洞桩法暗挖车站施工过程对周边环境的影响分析
Research on the Environmental Effects Caused by Metro Station Construction with Pile-Beam-Arch Method

作者: 韩子安 :沈阳地铁集团有限公司,辽宁 沈阳;

关键词: PBA暗挖车站数值模拟影响分析PBA Underground Excavation Station Numerical Simulation Effect Analysis

摘要: 地铁车站的施工将不可避免扰动周围地层,有可能导致一定范围内的既有建筑物发生过大沉降或差异沉降,从而影响邻近建筑物的正常使用和安全。本文研究密切结合施工难度和风险极大的某地铁暗挖车站工程而展开,针对工程建设中存在的主要难题,采用数值模拟方法分别从空间效应、邻近建筑物差异沉降分析几个方面探讨了地铁洞桩法施工对邻近既有建筑的影响,并提出了相应的风险控制措施。

Abstract: The construction of subway station will inevitably disturb surrounding ground, which may cause excessive settlement or differential settlement of existing buildings within a certain range. Due to this, the normal use and safety of adjacent buildings will be affected. In this paper, a history case about an underground excavation subway station with difficult construction processes and high risk was studied. For the key problems during construction, the space effect and differential settlement of adjacent building were analyzed using numerical simulation method, and the effect of construction with PBA method on adjacent buildings was discussed. The crucial risk control measures were proposed.

1. 引言

地铁工程的线路敷设常常穿越市区繁华地段,为避免中断地面交通,多数地铁线路都结合地面交通及地下管线敷设情况采用浅层埋设的地下敷设方案 [1] [2]。地下工程开挖卸载过程将直接扰动地层原有的应力平衡状态,必然会引起开挖硐室周边地层的移动与变形。通常情况下因硐室开挖或基坑开挖卸载导致的有明显位移的地层范围统称为施工影响范围。当暗挖隧道的覆土厚度较浅时,隧道开挖卸载导致的施工影响范围会直接延伸至地表,在地表形成施工沉降槽。施工沉降槽的形成对周边的路面、市政管线、既有建筑物等基础设施造成不利影响,当施工沉降槽引起的不均匀沉降过大时,直接影响到周边建(构)筑物的正常使用,甚至出现结构开裂或倒塌等风险事故 [3] [4]。

在城市主干道区域往往因为地面交通繁忙、地下管线多且复杂等原因无法采用明挖法进行施工,在上述条件下往往被动选择暗挖法作为车站及区间隧道的施工工法。当前国内城市轨道交通领域主要采用PBA工法、中洞法等工法建造浅埋暗挖地铁车站;其中PBA工法因其对周边环境影响较小且灵活性强等原因应用最为广泛。洞桩法结合了传统盖挖法和暗挖法优点,能较好地限制地层移动及沉降,在北京地铁首次成功应用后,被广泛推广应用于国内其它城市的地铁建设,已逐渐成为城市繁华区域暗挖车站的主流施工工法。

一些学者对洞桩法施工对周围环境的影响展开了相关研究。刘运思等 [5] 通过现场实测和数值计算,研究了不同覆跨比、导洞的不同开挖顺序和不同土层参数下对地表沉降的影响规律。李金奎等 [6] 通过Midas-GTS建立有限元模型,研究PBA工法施工时产生的群洞效应对地层变形的影响,得到在多导洞施工期间,作业方式的选取对地表沉降影响较大。宗翔 [7] 结合某工程概况,研究洞桩法开挖引起的地面沉降规律,结合施工步序和沉降曲线特征,发现主要沉降量发生在边桩施工和中导洞开挖期间。

本文以采用PBA工法施工的沈阳地铁4号线太原街站为工程依托背景,结合数值计算软件MIDAS-GTSNX建立三维计算模型,分析了PBA暗挖车站施工过程对周边环境的影响机制及安全风险控制关键技术。

