汪成兵，邵 普，周 寧

(交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088)

隨著城市地鐵建設(shè)的迅猛發(fā)展，新建隧道不可避免地會下穿地面建筑物，其中地鐵車站穿越地面建筑物的問題具有一定的代表性。目前對隧道下穿地面建筑物的研究主要集中在建筑物沉降預(yù)測、安全控制等方面，且多為地鐵區(qū)間等小斷面隧道[1-6]，對地鐵車站等大斷面隧道下穿地面建筑物的研究較少。

地鐵車站因其開挖斷面大、施工工序繁多，其施工力學(xué)效應(yīng)也更加復(fù)雜，地表沉降控制相對更嚴(yán)格，因此采用合理的暗挖施工方法相當(dāng)重要。中洞法作為淺埋暗挖法中比較常用的一種工法，在地鐵車站施工中得到了廣泛的應(yīng)用，如北京地鐵5號線磁器口車站和蒲黃榆站等均采用該工法施工。國內(nèi)外諸多學(xué)者針對中洞法施工的工序優(yōu)化、施工效應(yīng)等進(jìn)行了研究[7-11]，但對采用中洞法下穿地面構(gòu)筑物施工的研究較少。本文以北京某地鐵車站為工程背景，采用1∶20大比例模型試驗及數(shù)值模擬方法，對地面3層框架結(jié)構(gòu)建筑物下地鐵車站中洞法施工時的力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行研究，分析施工全過程中地表及建筑物的位移、圍巖及建筑物的應(yīng)力分布特征及發(fā)展規(guī)律，以期為今后類似工程建設(shè)提供參考。

1 穿越施工模型試驗

1.1 工程背景

模型試驗以北京某地鐵車站為工程背景，車站采用復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)噴射厚35 cm的C20早強混凝土，二襯采用C30混凝土。車站埋深13 m，寬23.86 m，高10.64 m，車站橫斷面如圖1所示。地鐵車站穿過的巖土層為粉質(zhì)黏土、黏土和粉土，屬Ⅵ級圍巖。車站結(jié)構(gòu)拱部設(shè)置超前管棚，管棚選用φ159的熱軋鋼管，間距500 mm，鋼管內(nèi)灌注水泥砂漿。管棚間及結(jié)構(gòu)上部外沿采用小導(dǎo)管周壁預(yù)注漿，小導(dǎo)管選用φ32熱軋鋼管，長度為3.0 m。

圖1 車站橫斷面圖(單位：m)

地鐵車站從1棟地面上3層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑物的正下方穿過，建筑物高13.0 m，橫斷面寬31.2 m。建筑物立柱橫截面的長×寬為0.7 m×0.7 m，橫梁橫截面的長×寬為0.7 m×0.4 m，立柱間距為7.8 m，第1層高4.5 m，第2和第3層均高4.2 m。建筑物采用條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深2.0 m。

1.2 模型試驗相似關(guān)系

根據(jù)試驗的實際情況，確定試驗幾何相似比為1∶20，容重相似比為1∶1，根據(jù)相似理論推導(dǎo)，泊松比、應(yīng)變、摩擦角的相似比均為1∶1；強度、應(yīng)力、黏聚力、彈性模量的相似比均為1∶20，線荷載相似比為1∶400，質(zhì)量相似比為1∶8 000。

1.3 試驗裝置

試驗在專門制作的模型試驗箱內(nèi)進(jìn)行。模型試驗箱的長×寬×高為4.2 m×2.5 m×0.6 m。為方便觀察，模型試驗箱的前后面板均采用厚度為19 mm的鋼化玻璃，玻璃面板的長×寬為2.0 m×1.5 m。玻璃面板的中下部預(yù)留開挖孔，開挖孔的尺寸根據(jù)試驗的隧道截面確定。模型試驗箱如圖2所示。

圖2 模型試驗箱

1.4 模型材料

試驗時對地層條件進(jìn)行了簡化，將模擬范圍內(nèi)的地層從力學(xué)上概化為均一介質(zhì)的地層。地層力學(xué)參數(shù)依據(jù)該地鐵車站工程勘察報告按照地層高度加權(quán)平均選取，超前管棚及超前小導(dǎo)管注漿采用提高加固圈圍巖物理力學(xué)參數(shù)的方法模擬。根據(jù)設(shè)計資料，自車站起拱線至拱頂周邊1.0 m范圍內(nèi)為圍巖加固圈。最終確定的模型材料配比及其物理力學(xué)參數(shù)見表1和表2，其中噴射混凝土模型材料力學(xué)指標(biāo)取30 min的實驗值，二次襯砌、鋼管混凝土立柱及建筑物模型材料力學(xué)指標(biāo)以終凝時的實驗值為準(zhǔn)。

