楊 鋒

(中鐵十五局集團有限公司, 200070, 上?！胃呒壒こ處?

為適應(yīng)復雜條件下城市地鐵車站施工地表變形需嚴格控制的要求，PBA(洞樁)法施工在城市地鐵車站建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。使用PBA法作為地鐵車站的施工方法，前人已有了一定的研究[4]。其主要研究成果包含：不同地區(qū)PBA法施工對周邊建筑物的影響[5]，施工工藝及開挖順序[6]，結(jié)構(gòu)受力特性[7]，地表沉降規(guī)律[8-9]，支護結(jié)構(gòu)受力特點等[10]。但西安某地鐵車站PBA法施工在黃土地區(qū)還是首次采用。對于黃土地區(qū)地鐵車站的施工，在導洞施工方案、支護結(jié)構(gòu)參數(shù)比選方面研究較多，而對于施工全過程研究還較少[11-12]。因此，采用FLAC軟件數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測手段分析施工全過程地表沉降及邊樁變形、受力規(guī)律對安全施工具有重要意義。以西安地鐵6號線首個PBA法施工的地鐵車站為背景，開展黃土地區(qū)PBA法施工地表沉降及邊樁變形受力規(guī)律分析，目的是為同類地鐵車站安全施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程背景

西安地鐵6號線首個PBA法施工的地鐵車站地處交通要道，其地面交通較繁忙、地下管線眾多、周邊環(huán)境復雜，是西安地鐵第1個采用PBA法施工的暗挖車站。該車站為地下二層島式站臺，尺寸為208.00 m(長)×19.90 m(寬)×16.73 m(高)，埋深為24.51 m，頂板覆土約為10.40 m。車站沿東西向設(shè)置，包含4個出入口、2組風亭。

1.2 工程及水文地質(zhì)條件

地鐵車站所在區(qū)域地形平坦，車站上面主要為市政道路，兩側(cè)均為商業(yè)建筑。地貌單元屬皂河二級階地。擬建場地土層從上往下分別為：人工填土，第四系全新統(tǒng)沖洪積黃土狀土及砂類土，上更新統(tǒng)沖積粉質(zhì)黏土及砂類土，中更新統(tǒng)沖積粉質(zhì)黏土及砂類土等。

場地內(nèi)地下水位較淺，為地面下10.00～10.40 m，水位年變化幅度約為1.0～2.0 m。

2 車站施工全過程數(shù)值模擬分析

采用FLAC軟件對該地鐵車站的施工全過程進行數(shù)值模擬分析。

2.1 模型建立

考慮邊界效應(yīng)對車站模型計算結(jié)果的影響，根據(jù)車站的具體尺寸建立車站模型，車站標準段寬為19.9 m，車站頂板覆土10.4 m。因此，模型上取至地面，下取至主洞以下約40 m，左右兩邊各取距車站中線40 m處，形成尺寸為80 m×70 m×20 m的模型。計算模型如圖1所示。

圖1 計算模型圖

2.2 模型參數(shù)及邊界條件選取

模型土層采用M-C模型，結(jié)構(gòu)單元用彈性模型，鋼管柱采用beam單元模擬，其余支護結(jié)構(gòu)均用實體單元模擬。邊樁結(jié)構(gòu)等效為地下連續(xù)墻，超前支護結(jié)構(gòu)、格柵支護結(jié)構(gòu)利用剛度等效原理，等效為一定厚度的混凝土結(jié)構(gòu)。

模型上取至地面，模型上表面自由；模型左右以及下部分周圍均是土體，因此左右邊界、下表面約束。為考慮車站上部的風雪、車輛等活荷載的影響，模型上部施加地面超載20 kPa。其結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)模型圖

2.3 模型監(jiān)測點布設(shè)

設(shè)置地表沉降、邊樁變形受力監(jiān)測點，監(jiān)測點布設(shè)如圖3所示。監(jiān)測點設(shè)置原則如下：

圖3 模擬計算的監(jiān)測點布設(shè)圖

1) 地表變形監(jiān)測點布設(shè)

為減小三維邊界條件的影響效應(yīng)的影響，取模型Y方向中間斷面為研究斷面。地表監(jiān)測點沿X方向設(shè)置，遵循中間密兩邊疏原則，從車站中線向兩邊距離分別為3 m、4 m和5 m。

2) 邊樁變形、受力監(jiān)測點

以Y=10 m處斷面為研究斷面，Z方向每隔2 m設(shè)置監(jiān)測點。

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

為方便分析，將PBA法施工步驟分為4個主要階段：①導洞施工階段(Ⅰ)；②支撐體系施作階段(Ⅱ)；③扣拱、二襯施作階段(Ⅲ)；④站臺、站廳層施作階段(Ⅳ)。

2.4.1 施工各階段地表沉降分析

為分析各施工階段地表沉降變化情況，繪制各階段地表沉降曲線以及最大地表沉降隨施工的變化曲線，如圖4所示。

圖4 地表沉降曲線

由圖4 a)可知，4個階段的地表沉降曲線均滿足正態(tài)分布規(guī)律，由車站中線向兩邊減小，地表沉降的變化率遵循先平緩后增加再平緩的變化規(guī)律，即地表沉降變化主要發(fā)生在車站施工的主要影響區(qū)域范圍內(nèi)。對于本車站，其主要影響區(qū)域處于距車站中線20 m的范圍內(nèi)。各階段施工完成后，最大地表沉降值分別為20.39 mm、30.73 mm、46.64 mm、50.45 mm。