2. 工程概况

沈阳地铁4号线太原街站为4号线一期工程与既有1号线换乘站,站台宽度为14 m,车站总长度为231 m,标准段结构宽度25.3 m,底板埋深约27 m,顶板覆土为10.92 m,为地下两层双柱三跨结构。车站主体结构采用PBA暗挖法施工,扣拱后二次衬砌采用逆作法施做,内支撑采用一道钢支撑,采用坑外降水方案。边桩采用φ1000@1200规格钻孔灌注桩。车站主体结构施工工序如图1所示。

Figure 1. Construction section of Taiyuan Street Station

图1. 太原街站施工断面图

3. 施工过程数值模拟分析

3.1. 计算模型及边界条件

为研究PBA暗挖车站施工过程中产生的地层变形规律及对周边环境的影响机制,本文基于MIDAS-GTSNX软件建立三维数值计算模型,详见图2。所建立的计算模型尺寸为75 m × 260 m × 230 m (分别对应模型的高×宽×长)。为了确保数值模拟计算结果的准确性,有限元模型的相关参数选取参考已有文献 [5] [8]。喷射混凝土初期支护结构采用软件中的Shell单元进行模拟,两侧钻孔灌注桩采用Pile单元进行模拟,车站周边既有地下管线及车站内部钢管混凝土柱采用Beam单元进行模拟,车站主体结构

Figure 2. Numerical calculation model

图2. 数值计算模型

二次衬砌同样采用Shell单元模拟,地层采用实体单元模拟,桩、土间设置接触面属性,整体网格模型见图2。建筑物楼层荷载按15 kPa/层考虑,路面施加20 kPa活荷载。计算模型四周采用法相约束边界条件,模型底部采用固定边界条件。

地层物理力学特性参数根据勘察报告进行选取,支护结构体系的力学参数根据规范选取,具体参数取值详见表1

主要施工工序:

1) 首先施加自重荷载进行初始地应力计算,并对模型计算结果位移进行清零。

2) 根据图1所示PBA施工工序,一次施作边导洞、中导洞、两侧围护桩,并结合工序图分步开挖,模型中每次开挖循环长度为10 m。

3) 结合施工工序图,依次拆除临时支护结构体系,拆撑步长为5 m。

4) 施作主体结构二次衬砌。

Table 1. Formation mechanics parameters

表1. 地层力学参数

3.2. 计算结果分析

PBA暗挖车站施工结束时地表沉降云图及地面最大沉降点随开挖步骤变化曲线详见图3图4。结

Figure 3. Vertical displacement cloud map

图3. 竖向位移云图

Figure 4. Settlement history curve of the center point of the ground surface

图4. 地表中心点沉降历程曲线

果表明,当左、右侧边导洞施工结束后地表最大竖向位移约为2 mm,而中上导洞、中下导洞施工完成后地表最大竖向位移增量值为10 mm,表明中间上、下导洞对地表沉降的影响较为显著。对PBA工法开挖步序而言,开挖导洞过程所产生的地面沉降量占最终沉降量的79%,而扣拱施工及二次衬砌结构施工对地表沉降的影响较小。车站施工完成后,地面最大竖向位移约为16.16 mm。

考虑到文章篇幅所限,本文主要选取了新世界一期、新世界二期等对差异沉降较为敏感的既有建筑物作为研究对象。开挖结束后新世界一期的沉降及水平位移,见图5

图5可看出,虽然洞桩法车站施工引起的地表沉降较大,但是其影响范围有限,施工结束时新世界一期的最大沉降量仅为2.48 mm,这主要是因为洞桩法施作完边导洞及边桩时对邻近既有建筑物起到保护作用,抑制地层移动,其作用机理类似于隔离桩,有效阻断了地层移动的延伸。两侧围护桩水平变形情况如图6所示,在主体结构开挖阶段边桩作为围护结构承受两侧主动土压力,其最大水平位移为8.4 mm。施工结束后该建筑最大水平位移为6.09 mm,位于结构顶部位置,表明受到邻近隧道施工的影响该建筑物向地铁车站方向发生了一定的倾斜,经计算其倾斜率为0.033‰。

