PBA暗挖车站施工近接南水北调暗涵地表沉降研究

张萌萌, 李 凯, 刘 柳, 冯卫星

(1.石家庄铁道大学交通运输学院,河北 石家庄 050043;2.中铁三局集团第四工程有限公司,北京 102300;3.石家庄铁道大学土木工程学院,河北 石家庄 050043)

四季青站和南水北调暗涵距离较近,浅埋暗挖地铁施工时会产生地表沉降,过大沉降可能导致地面塌陷,形成坑洞或下陷区域,甚至可能导致地下的管线(如供水管道、天然气管道、电力线路等)破裂或断裂。通过采用合理施工方法并辅以精确的监控量测,可以有效降低地表沉降对周围环境和建筑物的影响[1,2]。研究地铁车站开挖过程中地铁车站和南水北调暗涵上方的地表沉降对保障施工顺利进行具有重要意义。

1 工程概况

1.1 工程位置及车站结构形式

四季青站为北京地铁12号线起点站,车站位于西四环北路与紫竹院路(杏石口路)交叉口南侧,沿西四环辅路西侧南北向布置。四季青站周边重大风险西侧有西郊机场铁路,东侧有南水北调暗涵。南水北调暗涵为两条并行圆形段,管道半径2.0 m,西线距离四季青站C出入口最近为6.1 m。南水北调中线工程西四环暗涵工程为Ⅰ等工程,主要建筑物为Ⅰ级建筑物。工程输水规模为30 m3/s,加大流量为35 m3/s。四季青站主体结构如图1所示。

图1 四季青站主体结构及监测点布置

1.2 工程地质及水文地质

根据地质勘察报告,车站主体工程地质剖面见图1。车站主体上导洞主要穿越卵石⑤层,拱顶位于卵石⑤层;车站扣拱位于卵石⑤层,车站下导洞主要穿越卵石⑦层,拱顶主要位于粉质黏土⑥层与卵石⑦层,局部位于粉细砂⑥4层与中粗砂⑥3层。车站底板位于卵石⑦层。

潜水(二):水位埋深为18.68 m,水位标高34.83 m。层间水(三):水位埋深约为29.80～31.20 m,水位标高约23.60～24.04 m。抗浮设计水位标高按42.00 m考虑。

1.3 沉降监测点布设

以车站主体结构模型纵向中间截面为监测断面,监测点布设于地表,位置分布在车站中轴线的两侧,导洞上方地表沉降监测点布置如图1所示。

2 数值模拟分析

2.1 建立模型

本文采用迈达斯GTS NX对四季青站施工进行三维模拟计算,车站双层双跨暗挖段总长304.0 m,宽度为21.3 m,总高16.57 m,覆土约8.3 m左右。单柱双跨双联拱结构型式,用6导洞“PBA”暗挖工法施工,双层单柱双跨岛式车站。将PBA暗挖车站施工建模过程划分为四个关键阶段:导洞开挖(步序1)、顶底纵梁和桩的施作(步序2)、初支扣拱(步序3)、土体分层开挖(步序4)。据此建立数值分析模型,模型长、宽、高分别为143 m、20 m、50 m,共有39 691个节点、54 603个单元。整体模型、车站主体模型及其结构材料参数和地层物理力学参数如图2、图3和表1和表2所示。

表1 车站主体结构材料参数

表2 土层物理学参数

图2 三维有限元整体模型图3 车站模型

2.2 不同施工顺序下地表沉降控制分析

适合双层单柱双跨岛式车站中导洞最优的施工顺序所引起的地表沉降值最小。分别建立了相同条件下车站模型的四种不同的导洞施工顺序:工况1(先下后上-先两边后中间)、工况2(先下后上-先中间后两边)、工况3(先上后下-先两边后中间)、工况4(先上后下-先中间后两边)。土体开挖后,围岩应力重分布,引发地表沉降,各工况地表最终沉降及最大沉降值见图4和表3。

表3 四种工况最大沉降值对比

图4 四种工况的地表沉降和车站沉降

四种工况地表的沉降曲线趋势大致相同(如图5所示),导洞上方沉降均呈漏斗状,地表沉降最大值均在车站中轴线上,是因为导洞位于砂软层,黏聚力很小,成拱困难,主要是靠土层中的颗粒摩擦维持稳定[3]。导洞开挖造成卸载,导洞底部出现一定的隆起[4]。工况1、2、3、4的最大隆起值分别为34.58、36.59、43.45和35.33 mm,工况1车站底板的隆起最少。原因可能是先挖两边导洞,可以在较短的跨度范围内形成初步的支护结构,再挖中间导洞时,由于两边已经开挖并形成了相对稳定的结构,可以有效减小导洞底部的隆起值。