由圖4 b)可知，最大地表沉降隨施工逐漸增加。第Ⅰ階段完成后，地表沉降值為20.39 mm，地表沉降曲線的沉降速率較大；第Ⅱ階段產(chǎn)生的地表沉降主要包含導洞開挖后應(yīng)力重分布時間效應(yīng)產(chǎn)生的沉降和施工擾動引起的地表沉降，曲線的變化斜率較緩慢；第Ⅲ階段完成后的地表沉降值增加至46.64 mm；第Ⅳ階段施作產(chǎn)生的地表沉降值為3.81 mm，最終的地表沉降值為50.45 mm，此階段產(chǎn)生地表沉降小，沉降曲線下降緩慢(其主要原因在于車站已經(jīng)形成了完整的支撐體系，對圍巖已經(jīng)起到了保護作用。)

2.4.2 邊樁變形受力分析

各施工階段中間斷面左邊樁迎土側(cè)各測點的水平位移隨埋深的變化曲線以及邊樁水平位移的歷程曲線見圖5。左邊樁豎向力隨施工的變化曲線見圖6。

圖5 邊樁變形曲線

圖6 邊樁受力隨時間步變化曲線

由圖5 a)可知，各階段的邊樁水平位移曲線呈現(xiàn)鼓肚的形式，在第Ⅱ階段施工完成以后，土體未開挖，水平位移較小，且最大值離樁頂更近；第Ⅲ階段施工完成后，邊樁的水平位移增加，且最大值位置下移；第Ⅳ階段施工由于中底板位置上部土體開挖，水平位移值持續(xù)增加。

由圖5 b)可知，從曲線整體來看，隨著車站施工，邊樁水平位移持續(xù)增加，邊樁施作完成后，由于施工的影響產(chǎn)生較小的水平位移，隨著后續(xù)冠梁、中柱相關(guān)結(jié)構(gòu)以及導洞內(nèi)扣拱、回填混凝土的施作，水平位移變化較?。划斶M行初期支護扣拱部位開挖土體時，邊樁水平位移增加，臨時支撐的施作以及襯砌的強度可以抵抗變形，在該階段后續(xù)施工中水平位移變化平緩；進行臨時支撐破除、導洞初期支護破除、二次襯砌施作過程中，由于土體開挖和二次襯砌強度未達到設(shè)計值，邊樁產(chǎn)生較大的水平位移，開挖中板上部土體時亦會產(chǎn)生較大水平位移，當中板施作后，開始開挖下部土體時，水平位移曲線平緩，原因在于中板和側(cè)墻可以抵抗變形。邊樁水平位移最大值出現(xiàn)在邊樁中上部位置，越接近樁底，邊樁水平位移越小，直至樁底，可以發(fā)現(xiàn)邊樁產(chǎn)生的水平位移已經(jīng)很小，也證明了邊樁的穩(wěn)定性較好。

由圖6可知，邊樁的軸向力隨車站開挖不斷增加，邊樁主要承受壓力，第Ⅱ階段施工完成后，邊樁軸向力變化不明顯，軸向力最大值為303.32 kN；邊樁壓力的增加主要發(fā)生在扣拱和中板以上土體開挖及中板施工的過程中，底板施工對軸向力的影響較小，對樁入土深度區(qū)域和影響較小區(qū)域還有軸向力減小的現(xiàn)象，主要原因在于底板施工時中板以及中板以上側(cè)墻對邊樁受力增加有一定的抑制作用?？酃笆┕ね瓿珊笞畲筝S向力為821 kN；底板施工完成后，最大軸向力為1 129.92 kN。

3 車站施工全過程現(xiàn)場監(jiān)測分析

3.1 監(jiān)測方案及監(jiān)測點布設(shè)

1) 地表沉降監(jiān)測。地表沉降監(jiān)測點遵循中間密兩邊疏的原則，車站范圍內(nèi)每隔3 m設(shè)置1個監(jiān)測點，車站外側(cè)隔4 m設(shè)置1個監(jiān)測點，最外側(cè)次要影響區(qū)每隔5 m設(shè)置1個監(jiān)測點。

2) 邊樁應(yīng)力監(jiān)測。選取標準段試驗樁進行測點布設(shè)，考慮不利工況和特征點，分別在樁頂、中層板處、中層板與底板中間、底板處、樁底分別設(shè)置鋼筋應(yīng)力片進行邊樁軸向應(yīng)力監(jiān)測。

