参数选择

根据车站开挖规模，进行数值模型的构建，建立高度为60m，宽度为140m，纵向长度为20m 的计算模型。计算模型，如图3 所示。通过增大加固区围岩参数实现超前注浆加固。岩土物理力学参数，如表1 所示。

表1 物理力学参数

图3 三维数值模型

3.2 导洞开挖进尺分析

为了描述导洞不同开挖进尺对围岩的扰动，利用YAI 计算程序对导洞开挖过程进行计算，计算结果如图4 所示。可以看出，当选取0.5m、1m 和1.5m 作为开挖进尺时，导洞周围岩体的最大YAI 分别为0.85、0.88 和0.89。当开挖进尺为2m时，YAI最大值为0.95。YAI为1.0 的区域为塑性区域。在YAI 为0.95～1.0 的区域，岩体处于接近屈服状态，导洞开挖容易造成围岩失稳破坏。因此，根据YAI 评价结果，确定开挖进尺为1.5m。该方案将在后续研究中采用。

图4 不同开挖进尺的YAI 分布

3.3 导洞开挖顺序优化分析

对四种不同的导洞开挖顺序进行模拟分析。图5为不同方案的地表沉降直方图。四种方案（F1～F4）引起的地表沉降最大值分别为6.74mm、7.03mm、8.96mm 和9.52mm。C1、C2 导洞开挖对地表影响最大。上层两侧导洞开挖对地表沉降影响最小。从导洞横向施工顺序分析，与先开挖中间引导洞相比，先开挖两侧导洞能更好地控制地表沉降。根据导洞纵向施工顺序分析，为限制地表沉降，先开挖上部引导洞为佳。地表沉降模拟结果表明，导洞开挖顺序选择A1—A2—B1—B2—C1—C2，即先上后下、先两边后中间的施工顺序时，导洞施工阶段对地面的扰动最小。

图5 地表沉降直方图

图6 为不同开挖顺序下导洞周围岩体YAI 的分布。从图5 中可以看出，不同导洞开挖顺序对应的围岩屈服面积相似。选用F1 施工时，临界屈服面积最小。当选择F4 施工时，YAI 最大值为1，即先导隧洞周围出现塑性区。因此，在先导隧道开挖过程中，最佳方案为A1—A2—B1—B2—C1—C2。

图6 导洞不同施工顺序的YAI 分布

4 结论

第一，采用PBA 法可将YAI 有效应用于先导隧道开挖全过程，并可区分先导隧道周边未进入塑性区的岩土风险程度，为先导隧道的安全性评价提供可靠参考。先导隧道开挖阶段，在保证施工安全的前提下，根据围岩变形、应力和屈服接近度评价结果，先导隧道圆形开挖进尺应为1.5m。

第二，先导隧道开挖阶段，在保证施工安全的前提下，根据围岩变形、应力和YAI 评价结果，引导洞的开挖进尺应为1.5m。6 个导洞开挖后，地表沉降槽形态基本呈现单一槽形。然而，其发展过程不同。引导洞从上到下、从侧到中施工顺序对地表沉降控制效果最好，上下引导洞叠加效果明显。

第三，数值模拟结果与现场监测数据吻合较好，验证了先导隧道开挖方案的可行性。该方案可为该工程的后续施工及类似地质条件下的PBA 法地铁车站施工提供参考。