紀文杰，黃 博，姚直書，薛維培

(1.安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232000；2.安徽工程大學建筑工程學院，安徽 蕪湖 241000)

地下開挖對地下土體產(chǎn)生擾動，引起地應力狀態(tài)改變，從而引起地面變形和應力重分配，直到達到穩(wěn)定的平衡狀態(tài)[1]。淺埋隧道開挖一般會導致大面積地表沉降，開挖引起的沉降可能對附近建筑物造成嚴重破壞[2]。由于城市隧道處于底覆土、軟弱地基的環(huán)境中，并且斷面大，地表存在敏感建筑，使得城市的地表沉降問題成為設計和施工等各方面的主要問題[3]。為此，在地鐵建設中應用PBA(pile-beam-arch)工法，在開挖大斷面隧道時，可以先開挖小導洞，形成先期支護后再進行支護內(nèi)部土體的開挖，盡可能減少對上部土體的擾動[4-8]。

國內(nèi)對于PBA工法引起地表沉降的研究已有很多， 文獻[9]在考慮地下水的情況下， 對雙層小導洞的不同開挖順序進行數(shù)值模擬， 得出了最優(yōu)的開挖方案； 文獻[10]200模擬了橫通道單層雙向開挖小導洞的過程， 對比研究不同的開挖錯距及開挖順序?qū)ι喜康乇沓两档挠绊懀?得出了采用PBA工法暗挖地鐵車站時最合理的導洞開挖方案； 文獻[11]數(shù)值模擬了砂卵石地層中的PBA工法車站的施工過程，分析了不同的開挖順序?qū)Φ乇沓两档挠绊?；文獻[12]通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測，對比分析了兩種地層條件下的PBA車站對地表沉降的影響。文獻[13]通過數(shù)值模擬和靜力水準監(jiān)測技術，對PBA工法施工引起的地表沉降的過程進行了研究。文獻[14]認為PBA工法的6導洞形式采用“先上后下，先邊后中”工序可有效減少由于群洞效應而引起的地表沉降。

已有研究多關注橫通道同一側導洞開挖順序?qū)Φ乇沓两诞a(chǎn)生的影響，且未考慮橫通道開挖的影響。實際工程中，采用PBA工法施工的車站，導洞通常為上下兩層分布，導洞開挖通常是始于橫通道的雙向開挖，橫通道開挖對地表沉降的影響不可忽略。本文以北京地鐵7號線的達官營站為背景，針對始于橫通道的雙層雙向小導洞的開挖進行數(shù)值模擬分析，橫向比較橫通道及雙層雙向小導洞的不同開挖順序?qū)Φ乇沓两档挠绊?，并分析開挖的各階段對地表沉降的影響，可以用于指導相似工程的施工。

1 數(shù)值模型計算

1.1 工程背景

達官營站為地下雙層三跨島式車站，位于北京市西城區(qū)廣安門外大街(東西向)與規(guī)劃三里河路南延(南北向)交匯處，車站總長約為236m，車站頂板平均覆土厚度約為9m。主體施工采用PBA工法，主要由6個橫通道(上下兩層各3個)進行小導洞施工，其中車站兩端的橫通道向中間施工，中部的臨時橫通道則向兩側進行施工，車站上下兩層各分布有4個小導洞。

本次數(shù)值模擬的研究對象是上下兩層中部的臨時橫通道及自臨時橫通道向兩側開挖的16個小導洞，橫向比較不同的橫通道及導洞開挖順序?qū)Φ乇沓两档挠绊懀治鰴M通道施工與導洞施工所引起的沉降占總沉降的比例。

1.2 模型的建立

采用FLAC3D有限差分軟件進行數(shù)值模擬分析。根據(jù)實際工程情況與軟件特性，建立模型如圖1所示，模型沿車站的縱向長度取186.9m，寬度取131.3m，自地面向下的高度取46.3m。

根據(jù)勘察報告將地層概化為四個地層，自地面向下分別為：人工填土層厚9m、卵石層①厚4m、卵石層②厚6m、強風化礫巖、泥巖層厚28.3m，具體地層參數(shù)見表1。模擬土體時采用摩爾-庫倫模型，開挖使用null模型模擬，小導洞的格柵鋼架利用shell單元模擬，超前小導管支護通過加強小導洞開挖工作面前3m未開挖土體拱部的參數(shù)模擬，依據(jù)文獻[10]202和文獻[15]中的相似工程進行參數(shù)取值，具體支護參數(shù)取值如表1所示。由于開挖前通過降水將水位降低至車站底板以下，導洞開挖處于無水作業(yè)狀況，因此不考慮地下水的影響。