1.5 試驗過程

表1 地層及結(jié)構(gòu)模型材料配方中各材料含量

表2 地層及結(jié)構(gòu)模型材料物理力學(xué)參數(shù)

按照模型材料配比配制材料，分層填入模型箱，模型制作中嚴(yán)格控制模型材料的密度。模型土層制作完成后，吊裝建筑物模型安放在模型地表預(yù)先設(shè)定的位置。根據(jù)GB50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[12]，建筑物頂層活荷載為0.5 kPa，其他層活荷載為3.5 kPa，每層樓面上所加重力荷載為2.5 kPa。為方便試驗操作，對建筑物荷載進(jìn)行了簡化計算，即將樓面荷載及活荷載簡化成均布荷載加在橫梁上，將外墻重力荷載及縱梁重力荷載簡化為集中荷載加在梁柱交點上。建筑物配重如圖3所示，其中集中荷載及線荷載均已按照相似比進(jìn)行了換算，分別為P1=P2=6.1 N，q1=52.5 N·m-1，P3=P5=21.9 N，P4=P6=6.1 N，q2=q3=105.0 N·m-1。

圖3 建筑物配重

模型制作完成靜置一段時間后開始試驗，地鐵車站施工按中洞法進(jìn)行，施工順序按照圖4中標(biāo)號的順序進(jìn)行。

1.6 量測設(shè)備及測點布置

圍巖及建筑物位移、應(yīng)力測點布置如圖5和圖6所示，地表沉降共布置15個測點(w1—w15)，建筑物頂部沉降共布置5個測點(w16—w20)。水平應(yīng)力共布置20個測點(a01，a02，a04，a05，a07—a13，a21—a23，a26—a28，a31—a33)，垂直應(yīng)力共布置15個測點(a03，a06，a14—a20，a24，a25，a29，a30，a34，a35)。地表及建筑物頂部沉降采用量程±25 mm的數(shù)顯位移傳感器量測，圍巖應(yīng)力采用量程50 kPa的微型土壓力盒量測。

圖4 中洞法施工過程

圖5 位移測點布置示意圖(單位：m)

圖6 圍巖應(yīng)力測點布置示意圖(單位：m)

1.7 試驗結(jié)果與分析

通過洞室的分步開挖、臨時支撐的施作與拆除、二次襯砌的分塊安裝，如圖7所示，實現(xiàn)了中洞法施工全過程的試驗?zāi)M。

試驗結(jié)束后，地上建筑物第1跨(按從左往右的順序)第1層梁上靠近外側(cè)立柱的位置及第4跨第3層梁上靠近外側(cè)立柱產(chǎn)生了裂縫，如圖8所示。

圖7 中洞法施工過程

圖8 地上建筑物裂縫

1.7.1 地表沉降

不同施工階段地表沉降曲線(其中W8測點失效)如圖9所示，圖中橫坐標(biāo)表示從模型試驗箱左邊界到右邊界的距離。從圖9可知：距離車站中線越近的測點沉降越大，距離車站中線越遠(yuǎn)的測點其沉降越早趨于穩(wěn)定；車站施工初期的中洞開挖支護(hù)期間的地表沉降最大，各測點沉降占最終沉降比例的平均值為34.4%；側(cè)洞開挖支護(hù)期間地表沉降次之，各測點沉降占最終沉降比例的平均值為33.6%；而中洞二襯施工期間的地表沉降最小，各測點沉降占最終沉降比例的平均值為6.3%；中洞施工完成后，地表沉降主要發(fā)生在車站中線兩側(cè)0.57 m范圍內(nèi)，即中洞正上方；側(cè)洞施工后，地表沉降槽寬度增加，各點沉降增大，尤其是中洞上方以外的測點，沉降增大明顯；因受車站臨時支撐拆除影響，側(cè)洞二襯施工期間地表沉降較大。

圖9 不同施工階段地表沉降曲線

1.7.2 建筑物頂部沉降

不同施工階段建筑物頂部W17—W20測點(其中W16測點失效)沉降曲線如圖10所示，圖中橫坐標(biāo)表示從建筑物左邊界到右邊界的距離。從圖10可知：建筑物頂部沉降規(guī)律與地表沉降相同，中洞開挖支護(hù)期間沉降最大，各測點沉降占最終沉降比例的平均值為40.9%，側(cè)洞開挖支護(hù)期間沉降次之，各測點沉降占最終沉降比例的平均值為26.0%，而中洞二襯施工期間沉降最小，各測點沉降占最終沉降比例的平均值為8.3%；在側(cè)洞二襯施作期間，因受車站臨時支撐拆除影響，建筑物沉降增加較大；在施工過程中，柱間沉降差逐漸增大；因受建筑物剛度約束影響，建筑物外側(cè)立柱的最終沉降差最大，達(dá)3.99 mm，從而導(dǎo)致地面建筑物第1跨、第4跨橫梁產(chǎn)生裂縫；W17，W18和W19測點所在立柱其相鄰的兩柱間的沉降差在中洞施工期間均增加較大，而最外側(cè)的W19和W20測點所在立柱間沉降差在側(cè)洞施工期間增加較大。因此，在實際工程施工中，應(yīng)嚴(yán)格控制車站施工對地層的擾動，同時加強對地面建筑物沉降的監(jiān)測，避免因車站施工導(dǎo)致地面建筑物破損。