3.2 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析

3.2.1 地表沉降監(jiān)測結(jié)果分析

如圖7所示，分別為各施工階段地表沉降曲線和地表沉降隨時間的變化曲線。由于施工現(xiàn)場尚未完成車站整體施工，第Ⅳ階段僅表示中板以上土體開挖。

分析圖7 a)可知，各施工階段地表沉降曲線變化規(guī)律與數(shù)值模擬結(jié)果相同，離車站中線最近的測點D5、D6越近，地表沉降量越大。在邊緣的測點(D9)，施工的進行對其地表沉降影響很小，當進行扣拱施工和主體結(jié)構(gòu)施工時，邊緣測點的地表沉降值已經(jīng)接近穩(wěn)定。

分析圖7 b)可知，車站整體施工過程中，地表沉降量不斷增加，增加速率呈現(xiàn)先增加后平緩，再增加最后平緩的現(xiàn)象，標準段施工至中板以上土體開挖位置時產(chǎn)生的最大地表沉降為49.10 mm，距離車站中線較近的兩個測點產(chǎn)生的最大地表沉降分別為48.26 mm和48.06 mm。

圖7 地表沉降變化分析

3.2.2 邊樁受力監(jiān)測結(jié)果分析

如圖8所示，分別為A30邊樁迎土側(cè)、背土側(cè)和中性面鋼筋軸向應(yīng)力隨時間的變化曲線，斷面編號遵循自下而上原則。

圖8 鋼筋應(yīng)力變化曲線

由圖8 a)可知，迎土側(cè)鋼筋軸向應(yīng)力總體隨著時間呈增長趨勢，且鋼筋的應(yīng)力值基本為負值，均處于受壓狀態(tài)。迎土側(cè)鋼筋應(yīng)力值隨時間變化經(jīng)歷了“平緩、加速，再平緩、加速增加”的過程。截至2020年12月，施工至中板土體開挖階段，還尚未完成，此時標準段自下而上各斷面迎土側(cè)鋼筋應(yīng)力分別為11.61 MPa、23.30 MPa、22.81 MPa、32.28 MPa、52.00 MPa。

分析圖8 b)可知，背土側(cè)鋼筋軸向應(yīng)力呈現(xiàn)受拉狀態(tài)，僅在樁底偶爾會出現(xiàn)受壓情況，變化規(guī)律和速率情況與迎土側(cè)鋼筋應(yīng)力類似，但背土側(cè)的應(yīng)力值波動性比較大，主要原因在于受到施工擾動的影響較大。分析圖8 c)可知，中性面鋼筋軸向應(yīng)力呈現(xiàn)受壓狀態(tài)，鋼筋壓應(yīng)力值小于迎土側(cè)。

3.2.3 數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比分析

為驗證模擬模型的建立和參數(shù)選取的合理性，將數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果作比較。由于現(xiàn)場施工還尚未完成，因此選取第Ⅰ階段、第Ⅲ階段地表沉降曲線進行分析，如圖9所示。

由圖9可知，2個階段地表沉降曲線均沿中線呈基本對稱分布，符合理論分析結(jié)果。從變化量方面考慮，數(shù)值模擬結(jié)果：車站中線最終地表沉降量為20.39 mm，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果為20.16 mm；扣拱階段數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分別為46.64 mm、45.59 mm。2個階段分析的結(jié)果相差較小，其相差最大值為3.51 mm，在規(guī)范允許的差值范圍內(nèi)。

圖9 數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比曲線

4 結(jié)論

1) FLAC軟件的數(shù)值模擬結(jié)果表明，地鐵車站PBA法施工過程中，地表沉降曲線沿車站中線呈對稱，主要影響區(qū)域在距車站20 m范圍內(nèi)；邊樁水平位移呈現(xiàn)鼓脹形式，邊樁水平位移最大值出現(xiàn)在邊樁中上部位置，越接近樁底，邊樁水平位移越?。贿厴遁S向力隨車站開挖不斷增加，邊樁主要以承受軸向壓力為主，底板施工完成后，最大軸向壓力為1 129.92 kN。

2) 現(xiàn)場監(jiān)測表明，標準段導洞施工階段完成后，最大地表沉降量為20.16 mm；扣拱施工完成后，地表沉降最大值為46.60 mm；車站整體施工過程中，地表沉降量不斷增加，增加速率呈現(xiàn)先增加后平緩、再增加最后平緩的現(xiàn)象，標準段施工至中板以上土體開挖位置時產(chǎn)生的最大地表沉降量為49.10 mm；標準段鋼筋軸向應(yīng)力總體隨著時間呈增長趨勢，鋼筋應(yīng)力值隨時間變化經(jīng)歷了“平緩、加速，再平緩、加速增加”的過程；背土側(cè)的鋼筋軸向應(yīng)力呈現(xiàn)受拉狀態(tài)，僅在樁底偶爾會出現(xiàn)受壓情況，迎土側(cè)、中性面的鋼筋軸向應(yīng)力呈現(xiàn)受壓狀態(tài)。

3) 對比分析數(shù)值模擬與監(jiān)測結(jié)果可知，導洞開挖完成后，最大地表沉降值分別為20.39 mm、20.16 mm，扣拱階段最大地表沉降值分別為15.91 mm、15.73 mm，均在誤差允許范圍內(nèi)，證明FLAC軟件的數(shù)值模擬合理可行。