新型PBA工法初期支护施工地层沉降规律研究——以北京某地铁站为例

李永超

(北京城建设计发展集团股份有限公司, 北京 100032)

PBA(pile-beam-arch)工法因其工艺成熟度高、对地面交通影响小、总体成本低等特点已经成为以北京为代表的大型城市繁华地带地铁车站施工的首选工法。新型PBA工法取消第二层导洞,将首层中间两导洞联合起来,共用中隔壁,形成由CD法(中隔壁法)施工的大断面,在施工效率及便利性上较传统PBA工法有一定的优势。

近年来,国内外诸多学者已经对PBA车站初期支护施工过程各类问题进行了研究。陈炳春等[1]通过数值研究的方法对传统PBA车站上导洞施工阶段不同工况下初期支护的变形量进行研究,并辅以现场实测数据针对变形采取相应措施,结果表明处理措施能够有效控制初期支护结构的变形;黄博等[2]运用数值模拟方法对4种导洞施工方案进行对比研究,结果表明先开挖导洞附近的应力集中程度高于后开挖者;孙玉辉等[3]对比说明了单层PBA工法的优势,并辅以数值模拟研究得出最优的导洞开挖、初支扣拱及二衬扣拱顺序;李金奎等[4]运用数值模拟、理论研究以及现场监测相结合的方法对复杂环境PBA法导洞施工顺序引起地表沉降的规律进行研究,结果表明单导洞施工有利于地表沉降控制,地表沉降槽基本符合正态分布,且与导洞施工顺序相关;杨会军和孔恒[5]研究了PBA车站的沉降规律,结果表明小导洞开挖过程造成的地表沉降占总沉降的一半;同时也有学者运用数值模拟软件对传统PBA车站施工过程进行数值研究,得到的结果与实际量测数据有较好的拟合性,表明数值研究在地层沉降规律方面可以为工程提供一定的事前参考[6-14]。

以往针对PBA工法地层沉降规律的研究主要以传统PBA工法为主,研究所得出的结论已不适用于新型PBA工法的应用,且传统概念中断面越大越不利于地表沉降控制,此时暗挖过程中地层沉降的控制就显得尤为重要,因此有必要对新型PBA车站施工引起的地层沉降规律进行相应研究,以供今后为类似的车站施工提供借鉴。

1 工程概况

1.1 车站基本情况

北京某地铁车站主体为双层三跨暗挖岛式车站,车站主体结构为双柱三跨结构,采用新型PBA工法施工,共设3个施工导洞(2个边导洞+1个中导洞,中导洞为CD法施工,共用中隔壁,先行导洞为C),车站结构剖面图如图1所示。

图1 新型PBA车站导洞及扣拱剖面图

1.2 车站地质条件

根据车站地勘报告,车站小导洞主要位于黏质粉土-砂质粉土与粉质黏土层,车站拱顶埋深12.52 m,车站建设范围地层示意图如图2所示。

图2 车站地层示意图

1.3 车站地层监测点布设情况

车站地表沉降监测点布置剖面图如图3所示。

单位:cm

2 地层沉降规律分析

2.1 基于实测数据地层沉降规律分析

车站暗挖施工过程中,地层沉降与施工阶段密切相关,尤其是导洞及扣拱施作阶段,对拱顶土体的卸荷可能对土体造成相对较大的扰动,应力重分布过程使得地层产生一定的沉降。对车站监控量测数据进行分析,由于地层土体的不均匀性以及地下管线及周边建构筑物的影响,导致同一轴线不同断面沉降的不同一性,离散性较大。为了减少拟合结果的误差,共选取6个断面13条轴线,使用Peck公式进行拟合,如式(1)所示。得到北京地铁某新型PBA车站导洞及扣拱开挖期间地层沉降值范围分别为-12～-72 mm、-1～-8 mm。

(1)