圖10 不同施工階段建筑物頂部測點沉降曲線

1.7.3 圍巖應(yīng)力

不同施工階段車站側(cè)壁圍巖垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力的變化值曲線如圖11所示，其中應(yīng)力變化值是指施工后與施工前的應(yīng)力差值。從圖11可知：施工結(jié)束后，因受開挖卸荷效應(yīng)及圍巖應(yīng)力重分布影響，側(cè)壁附近垂直應(yīng)力增加，水平應(yīng)力減小；對垂直應(yīng)力，中洞開挖支護(hù)期間應(yīng)力變化幅度最大，中洞二襯施作期間應(yīng)力變化幅度最?。欢鴮λ綉?yīng)力，因測點更靠近側(cè)洞，在側(cè)洞開挖支護(hù)期間應(yīng)力變化幅度最大，中洞開挖支護(hù)期間應(yīng)力變化幅度最??；垂直應(yīng)力在側(cè)壁的影響范圍大于水平應(yīng)力，且垂直應(yīng)力變化幅度大于水平應(yīng)力。

圖11 不同施工階段側(cè)壁圍巖應(yīng)力變化值曲線

圖12 不同施工階段車站頂部圍巖應(yīng)力變化值曲線

圖13 不同施工階段車站底部圍巖應(yīng)力變化值曲線

不同施工階段車站頂部、底部圍巖應(yīng)力變化情況如圖12和圖13所示。從圖12和圖13可知：拱頂上方水平應(yīng)力在中洞施工期間減小，在側(cè)洞施工期間增加，且側(cè)洞正上方的測點應(yīng)力增加幅度最大；在側(cè)洞施工期間側(cè)洞上方垂直應(yīng)力減小，側(cè)洞外側(cè)垂直應(yīng)力增加，且側(cè)洞上方在施工過程中垂直應(yīng)力變化幅度大于側(cè)洞外側(cè)；因受車站開挖卸荷影響，施工后車站底部應(yīng)力減小，且垂直應(yīng)力變化幅度大于水平應(yīng)力。

2 穿越施工數(shù)值模擬分析

2.1 計算模型的建立

數(shù)值模擬以模型試驗的條件進(jìn)行。計算模型中地層、結(jié)構(gòu)物等的物理力學(xué)參數(shù)見表2。計算模型位移邊界條件為左右邊界水平位移固定、下邊界垂直位移固定、上邊界為自由表面。由于建筑物早已建成，建筑物及土體在重力作用下變形已經(jīng)完成，假定新的變形完全是由地鐵車站施工引起的。計算模型中土體按理想彈塑性體考慮，采用線性Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。地鐵車站臨時支撐、初期支護(hù)均采用梁單元模擬，車站二次襯砌、建筑物均采用實體單元模擬。由此建立的數(shù)值模型如圖14所示。

圖14 數(shù)值模型

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.2.1 地表位移

地表沉降數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的對比如圖15和圖16所示。由圖15和圖16可知：地表沉降歷時曲線計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好；與試驗結(jié)果相比，地表沉降最大值模擬結(jié)果稍小，但地表沉降槽寬度模擬結(jié)果較大。在試驗中，建筑物出現(xiàn)開裂破壞，地表沉降主要發(fā)生在建筑物區(qū)域范圍內(nèi)，這也是地表沉降槽試驗結(jié)果比模擬結(jié)果窄的主要原因。

圖15 施工過程中地表沉降歷時曲線模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的對比

圖16 施工結(jié)束后地表沉降曲線模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的對比

不同施工階段地表水平位移曲線如圖17所示，其中指向模型右邊界為正，左邊界為負(fù)。在施工過程中，地表水平位移方向均指向模型中線，位移值逐漸增加。由圖17可知：地表位移最大點位于車站中線外側(cè)約0.9 m處，靠近建筑物外側(cè)立柱，最大水平位移達(dá)1.79 mm；因受建筑物剛度約束影響，在建筑物外側(cè)立柱附近，地表水平位移明顯減??；地表水平位移的變化規(guī)律與地表沉降相同，中洞開挖支護(hù)期間最大，占最終沉降量比例的平均值為49.8%，側(cè)洞開挖支護(hù)期間次之，占最終沉降量比例的平均值為24.9%，而中洞二襯施工期間最小，占最終沉降量比例的平均值為9.7%。