图5 四种工况地表沉降曲线对比

工况1、2(先下后上)的沉降值小于工况3、4(先上后下)的沉降值,“先下后上”的施工方法优于“先上后下”;工况1、3(先边后中)的地表沉降值,分别低于工况2、4(先中后边)的地表沉降,可以得到“先边后中”地表沉降更小。具体原因可能如下:

(1)先下后上。导洞位于卵石层,由于颗粒之间的胶结能力和黏聚力较差,整体的稳定性相对较低,在上层导洞施工时,会对下方的卵石层造成较大的振动和扰动;下层导洞开挖之后,可以利用下层导洞作为支护基础来进行上层导洞的挖掘,提高稳定性与安全性,减少上层施工过程中可能发生的地层坍塌或失稳风险。

(2)先边后中。卵石地层的地质特性通常不均匀,存在颗粒大小、密实度、随机分布等方面的变化。先开挖两边导洞,可以为中间导洞开挖提供较好的工作空间和支撑条件,将地质风险分散到两侧,减少施工风险的扩散范围,而且有利于及时采取适当的安全措施和监测手段。如果先开挖中间,对中间导洞周围土体进行二次扰动,可能会最终导致沉降增大。

所以从控制地表沉降角度来看,“先下后上-先边后中”的导洞施工顺序略优。

2.3 不同工况下土体塑性状态特征分析

土体塑性状态是指当土体或岩石受到加载时,如果达到或超过其塑性极限,将会发生塑性变形[5]。不同工况施工将会导致土体不同程度的变形,四种工况地层塑性区分布如图6所示。

图6 四种工况塑性区分布

四种工况塑性区分布基本相同,均集中在下层两边导洞底部内侧区域,主要表现为受剪塑性区。四种工况最大塑性值分别为21.6、22.1、22.7和26.1,工况4塑性值最大且塑性区面积最大,工况1、2、3塑性区面积相似、最大塑性值接近,所以工况4“先上后下先中后边”的导洞施工顺序对地层的扰动更大,扰动主要集中在靠近车站底板部分围岩。

2.4 施工对南水北调暗涵影响规律研究

PBA施工过程中会对土体造成振动和挤压,这种土体变动可能会对暗涵管道造成垂直或水平方向的压力和变形,进而导致管道结构的损坏或破裂[6]。四种工况施工模拟结果显示,暗涵管道的变形主要发生在竖直方向、水平方向上变形较小。土体开挖结束后暗涵竖向变形云图如图7所示。

图7 四种工况下南水北调暗涵竖向变形云图

导洞开挖过程中四种工况的暗涵竖向变形变化规律基本一致。土体开挖阶段结束后,四种工况下南水北调暗涵竖向最大变形分别为11.995、12.137、13.378和12.553 mm,工况1方案引起暗涵的最大变形沉降最小, “先下后上-先边后中”的导洞施工顺序略优。

优先考虑地表最大累计沉降,再考虑导洞施工对南水北调暗涵的影响,综合两者结果,显然,工况1(“先下后上-先边后中”)为最优方案。

3 理论计算与实测对比分析

工程中实际的监测数据,会受到地质条件、地下水等各种各样条件的影响。例如,在城市化过程中,建筑物的施工和使用可能导致土壤压实和沉降;某些地区受季节变化影响,会导致土壤含水量的变化,因此监测数据与模拟结果难免有所差别。四季青车站地表沉降模拟计算结果和实地监测结果如图8和图9所示。

图8 模拟与监测地表沉降曲线对比

图9 地表沉降随施工进度的时间曲线对比

整体地表变形规律表现为地铁车站中轴线向两侧沉降值逐渐减小,车站上方地表沉降随着施工的进展形成沉降凹槽,车站中轴线地表沉降最大。地表沉降增加主要在导洞开挖和初支扣拱阶段,且增速极快,而施作顶底纵梁和灌注桩以及土体分层开挖阶段对地表沉降影响极小,最终沉降值趋于稳定,可以看出PBA法施工可以有效控制地表沉降。对比实地监测曲线和数值模拟曲线,两条曲线趋势大致相同,实地监测的最大沉降值为43.38 mm,数值模拟的最大沉降值为41.3 mm。数值计算结果与实地监测值较为吻合。

4 结束语

(1)将四种不同工况的地表沉降、土体塑性状态特征和南水北调暗涵竖向变形沉降进行对比分析,确定了“先下后上-先两边后中间”为最优导洞施工顺序,为PBA法暗挖地铁车站近接南水北调暗涵施工提供了技术支撑。

(2)施工监测与数值模拟结果较为吻合,两者表明车站上方地表沉降增加集中在导洞开挖和初支扣拱阶段,而施作顶底纵梁和灌注桩以及土体分层开挖阶段对地表沉降影响较小。