式中:S为距离车站中线某处的沉降,mm;Smax为车站中线处的最大沉降,mm;y为测点与车站中线的水平距离,mm;i为沉降槽反弯点距车站中线水平距离,mm。

采用Peck公式拟合的沉降槽曲线反弯点代表了导洞施工阶段对地层沉降的影响范围。由图4可知,新型PBA车站导洞施工阶段对地层沉降的影响范围为中导洞拱顶上方2.39H左右(H为车站埋深);地表沉降的最大值主要分布在中导洞拱顶上方,沉降值与测点位置关系符合正态分布,但断面5的沉降规律未遵循正态分布,主要原因是受车站3号横通道施工影响,距车站中心较远处测点所测沉降值实际上是施工3号横通道时造成的地层沉降,且边导洞与3号横通道之间的地层会受到导洞施工与横通道施工的共同影响,因此该处量测的沉降值实际上是3号横通道施工与车站导洞施工的叠加。

图4 车站导洞施工阶段沉降槽拟合曲线

单独对扣拱施工阶段造成的地层沉降进行统计,结果减去导洞及冠梁体系施工阶段造成的沉降,由图5可知,扣拱施工阶段对地层沉降的影响范围为车站中心上方1.75H左右。

图5 车站扣拱施工阶段沉降槽拟合曲线

由于工程进度原因,截至目前车站只完成了3号与4号横通道之间的扣拱施工作业。为减少不相关因素的影响,统计分析车站初期支护施工过程地层沉降规律,选取断面6各导洞拱顶及扣拱上方测点为代表,统计车站初期支护不同施工阶段的地层沉降值,结果如图6所示。由图6可知,导洞施工阶段的沉降与沉降速率皆大于扣拱施工阶段,受断面形式影响,中导洞施工过程沉降贡献最大,扣拱施工虽然也是对拱顶土体的卸荷,但由于导洞施工阶段辅以深孔注浆及背后回填注浆措施,导致扣拱施工过程对相邻导洞上方地层沉降影响较小。

图6 地层沉降曲线

2.2 基于数值模拟地层沉降规律分析

考虑到现场试验的局限性及过程量测的事后性,无法满足车站初期支护施工阶段的整体性影响分析。利用工程类有限元数值模拟软件,不仅可以解决从简单的线性静力学问题到复杂的非线性耦合问题,还能分析涉及接触条件的高度非线性问题,广泛应用于各种工程模拟,若参数选择合理,可以满足一般的数值计算要求及结果预测。

2.2.1 模拟方案

新型PBA工法初期支护施工工序与传统PBA车站大致相似。为更好地分析初期支护施工阶段地层变化情况,将模拟过程分成5个步骤,数值计算过程为:①地应力平衡;②边导洞开挖施作初期支护;③中导洞开挖施作初期支护;④梁柱体系及边扣拱施工;⑤中间扣拱开挖施作期支护。

2.2.2 模型介绍

根据地勘钻探成果,车站结构拱顶主要位于粉质黏土层,拱底位于细砂-中砂层。考虑到现场不同土层土质较为均匀,数值模拟中土体参数参考实际进行设定。假定不同深度下采用不同的土体参数,各深度下土体是各向同性且均匀的,为保证计算精度,综合考虑隧道开挖可能的影响范围,最终设定土体模型尺寸为60 m×40 m×24 m,并将车站开挖周边土体细化,土体模型左右及前后施加法向约束,底部施加法向及切向约束,土体采取摩尔-库仑准则构建,并根据地勘报告赋予土体各深度不同的物理参数,模型整体施加9.8 m/s2的竖向重力加速度,开挖完成后,被开挖土体将完全被剥落,不再与地层产生作用。为了较好地模拟开挖过程,使用生死单元法模拟土体被开挖的过程,通过设定不同的分析步来体现PBA工法的施工过程,涉及的土体模型具体参数见表1,车站结构模型如图7所示,施工步序如图8所示,车站各结构物理参数见表2。

表1 土体模型物理参数

表2 车站结构物理参数

图7 车站结构模型

图8 施工步序

3 数值模拟结果与分析

基于前述的施工顺序,利用数值模拟软件研究新型PBA车站初期支护施工阶段的地层沉降规律,并与实测数据进行对比分析。表3为各施工阶段车站中心地层沉降最大值的数值分析结果。