圖17 不同施工階段地表水平位移曲線

2.2.2 初期支護(hù)的彎矩及軸力

施工完成后初期支護(hù)彎矩及軸力如圖18所示。由圖18可知：初期支護(hù)最大彎矩為1.01 kN·m，出現(xiàn)在左、右下邊角，最大軸力為27.9 N，出現(xiàn)在初襯左、右側(cè)下部。因此在實際施工中，應(yīng)重點關(guān)注初期支護(hù)左、右下邊角的結(jié)構(gòu)安全性。

圖18 初期支護(hù)內(nèi)力

施工結(jié)束后，立柱垂直應(yīng)力、橫梁水平應(yīng)力變化值如圖19和圖20所示，立柱從左往右依次編號，橫梁從下往上依次編號。由圖19和圖20可知：立柱下部垂直應(yīng)力變化值較上部大；橫梁水平應(yīng)力以橫梁中點為對稱軸呈對稱狀態(tài)分布，建筑物外側(cè)的第1跨、第4跨橫梁水平應(yīng)力變化值比中間的第2跨、第3跨水平應(yīng)力變化值大；在立柱與橫梁的交叉部分，由于集中荷載的作用，立柱垂直應(yīng)力、橫梁水平應(yīng)力出現(xiàn)明顯的突變；施工結(jié)束后，第3根立柱垂直應(yīng)力變化幅度最小，第2根立柱垂直應(yīng)力變化幅度最大；第1層橫梁水平應(yīng)力變化幅度最大，第3層橫梁水平應(yīng)力變化幅度最小。

圖19 立柱垂直應(yīng)力變化值

圖20 橫梁水平應(yīng)力變化值

2.2.3 塑性區(qū)

不同施工階段圍巖塑性區(qū)如圖21所示。由圖21可知：中洞開挖支護(hù)完成時，圍巖塑性區(qū)主要分布在建筑物基礎(chǔ)附近圍巖及側(cè)洞未開挖土體；中洞二襯施作完成時，建筑基礎(chǔ)下方圍巖塑性區(qū)向車站方向進(jìn)一步發(fā)展，側(cè)洞未開挖部分土體塑性區(qū)范圍也進(jìn)一步擴大；側(cè)洞開挖支護(hù)完成時，最外側(cè)立柱下方圍巖塑性區(qū)增大；車站施工完成后，建筑物基礎(chǔ)下方圍巖塑性區(qū)發(fā)展到車站邊界，車站左右側(cè)下邊角圍巖出現(xiàn)塑性區(qū)；因車站拱部進(jìn)行了超前加固，在施工過程中車站拱部未出現(xiàn)明顯的塑性區(qū)，這也說明了超前管棚等超前加固的重要性。

圖21 不同施工階段圍巖塑性區(qū)分布圖

3 結(jié) 論

(1)在車站施工過程中，地表及建筑物頂部沉降、地表水平位移在施工初期中洞開挖支護(hù)期間最大，側(cè)洞開挖支護(hù)期間次之，而中洞二襯施工期間最小。中洞施工完成后，地表沉降主要發(fā)生中洞正上方，側(cè)洞施工后，地表沉降槽寬度增加。在側(cè)洞二襯施工期間，因受車站臨時支撐拆除影響，地表及建筑物頂部沉降增加較大。因此，在實際工程中，應(yīng)嚴(yán)格控制車站施工對地層的擾動，尤其是臨時支撐拆除階段，同時加強變形監(jiān)測工作，避免因車站施工導(dǎo)致建筑物破損。

(2)施工完成后，側(cè)壁附近水平應(yīng)力、車站拱底水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力均減小，側(cè)壁附近垂直應(yīng)力增加。側(cè)壁垂直應(yīng)力影響范圍大于水平應(yīng)力，且垂直應(yīng)力變化幅度大于水平應(yīng)力；建筑物立柱下部垂直應(yīng)力變化值較上部大，外側(cè)橫梁水平變化值比中間橫梁大。

(3)中洞開挖支護(hù)完成時，圍巖塑性區(qū)主要分布在建筑物基礎(chǔ)附近圍巖及側(cè)洞未開挖土體，隨著施工的進(jìn)行基礎(chǔ)下方圍巖塑性區(qū)向車站方向進(jìn)一步發(fā)展，車站施工完成后建筑物基礎(chǔ)下方圍巖塑性區(qū)發(fā)展到車站邊界。因車站拱部進(jìn)行了超前加固，在施工過程中車站拱部未出現(xiàn)明顯的塑性區(qū)，這也說明了超前管棚等超前加固的重要性。