黄土地区地铁车站洞桩法对地层的影响研究*

朱鹏辉,汪 勇,关惠龙,李彬彬,余雅楠

(1.中铁七局集团有限公司,陕西 西安 710082;2.西安建筑科技大学土木工程学院,陕西 西安 710055)

0 引言

洞桩法结合了盖挖法与暗挖法的优点,能严格控制地层变形,减小地表沉降量,并对上部结构及周边环境的影响较小,因此广泛应用于城市地铁车站的建设中[1]。地铁车站在施工过程中不可避免地会引起地层变形,如周围地层变形过大,则可能引起地下管线破坏或地下构筑物变形,传递至地表后,则会引起地表不均匀沉降,从而影响地面周围其他建筑物,影响人们的生活和安全。因此,研究洞桩法施工过程中引起的变形特质,对控制施工地层沉降具有重大意义。

众多学者利用数值模拟及实际监测数据,分析研究了地铁车站施工中影响地层变形的因素。王铁男等[2]依托沈阳某地铁项目,研究了地铁隧道开挖过程中,超前小导管预注浆环向布置范围的影响,通过数值模拟研究确定超前小导管合理的布置范围。向宝山等[3]结合白马隧道,基于三维数值计算方法,建立软岩隧道掘进计算模型,分析了超前小导管长度、环向间距、注浆范围等参数对地表沉降的影响。刘石等[4]以长春市地铁5号线人民广场站为例,利用GTS NX软件进行隧道开挖全过程地表沉降数值模拟分析,并对导洞开挖步序进行优化。李家正等[5]依托北京17号线东大桥地铁车站,运用数值模拟的方法研究了开挖方案对地表变形的影响,采用MIDAS结合正交设计和回归分析研究采用对称开挖施工时,开挖顺序、开挖步距与地表变形的函数关系,最终得到最优开挖方案。罗华平等[6]依托盐坪坝连拱隧道工程,利用有限元分析软件FLAC3D对粉煤灰堆积地层中双连拱隧道不同开挖错距施工进行数值模拟,研究5,10,15m不同开挖错距对特殊地层隧道围岩及结构的影响。

虽然地铁车站隧道及洞桩法方面的研究已有不少先例,但目前的相关研究鲜少涉及黄土地区富水厚砂层地质条件,综合分析小导管参数及导洞开挖方面的影响也较少见。因此,本文主要依托西安市地铁8号线丰禾路车站,利用GTS NX数值模拟软件,系统模拟丰禾路站的导洞开挖过程,综合分析超前小导管加固范围、开挖错距、导洞开挖顺序对地表沉降的影响,并结合现场地表沉降的实测数据,验证了施工方案的高效益及合理性,以期为同类工程的设计与施工提供参考。

1 工程概况

1.1 车站情况

西安地铁8号线丰禾路站主体段主要位于西二环大兴立交与开远门立交两座高架快速干道之间的地面平交段,车站地面交通繁忙,车流量大,车速高;车站周边邻近家属楼、写字楼等重要建筑物;站址周边地下管线众多,包含给排水管、雨水管和燃气管等,综合考虑,车站采用洞桩法施工。丰禾路站平面如图1所示。对于本车站来讲,与其他黄土地区车站不同的是,导洞拱顶上部含有约2.5m厚的砂层,采用三导洞施工,地表沉降和拱顶沉降是研究重点。

图1 丰禾路站平面

丰禾路站主体采用地下2层单柱双跨结构形式,12.0m岛式站台,采用三导洞施工;车站全长237.2m,标准段宽21.3m。设置3座竖井及横通道为车站3座导洞及扣拱提供工作面。导洞内净宽4m×5m,埋深9.4～10.2m,采用台阶法施工。车站施工断面如图2所示。

图2 车站施工断面(单位:m)

1.2 地层变形阶段分析

丰禾路站洞桩法施工小导洞及扣拱拱顶均位于砂层中,中桩穿越7～8m厚砂层;且地下水位高,车站主体位置地下水稳定水位为10.700～13.100m。洞桩法修建地铁车站需在无水环境下作业,而地下水处理难度大、风险高,如何有效消除地下水带来的安全隐患是洞桩法施工重点关注的问题。

相关研究表明:施工前期降水、导洞施工阶段和扣拱施工阶段是引起地表、地层发生沉降的主要阶段。

在施工前期降水阶段,采用地面管井降水方案,辅以明排水、止水措施,同时对降水区域附近建筑物、邻近管道、地表及内部构件沉降进行实时观测,通过分析处理沉降观测数据,发现降水后地下水位及单个管井出水量总体稳定,验证了管井降水的合理性。