表3 各施工阶段地层沉降模拟值

从模拟结果可知,初期支护施工过程最大沉降发生在导洞初支施作阶段,对地层沉降的贡献在70%左右。

根据吴精义等[6]的研究结果,有效降水后的传统PBA法施工地铁车站在导洞施工阶段的最大沉降分布区间为-33.59～-44.55 mm,新型PBA工法与传统8导洞PBA工法导洞施工期间导致的地层沉降差异较大。主要原因为新型PBA工法联合中间导洞,使得中间导洞分步开挖时拱部形成的自然拱无法与导洞形状更好地贴合,间接导致中间导洞初支结构与地层之间的空隙增大,且各导洞仍处相邻导洞施工的影响范围内,群洞影响效应较为明显,结合背后回填注浆的相对滞后性以及开挖过程对地层造成的相应扰动,导致了导洞开挖期间地层沉降较大。

4 现场实测与数值模拟结果对比分析

选取模型中与实际测点位置相对应的节点,以断面6为例,进行数值模拟结果与现场实测数据的对比分析。导洞施工阶段沉降对比如图9所示,扣拱施工阶段沉降对比如图10所示,两条地层沉降曲线基本符合正态分布。以各断面实测沉降最大值的平均值为真值,对比数值模拟的结果,导洞开挖施作初期支护的沉降模拟值小于实测值,最大误差为6.23 mm,原因主要为现场辅助施工方法为降水施工,开始降水时间为开挖前的15 d,降水未完全完成,导致开挖期间地层孔隙水压力逐步消散,有效应力逐步增加,造成地层本身的固结沉降,实测数据包含了降水导致的地层沉降;中扣拱开挖阶段的模拟值大于实测值,最大误差为10.65 mm,主要原因是实际施工中土体开挖前会辅以深孔注浆手段加固地层减少沉降,而模型未设定深孔注浆加固地层的参数,导致扣拱阶段的模拟值要大于实测值,但初期支护施工阶段的总体沉降规律与实际基本相同。

图9 导洞施工阶段沉降对比

图10 扣拱施工阶段沉降对比

由上述分析可知:①新型PBA车站初期支护施工阶段主要沉降发生在导洞施工阶段,且由于断面形式影响,中导洞施工阶段地层沉降占比最大;②不同工序施工会对地层造成不同的应力重分布现象,进而使得地层产生了位移变形,因导洞与扣拱开挖阶段是对四周土体尤其是拱顶土体的卸荷,造成的扰动较大,在应力重分布时造成的地层变形比梁柱体系施工时大;③导洞开挖期间群洞效应明显,已形成的支护体系会随着后续结构的施作在横向及竖向产生累加变形,中间导洞分部开挖时由于导洞拱部形态与该地层中自然拱形式不同,造成的沉降比传统PBA车站要大。

5 结论与建议

通过对新型PBA车站初期支护施工阶段实测数据的总结归纳及数值研究,得到北京某地铁车站粉质黏土地层新型PBA车站初期支护施工引起的地层沉降规律。

(1)新型PBA车站初期支护施工过程沉降最大发生在开挖面拱顶上方,总体最大沉降分布在车站中轴线上方,沉降值与测点位置的关系符合正态分布。

(2)新型PBA车站导洞施工地层沉降影响范围大约为车站中轴线2.39H,扣拱施工地层沉降影响范围大约为车站中轴线1.75H。

(3)导洞施工阶段的沉降速率与沉降值均大于扣拱施工阶段,受断面形式影响,初期支护施工阶段的最大沉降发生在中导洞施工过程,施工过程应严格执行“十八字方针”控制沉降。

(4)相较于传统PBA车站,新型PBA车站导洞数量减少,可相应减少施工过程中的群洞效应,但由于中导洞断面尺寸较大,开挖过程造成的地层损失较大,不利于地层沉降控制。

(5)车站初期支护施工对地层沉降造成的影响并非一次性完成,故后续仍需要加强监测,及时进行背后回填注浆,减少地层沉降。

目前新型PBA车站的应用较少,对其沉降规律的研究相应不够系统,可供参考的实际数据较为欠缺。本文基于统计分析以及数值研究的方法,仅对粉质黏土地层新型PBA车站初期支护施工阶段的沉降规律进行研究,但受限于数据的有限性以及数值分析的精确程度,加之现场施工水平因素未能完全顾忌,故研究结果仅可作为参考,相信随着后期越来越多新型PBA车站的建设,其研究结论会更加精确。