圖1 數(shù)值模擬模型

表1 參數(shù)匯總表

1.3 模型驗證

為便于分析，對上下兩層16個導洞進行編號，并將不同開挖部分分為6個區(qū)，如圖2所示，沿橫通道中心線的上方地表處設置豎向位移監(jiān)測點，監(jiān)測點分布如圖3所示，在實際施工過程中對5號、8號、16號和20號監(jiān)測點處的沉降進行了監(jiān)測，其余監(jiān)測點是為更好地分析沉降規(guī)律，而在數(shù)值模擬過程中新設的監(jiān)測點。

實際開挖方案為：首先完成上層橫通道開挖，然后同時開挖1號和4號導洞，完成15m后，同步開挖2 號、5號和8號小導洞，待其完成15m后，繼續(xù)開挖3號和6號小導洞，同樣是15m后，最后開挖7號小導洞，下層的開挖順序與上層相同，將該方案簡記為：①→③④→②→⑤⑥。

圖2 橫通道與小導洞分布及導洞編號

圖3 模型橫通道中心線處剖面圖及監(jiān)測點分布

通過對原施工方案進行數(shù)值模擬，獲得的5號、8號、16號和20號監(jiān)測點處沉降值與實際沉降值進行對比，如表2所示。由于在數(shù)值模擬過程中對地層參數(shù)與支護進行了簡化，模擬結果與實際結果存在微小誤差，誤差均小于3%，故本次模擬可以很好的反映實際開挖對地表沉降的影響。

表2 監(jiān)測點實際沉降與模擬沉降對比表

1.4 導洞開挖方案

本文模擬了四種開挖方案，每種開挖方案可分為六個部分，分別為上層橫通道、下層橫通道、上層東側導洞、上層西側導洞、下層東側導洞和下層西側導洞，如圖2所示。上下層橫通道的開挖均會開挖至設計位置，然后自橫通道內(nèi)向兩側開挖小導洞。導洞開挖錯距為15m，即導洞開挖至15m時，本導洞不停止開挖，同時開始開挖其他導洞，所有導洞均開挖30m后停止開挖。

1)模擬方案1：采用先上層后下層，同層的導洞雙向交錯開挖的方案，該方案為實際開挖方案，具體開挖步驟如上節(jié)所述。

2)模擬方案2：先完成上層橫通道的開挖，緊接完成下橫通道的開挖，完成兩個橫通道開挖后，首先開挖東側的上下兩層小導洞，在該側采用“先開挖同側，上下交錯開挖”的方案[8]。具體開挖方案為：6號和8號導洞首先開挖15m，再同時開挖13號和15號導洞，以開挖錯距為15m，緊接依次開挖上層5號和7號導洞、下層14號和16號導洞、上層1號和3號導洞、下層10號和12號導洞、10號和12號導洞、上層2號和4號導洞和下層9號和11號導洞?？珊営洖椋孩佟凇邰荨堍蕖?/p>

3)模擬方案3：首先完成兩個橫通道的開挖，采用先東側上層導洞與西側下層導洞同時交錯開挖，然后西側上層導洞與東側下層導洞交錯開挖的方案。以錯距為15m依次開挖順序為：上層6號和8號導洞、下層9號和11號導洞、上層5號和7號導洞、下層10號和12號導洞、上層1號和3號導洞、下層14號和16號導洞、上層2號和4號導洞和下層13號和15號導洞。簡記為：①→②→③⑥→④⑤。

4)模擬方案4：采用先下層后上層，同層導洞雙向交錯開挖的方案，該方案僅將模擬方案1上下順序顛倒，同層導洞開挖順序與模擬方案1相同，簡記為：②→⑤⑥→①→③④。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 地表沉降分析

根據(jù)模擬結果，提取橫通道中心線處各監(jiān)測點的沉降值，繪制了四種方案的橫通道中心線橫截面上的地表沉降槽曲線，如圖4所示。

圖4 橫通道中心線沉降槽曲線

從圖4中發(fā)現(xiàn)，四種方案的沉降槽差別較小，其中方案四在橫通道始挖部分引起的沉降對比另外三種方案所引起的該部分沉降較小，數(shù)值模擬的最大地表沉降均發(fā)生在車站中心區(qū)域，故選取中心區(qū)域的部分監(jiān)測點(如圖3中監(jiān)測點紅色標記處)所得的沉降值，利用軟件，按照Peck法[16]擬合數(shù)據(jù)，擬合公式為

(1)