在扣拱施工阶段,采用上下台阶法施工,其开挖、支护须严格遵循“21字原则”,即“先降水、管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”。采用超前支护、较强的初期支护等措施来控制地表沉降,确保地面建筑物和地下管线的安全。

在导洞施工阶段,超前小导管加固范围、开挖错距、导洞开挖顺序都会对地层沉降产生一定的影响,本文依托丰禾路地铁车站,模拟导洞施工阶段3种因素对地层沉降的影响,验证了实际施工过程中选择导洞施工方案的合理性,最大限度地减小了地层的沉降。

2 数值计算模型

2.1 隧道模型及边界设置

以丰禾路地铁车站为计算对象,利用MIDAS软件建立三维有限单元计算模型,如图3所示。车站采用台阶法施工,岩体采用莫尔-库伦(Mohr-Coulomb)本构模型,开挖采用Null模型,围岩注浆加固土采用实体单元进行模拟。

图3 网格划分示意(单位:m)

取x方向为横向128m,y方向为纵向30m,z方向为竖向64.9m。采用固定边界条件,左右两端边界为水平方向固定约束边界,底部采用固定约束,地表为自由边界,施加等效荷载。

导洞如图4所示,注浆加固模型及初支模型如图5,6所示。

图4 导洞示意

图5 注浆加固模型

图6 初支模型

2.2 地层基本参数分析

丰禾路站位于西二环与丰禾路十字南侧,地势南高北低,地面高程为394.550～395.600m,属皂河Ⅰ级阶地。场地地层组成自上而下为:第四系全新统①1杂填土,①2素填土,②1-1黄土状土(具有湿陷性,为Ⅰ级非自重湿陷性黄土场地),②2粉质黏土;上更新统②5-2及②5-3中砂,③4粉质黏土,③7-3中砂;中更新统④4及④4-1粉质黏土,④7-3中砂。根据场地地层岩性特征和地下水位埋深,综合考虑将导洞围岩划分为Ⅵ级。岩土参数情况如表1所示。

表1 地层岩土参数

2.3 工况设置

本文利用数值模拟分析影响黄土地区富水砂层洞桩法地铁车站地表沉降的3种因素:超前小导管加固范围、开挖错距、导洞开挖顺序,工况设置如表2所示。

表2 工况设置

1)研究超前小导管加固范围对地表变形的影响时,加固范围分别考虑1.0,1.5,2.0m 3个工况,开挖错距按10m考虑,导洞施工工序为先边后中,即先施工左导洞,然后施工右导洞,最后施工中导洞,按照左-右-中的顺序施工。

2)研究开挖错距对地表变形的影响时,分别考虑6,10,14m 3个工况,超前小导管加固范围为1.5m,导洞开挖也按左-右-中的顺序施工。

3)研究导洞开挖顺序对地表沉降的影响时,分别考虑左-右-中,右-左-中,中-左-右,中-右-左4种工况,超前小导管加固范围为1.5m,开挖错距为10m。

3 结果分析

3.1 超前小导管加固范围对地层沉降的影响

丰禾路地铁车站拱顶存在富水厚砂层,而富水砂层结构松散、自稳性差,在施工过程中极易被扰动甚至可能出现坍塌现象,严重影响地铁车站建造质量和施工安全。因此,需在导洞施工前对一定范围的土体进行注浆,通过超前支护加固土体,减小地层沉降。在实际施工过程中,超前注浆加固能有效减小地层沉降,但成本较高,为达到良好的经济效益,需提前确定最适宜的注浆范围[7]。

按表2设置导洞开挖错距为10m,开挖顺序为左-右-中,超前小导管的加固范围分别设置为1.0,1.5,2.0m。结果如图7～9所示。

图7 不同加固深度下的地表沉降

由图8可知,加固范围对该地区地铁车站施工有一定的影响,加固范围为1.0m时引起的地表沉降最大,值为14.96mm;加固范围为1.5m时引起的地表沉降次之,值为14.32mm;加固范围为2.0m时引起的地表沉降最小,值为13.84mm。

图8 不同加固范围下的地表沉降曲线

由图9可知,在加固范围为1.0m时,拱顶沉降较大,加固范围为1.5,2.0m时,两者的拱顶沉降值十分接近,注浆加固范围为2.0m时的加固效果最好,但随着注浆加固范围的增大,施工所需成本也会增加,并随着地层间的相互挤压作用,产生的地表隆起值也会增大。因此,综合考虑,在丰禾路地铁车站实际施工过程中的加固范围选择1.5m。

