洞桩法马头门施工区域群洞效应分析

刘 其 （中铁（上海）投资集团有限公司，上海 201100）

0 引言

洞桩法依托浅埋暗挖法及盖挖法，结合人工挖孔桩、小导洞、扣拱等施工工艺形成桩梁拱临时受力体系，具有施工安全性高、环境影响性小、地表沉降量小、施工灵活等优点，尤其适用于城市内复杂环境下地铁车站的施工。国内诸多学者依据数值模拟、模型试验、理论分析及现场试验的方法，研究洞桩法车站的地层沉降、力学转换及技术优化。

扈世民[2]通过现场实测数据和修正剑桥模型分析北京地区洞桩法车站地表沉降规律，得出小导洞开挖及二衬扣拱施作引发的变形占总变形的80%；Liu Xinrong 等[3]研究边桩的受力，推导出不同受力情况下桩身内力计算公式及桩参数敏感性；晏启祥等[4]利用数值模拟结合模型试验的方法，研究洞桩法施工过程中承载结构内力变化特点，提出修正荷载-结构模型；张加柱等[6]以新疆地铁一号线为研究对象，对照数值模拟结果与现场测量数据，验证了导洞开挖和扣拱施工是引发地表沉降的主要阶段；张耀军[8]依托实际工程，提出了多跨洞桩法车站施工控制技术，并验证了其有效性；李金奎等[10]通过MIDAS GTS 建立洞桩法车站模型，并利用正交试验法和极差分析法研究了洞桩法施工时的群洞效应；罗庆斐[11]建立洞桩法车站的数值模型，分析了洞桩法施工梁柱拱之间的力学转换；周稳弟等[12]分析了洞桩法不同施工阶段引起的地表沉降和车站结构受力，总结了围护桩内力变化阶段。

上述文章主要研究洞桩法车站整体变形和结构受力转化问题，没有深入研究马头门施工区域群洞效应。本文以广州地铁十三号线纪念堂洞桩法车站为研究对象，利用MIDAS 建立数值模型，结合现场试验监测，研究马头门施工区域群洞效应对沉降和内力的影响。

1 工程概况

1.1 车站简介

广州地铁十三号线纪念堂站位于东风路与解放北路交叉口，线路沿东风路东西向布置，纪念堂站为地下二层岛式站台车站，“拱盖”法施工，车站顶部结构为双连拱，车站总长309.0m，标准段宽为23.5m，顶板埋深约14.0m。

本站所处路段交通繁忙，施工期间不具备封闭道路或交通导改条件，交通环境较为复杂。且本站周边集中了省、市、区三级政府办公机构，沿东风路两侧分布有广州省政府、广州市政府、越秀区公安局、广州市总工会等重要建构筑物，施工过程中需减少对周边环境的影响，同时严格控制地表沉降，因此采用洞桩法施工。

纪念堂站在地面设置3 处竖井及横通道，通过横通道沿里程方向开挖1～3号小导洞并同步施作中边桩，车站小导洞净空5.4m（宽）×4.8m（高）。小导洞施工完成后施作中、边纵梁，待纵梁施工完成进行扣拱施工，扣拱净空6.7m（宽）×5.2m（高），扣拱拱顶覆土约14.0m。当桩梁拱结构受力体系建立完成后进行主体结构施工。

由于群洞效应因此需要在扣拱开挖前对马头门位置进行加强，加强结构见图2。

1.2 工程地质

根据现场勘察，车站范围内土层由上至下分别为填土层、淤泥质土、中粗砂层、可塑状粉质粘土、全风化泥质粉砂岩、强风化粉质泥砂岩、中风化粉质泥砂岩、粉质泥砂岩。其中3 号横通道大里程侧扣拱施工段落，拱部及洞身主要位于强风化及中风化泥质粉砂岩；3 号横通道小里程侧扣拱施工段落，拱部及洞身主要位于硬塑状粉质黏土、全风化泥质粉砂岩层。地层参数见表1。

表1 地层参数表

2 模型建立

2.1 模型建立

模型尺寸为120m（长）×90m（宽）×80m（高），边桩利用公式等价为长42.00m、宽0.66m、高16.78m 的地下连续墙，中桩等价为长42.00m、宽0.66m、高14.00m 的连续墙。横通道宽6.0m、高8.3m，分为上下两个断面分别施工，该竖井横通道均为临时结构，不施作主体结构，后期进行回填处理。

在MIDAS 中完成实体模型的建立后进行网格划分，选用自动生成的以六面体为主导的混合网格组并选定匹配相邻面。由于本次设计的研究重点为车站结构，所以车站结构以及第一层土体尺寸为1，第二层土体尺寸为2。网格节点总数为398314，单位数量为473553。

本次分析采用FLAC 3D 计算软件进行建模，主体结构模型如图3所示。

2.2 施工步序

马头门施工区域洞群施工步骤如图4所示。

3 数值计算结果分析

通过数值模拟，分别得出横通道、左洞室、右洞室的拱顶沉降值及地表沉降值，并分别分析其变化规律。

沿横通道顶纵向布设监测点，横通道拱顶沉降如图5 所示，不同部位沉降值基本相同，横通道采用上下台阶法开挖，上半部分开挖完成后，累计沉降值为30mm，待横通道施工完成后累计沉降值为40mm。横通道拱顶沉降值根据施工阶段变化，主要呈现先迅速增加、再缓慢增加、最后趋于平稳的趋势。