式中：S為地表任意一點的沉降值；Smax為地表沉降最大值，位于沉降曲線的對稱中心線上；y為距車站中心線(車站中心線位置如圖3所示)的距離，自車站中心線向橫通道始挖處為負，反之為正；yc為從車站中心線到地表沉降值最大處的水平距離；i為從沉降曲線的對稱中心線到曲線反彎點的水平距離，簡記為反彎點距離。

通過擬合得到車站中心區(qū)域處的各方案橫通道中心線上的模擬地表沉降槽擬合曲線，如圖5所示。

(a)方案一 (b)方案二

(c)方案三 (d)方案四圖5 各方案沉降槽擬合曲線

根據(jù)擬合結果，不同開挖順序所引起的最大沉降值差別較小，是由于橫通道與小導洞的開挖對橫通道中心線處地表的重復多次擾動一致，因此引起的沉降值較接近。方案2即“先開挖東側導洞再開挖西側導洞”的方案所引起的反彎點距離最小，由于該方案先形成了一側的支護體系，該體系的形成增加了該側土體的穩(wěn)定性，減小了另外一側土體開挖時對土體的影響范圍。各方案的最大沉降位置位于橫軸的副半軸，該位置處于車站中心線偏向橫通道始挖處，這是由于橫通道的開挖而導致車站中心線偏向橫通道始挖處的土體受到更大擾動，如圖6所示為方案2東側導洞開挖完成后的沉降云圖，上層導洞上部土體淺藍色區(qū)域表示該處土體沉降較大，且該區(qū)域偏離車站中心區(qū)域向右，故車站中心線偏右側處地表沉降較大，由于土體的開挖，下部土體應力卸載，導致隧道下部土體出現(xiàn)隆起，如圖中紅色和橘黃色區(qū)域，通過觀察還可發(fā)現(xiàn)車站中心線右側(即15號導洞下部)豎直方向的隆起更為明顯，產(chǎn)生的豎向位移通過襯砌結構和上部的土體的傳遞，減小了該側地表的沉降。

2.2 不同開挖階段沉降比例分析

本文所選取的四種方案，每一種方案的施工均可分為上層橫通道開挖、下層橫通道開挖和導洞開挖，在yc=-2.3m處即第13號監(jiān)測點處，各方案施工中上述三部分的開挖所引起的地表沉降值及其占比如表2所示。

圖6 方案二東側導洞開挖完成后的沉降云圖

通過對表2的分析可知，小導洞的開挖所引起的地表沉降是引起地表沉降的主要因素，占總沉降約60%，橫通道的開挖引起的地表沉降約占40%，故實際工程中需在小導洞開挖過程中施加沉降控制措施；就橫通道的開挖，先開挖上層橫通道后開挖下層橫通道對比先開挖下橫通道后開挖上橫通道差別較大，方案1、方案2和方案3都是先開挖上橫通道，方案4先開挖下橫通道，通過對比四種方案地表沉降的占比發(fā)現(xiàn)，先開挖下橫通道使下橫通道引起地表沉降的占比較大，這是因為先開挖上層橫通道，會在上部先形成支護結構，再開挖下橫通道時上部土體相對穩(wěn)定，有利于降低沉降產(chǎn)生速率，使沉降產(chǎn)生的速度更平緩，故先開挖并支護上部土體有利于對地表沉降的控制。

表2 不同開挖部分所引起的地表沉降值及其占比

3 結論

(1)由于PBA工法橫通道及導洞的開挖對橫通道中心線處的多次重復擾動一致，導致不同的開挖順序?qū)ψ罱K的地表沉降的影響差別較小。PBA工法施工的車站，小導洞的開挖是引起地表沉降的主要因素，小導洞引起的地表沉降占地表總沉降的60%左右，橫通道開挖所引起的沉降占總沉降的40%左右，故需要在小導洞開挖過程中施以沉降控制措施。

(2)對于需要雙向開挖導洞，若先在一側形成完整的支護體系，在另外一側開挖前提高了土體的穩(wěn)定性，減小完成開挖后的反彎點距離，減小開挖對土體的擾動程度。先開挖下層橫通道會使開挖下層橫通道所引起的地表沉降占總沉降的比例較大，先開挖上層橫通道會先形成支護體系，增加了上部土體的穩(wěn)定性，有利于對地表沉降的控制。

(3)由于車站中心線兩側橫通道的開挖長度不同，以及開挖所產(chǎn)生的應力卸載而產(chǎn)生的隆起不同，導致地表最大的沉降位置偏離車站中心點，偏向橫通道的始挖方向。