图9 不同加固范围下的拱顶沉降曲线

3.2 开挖错距对地层沉降的影响

在导洞开挖施工过程中,开挖错距是决定施工进度及施工安全性的一项重要因素。当开挖错距较小时,会使施工速度变慢,进而延长工期;当开挖错距较大时,开挖后的围岩会变形,甚至出现塌方[8]。因此,确定合理的开挖错距,使施工进度和施工安全达到相对平衡的状态,在实际施工过程中有重要意义。

本文设置超前小导管的加固范围为1.5m,按左-右-中的导洞开挖顺序进行施工,开挖错距分别设置为6,10,14m,模拟结果如图10～12所示。

图10 不同开挖错距下的地表沉降

由图11可知,距导洞中心距离越近,地表沉降值越大;开挖错距为14m时引起的导洞中心地表沉降最大,值为14.42mm;开挖错距为10m时引起的地表沉降次之,值为14.33mm;开挖错距为6m时引起的地表沉降最小,值为14.26mm。曲线呈单峰形,在导洞中心位置处产生的地表沉降最大,三者曲线较接近,地表沉降差异不大,因此,开挖错距对该地区地层沉降的影响不大。

图11 不同开挖错距下的地表沉降曲线

图12 不同开挖错距下的拱顶沉降曲线

同时,洞桩法在施工过程中,由于多导洞开挖,会出现“群洞效应”[9],通过增加开挖错距可减弱多导洞开挖引起的地层扰动叠加效应。但在实际工程中,开挖错距增大会使先开挖导洞承受更大的荷载,使其处于不利地位[10]。因此,实际施工中的开挖步距不应过大。

由图11,12可知,开挖错距为6,10,14m时,导洞地表的沉降值基本一致,沉降值的差距为0.1mm,而拱顶沉降随导洞开挖步距的增大而增大,综合考虑其施工效率以及“群洞效应”,本工程实际施工中选择最合适的开挖步距为10m。

3.3 导洞开挖顺序对地层沉降的影响

在地铁车站施工过程中,导洞开挖会引起地层沉降,产生拱顶变形,且不同导洞开挖对于地层的扰动会形成叠加效果,从而产生“群洞效应”。先开挖边导洞、再开挖中导洞,或先开挖中导洞、再开挖边导洞所产生的地层沉降也有差异。施工过程中,不同的导洞施工顺序影响围岩及支护结构的受力特征变化过程[11],因此,以导洞开挖顺序为分析对象,对研究地层沉降影响因素有重要意义。

设置超前小导管的加固范围为1.5m,开挖错距为10m,导洞开挖顺序设置4组:左-右-中、右-左-中、中-左-右、中-右-左。模拟结果如图13～15所示。

图13 不同开挖顺序下的地表沉降

由图14可知,导洞开挖引起的地表沉降槽呈单峰分布,产生地表最大沉降的开挖顺序依次为:中-右-左(14.42mm)>中-左-右(14.35mm)>左-右-中(13.27mm)>右-左-中(13.29mm),先开挖两边导洞再开挖中间导洞比先开挖中间导洞再开挖两边导洞引起的地表沉降小。开挖顺序对地表沉降影响较大,选择先边洞后中洞的开挖顺序最合适[12]。

图14 不同开挖顺序下的地表沉降曲线

由图15可知,先边后中的开挖顺序引起的沉降值更小。因此,该项目在施工过程中选择先开挖边导洞,再开挖中间导洞的施工顺序是合理的。

图15 不同开挖顺序下的拱顶沉降曲线

4 结语

本文利用数值模拟软件,依托丰禾路地铁车站项目,对于黄土地区富水砂层洞桩法地铁车站的地层沉降进行了影响因素的敏感性分析。

1)加固范围对黄土地区富水厚砂层地铁车站地表沉降及拱顶沉降影响较大,随着加固范围的增大,地层沉降逐渐减小,但考虑到经济效益,加固范围存在最优解,故在实际施工中选择加固范围为1.5m。

2)导洞开挖顺序对该黄土地区富水厚砂层地铁车站地表沉降及拱顶沉降有一定影响,先开挖中间导洞或者先开挖两边导洞所引起的地表沉降产生明显差异,先开挖边导洞再开挖中间导洞产生的地表沉降及拱顶沉降更小。因此,在实际施工中选择先边后中的导洞开挖顺序。

3)导洞的开挖错距对该黄土地区富水厚砂层地铁车站地表沉降及拱顶沉降影响不大,随着开挖错距的增大,地层沉降逐渐增大,但变化程度较小。综合考虑,在实际施工中选择开挖错距为10m。