由于左右洞室具有一定对称性，故以左洞室开挖为例，其沉降量与监测点布设位置图如图6 所示。其沉降量与距离横通道的距离有明显的相关性，与横通道距离较近的4 号监测点沉降变化尤为显著，而远离横通道的5、6 号监测点变化比较平缓。靠近横通道处的4 号监测点沉降表现为先随横通道施工累计沉降量（约20mm），后随左线开挖，沉降量进一步增加至50mm，待该区域开挖完成后，沉降稳定至60mm。5、6 号监测点沉降量不受横通道施工阶段的影响，仅当开挖至监测点附近开始发生累计沉降，总体沉降量为25～30mm。

4 马头门内力监测

4.1 监测元件布设

数值模拟结果显示马头门附近存在群洞效应，在扣拱开挖前对马头门进行加强并布设测点，进一步研究加强结构的内力变化情况。现场监测项目包括初期支护钢架应力、围岩压力、马头门各梁和柱的应变。设置2 个初期支护受力特征监测断面（分别距离横通道2.5m、7.5m），每个监测断面设置10 个钢架应力测点、3 个围岩土压力测点，马头门应变特征监测设置48个应变测点。

4.2 马头门附近扣拱钢架应力分析

通过对监测数据整理，分别绘制成轴力、弯矩包络图。

从图9（a）、图9（b）导洞内钢架应力监测结果可知，距离横通道2.5m 处边导洞下部内侧处拱架受力变化最大，最大值达到69MPa，所有受力最开始有一部分增大，后续随着时间推移均趋于稳定，但于5 月左右因后续施工有集体增大的趋势。距离横通道7.5m 处导洞下部拱架受力变化最大，最大值达到45MPa，处于受压状态，应力最开始有一定增长后趋于稳定，后续随着施工继续增大。对比2.5m 和7.5m 断面，靠近横通道截面应力明显大于远离横通道截面应力。

由图9（c）、图9（d）正洞内钢架应力监测结果可知，扣拱左部（201086）内侧处拱架受力变化最大，最大值达到63MPa，处于受压状态。扣拱中部外侧处拱架受力变化也较大，为63MPa，处于受压状态。所有部位应力短期内均随时间增大并趋于稳定，靠近横通道截面应力明显大于远离横通道截面应力。

对比图10 数值模拟结果，较大的最大正应力出现在横通道与导洞交界处的横通道顶部，导洞的开挖致使导洞处沉降变大，原本部分受力土体被挖走，从而影响到了靠近此处横通道的受力情况，在实际施工中此处应当加强支护或其他防护措施。模拟结果与实际监测结果一致。

图1 车站平面布置图

图2 马头门加强结构布置图

图3 主体结构模型图

图4 开挖步骤图

图5 横通道拱顶沉降累计图

图6 左线正洞拱顶沉降累计图

图7 初期支护受力特征监测元件布置图

图8 马头门应变测试元件断面布置图

图9 初支钢拱架应力时程曲线

图10 导洞开挖完成后最大应力图（单位为Pa）

4.3 马头门加强结构应力分析

根据监测结果绘制出内力包络图，如图11 所示。南北两立柱内力分布较大，均远大于其他结构，马头门北侧立柱最大轴力值可达300.00kN、最大水平杆轴力为60.84kN，南侧立柱最大可达253.66kN、最大水平杆轴力为63.41kN，均为压力。同时立杆与水平杆连接节点处应注意施工质量。同时结构主要承受轴力，弯曲受力较小。因此从加强结构设计优化角度，水平杆取消喷射混凝土部分，仅采用双拼工字钢，并减小工字钢型号。

图11 马头门内力包络图

5 结论

通过对纪念堂车站马头门部分的数值模拟及现场内力监测结果，得出以下结论。

①横通道拱顶沉降值随施工阶段变化，主要呈现先迅速增加、再缓慢增加、最后趋于平稳的趋势。因此实际施工中应严格遵循“短开挖、强支护”的开挖原则，并根据后续沉降情况进行注浆加固。

②钢架监测中，由各测点应力数值可知，初支拱架施作后主要表现为受压状态，边导洞下部应力变化较大。其中，距离横通道断面7.5m 断面钢架应力变化在边导洞下部拱架受力变化最大，最大值达到45MPa，处于受压状态。距离横通道断面7.5m 断面在边导洞下部内侧拱架受力变化最大，最大值达到69MPa。钢架应力变化规律为监测初期因施工导致应力均有一定增大，然后应力均趋于稳定，检测后期因后续施工部分应力进一步增大。

③由于群洞效应，横通道附近洞室开挖导致的沉降量明显大于其他段。实际施工时需加强横通道附近现场监控量测，采取必要措施控制沉降。

④马头门各结构应变监测中，南北两立柱应力变化均较大，远大于其他结构所受应力，其中北立柱517 应力变化最大为76.426MPa，其次北侧水平杆2-498 以及南横梁2-515 相对较大，分别为27.192MPa和20.188MPa，除此之外其余部位应力变化均不大且稳定，因此需优化现场结构、强化立柱结构、优化水平杆件。