新世界一期沉降及倾斜率历程曲线见图7。可以看出,在导洞开挖阶段及扣拱阶段,建筑物沉降和倾斜增速较快,基本呈现线性增加趋势,而主体结构施工阶段其增速相对较为缓慢,结果表明边桩在控制地层移动方面起到的作用。PBA工法施作过程中,导洞施工完成后,一期建筑物沉降为1.28 mm,负一层和负二层施工完成后的地表沉降为1.78 mm和2.3 mm,施工完成后该建筑最大沉降约为2.48 mm,结果表明导洞施工引起的沉降占总沉降的50%左右,负一层和负二层开挖引起的沉降基本相同,分别为0.5 mm和0.52 mm,满足规范要求。而施工期间引起的建筑物倾斜与沉降规律基本一致,最大建筑物倾斜为0.032‰,且满足规范要求。

车站施工完成后新世界二期的竖向及水平位移如图8所示,其变化趋势与一期的结果相似。新世界二期沉降及倾斜率历程曲线如图9所示,表明施工期间该建筑的沉降和倾斜也表现出两头增速缓慢,中间阶段增速较快的发展规律,建筑物沉降和倾斜主要集中在导洞施工和扣拱阶段。负一层和负二层开挖完成后,建筑物沉降分别为2.9 mm和3.6 mm,而施工完成后最大沉降量为4.01 mm,则开挖阶段完成后,

Figure 5. Post-construction deformation cloud map of New World Phase I

图5. 新世界一期工后变形云图

Figure 6. Horizontal deformation cloud diagram of side piles

图6. 边桩水平变形云图

Figure 7. Settlement and slope history curve of the first phase of the New World

图7. 新世界一期沉降及倾斜率历程曲线

Figure 8. Post-construction deformation cloud map of New World

图8. 新世界二期工后变形云图

Figure 9. Settlement and slope history curve of the second phase of the New World

图9. 新世界二期沉降及倾斜率历程曲线

建筑物沉降占总沉降量的90%左右。建筑物倾斜的发展规律基本和建筑物沉降一直,施工完成后最大倾斜率为0.052‰,均满足规范要求。

4. 结论

1) 洞桩法在城市复杂环境下适用于建设暗挖地铁车站,建设过程对周边环境的影响基本在可控范围以内。

2) 对于采用PBA工法建造的地铁暗挖车站,地层移动及沉降等风险较大阶段主要发生在导洞开挖及扣拱施工阶段,应在该阶段采取地层超前加固、既有建筑物沉降监测频率加大等风险控制措施,保证工程自身及周边环境的安全。

3) 由于两侧围护桩的隔离作用,洞桩法开挖车站地面沉降槽主要位于上导洞影响范围,对周边环境的影响有限,适用于复杂环境下地铁暗挖车站的建造。

文章引用: 韩子安 (2021) 洞桩法暗挖车站施工过程对周边环境的影响分析。 土木工程, 10, 374-382. doi: 10.12677/HJCE.2021.104043

参考文献

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[2] 刘加柱, 孙礼超, 张壮, 等. 地铁车站PBA洞桩法施工力学效应研究[J]. 地下空间与工程学报, 2018, 14(S1): 240-247.

[3] 孙智勇. 新管幕法的工程应用与技术要点分析[J]. 现代城市轨道交通, 2013(4): 48-51.

[4] 张传庆, 冯夏庭, 周辉, 黄书岭. 应力释放法在隧洞开挖模拟中若干问题的研究[J]. 岩土力学, 2008(5): 1174-1180.

[5] 刘运思, 牟天光, 郭磊, 等. 不同覆跨比下洞桩法导洞开挖引发地表变形规律研究[J]. 公路交通科技, 2020, 37(12): 100-107.

[6] 李金奎, 陈朋. 地铁车站洞桩法施工时群洞效应对比分析[J]. 科学技术与工程, 2020, 20(14): 5737-5742.

[7] 宗翔. 洞桩法开挖引起的地面沉降规律及实用估测方法研究[J]. 结构工程师, 2020, 36(6): 150-157.

[8] 秦晓英. 城市地铁车站PBA功法施工力学效应的数值模拟研究[D]: [硕士学位论文]. 重庆: 重庆大学, 2008.

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