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地鐵車站洞樁法施工方案對比研究

文檔作者：劉軍１，荀桂富１，王剛２，王亮１，汪玉華２文檔來源：１.北京建筑大學土木與交通工程學院２.中鐵隧道集團有限公司洛陽科學技術(shù)研究所		點擊數(shù)： 17 1	更新時間： 2025年05月10日
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上一篇：地鐵車站施工廢棄泥漿處理方法

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２０１５ 年 １０ 月上第 ４４ 卷 第 １９ 期施 工 技 術(shù)ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ９１ＤＯＩ：１０． ７６７２ ／ ｓｇｊｓ２０１５１９００９１地鐵車站洞樁法施工方案對比研究?劉 軍１，荀桂富１，王 剛２，王 亮１，汪玉華２（１． 北京建筑大學土木與交通工程學院，北京 １０００４４；２． 中鐵隧道集團有限公司洛陽科學技術(shù)研究所，河南 洛陽 ４１００７９）［摘要］ 以北京地鐵 ７ 號線橋灣站工程為背景，采用 ＦＬＡＣ３Ｄ數(shù)值模擬的方法，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析不同洞樁法（ＰＢＡ工法）施工對地表沉降和初支受力的影響，以確定 ＰＢＡ 工法施工地鐵車站的最優(yōu)方案。 研究分析表明：開挖 １ 層導洞的施工方法能控制地表沉降且地表影響范圍較小，但開挖車站底部時的隆起較大；開挖雙層導洞的頂拱初期支護彎曲應力稍大；導洞開挖階段和扣拱階段占地表總沉降量的 ９０％ 左右，其他階段引起的沉降較小。［關(guān)鍵詞］ 地下工程；地鐵；車站；ＰＢＡ 工法；數(shù)值模擬；沉降［中圖分類號］ Ｕ２３１． ４ ［文獻標識碼］ Ａ ［文章編號］ １００２?８４９８（２０１５）１９?００９１?０３Ｓｔｕｄｙ ｆｏｒ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ＰＢＡ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｓｃｈｅｍｅｓ ｏｆ Ｓｕｂｗａｙ ＳｔａｔｉｏｎＬｉｕ Ｊｕｎ１，Ｘｕｎ Ｇｕｉｆｕ１，Ｗａｎｇ Ｇａｎｇ２，Ｗａｎｇ Ｌｉａｎｇ１，Ｗａｎｇ Ｙｕｈｕａ２（１． Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ ａｎｄ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４４， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｌｕｏｙａｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ Ｔｕｎｎｅｌ ＧｒｏｕｐＣｏ． ， Ｌｔｄ． ， Ｌｕｏｙａｎｇ， Ｈｅ’ｎａｎ ４１００７９， Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｅｌｅｃｔ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ＰＢＡ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅｓ， ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆＦＬＡＣ３Ｄ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｕｂｗａｙ ｓｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｓｕｂｗａｙ Ｌｉｎｅ ７． Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ ｐｒｉｍａｒｙ ｓｕｐｐｏｒｔ ｆｏｒｃｅ ｄｕｒｉｎｇ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ＰＢＡ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｓ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ａｓ ｆｏｌｌｏｗｓ ｔｈａｔ ａ ｌａｙｅｒ ｏｆ ｐｉｌｏｔ ｔｕｎｎｅｌ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｒａｎｇｅ ｉｓ ｓｍａｌｌ， ｂｕｔ ｔｈｅ ｕｐｌｉｆｔ ｉｓ ｌａｒｇｅ ｗｈｅｎｅｘｃａｖａｔｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｂｏｔｔｏｍ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｏｎ． Ａｒｃｈ ｂｅｎｄｉｎｇ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ ｐｉｌｏｔ ｔｕｎｎｅｌ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｐｒｉｍａｒｙｓｕｐｐｏｒｔ ｗａｓ ｌａｒｇｅｒ． Ｐｉｌｏｔ ｔｕｎｎｅｌ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ｂｕｃｋｌｅ ａｒｃｈ ｐｈａｓｅ ａｃｃｏｕｎｔｓ ｆｏｒ ａｂｏｕｔ ９０％ ｏｆ ｔｈｅ ｔｏｔａｌｓｕｒｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ， ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｏｔｈｅｒ ｓｔａｇｅ ｗａｓ ｓｍａｌｌ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ； ｓｕｂｗａｙｓ； ｓｔａｔｉｏｎｓ； ｐｉｌｅ?ｂｅａｍ?ａｒｃｈ （ＰＢＡ） ｍｅｔｈｏｄ； ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ； ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ?北京市屬高等學校創(chuàng)新團隊建設與教師職 業(yè) 發(fā) 展 計 劃 項 目（ＩＤＨＴ２０１３０５１２）［作者簡介］ 劉 軍，博士，教授， Ｅ?ｍａｉｌ： ｌｉｕｊｕｎ０１＠ ｔｓｉｎｇｈｕａ． ｏｒｇ． ｃｎ［收稿日期］ ２０１４?１０?１２；［修訂日期］ ２０１５?０３?２１０ 引言洞 樁 法 又 稱 為 ＰＢＡ 工 法 （ ｐｉｌｅ?ｂｅａｍ?ａｒｃｈｍｅｔｈｏｄ），是在淺埋暗挖法的基礎(chǔ)上結(jié)合了蓋挖法的精髓，其核心思想為：在已開挖的導洞內(nèi)施作邊樁和中柱，然后暗挖施作頂拱，形成橫向框架支撐體系，承受施工過程的外部荷載。 在拱頂和邊樁的保護下，逐層向下開挖車站土體，最后施作車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)。ＰＢＡ 工法是在傳統(tǒng)的洞樁法基礎(chǔ)上形成的一種地鐵施工方法，最早應用于北京地鐵天安門西站中。 因該工法施工靈活，對周邊環(huán)境具有良好的適應能力，特別適合于復雜環(huán)境下暗挖地鐵車站的施工與對沉降要求較嚴格的地區(qū)，目前已經(jīng)成為北京地區(qū)暗挖地鐵車站的主流工法［１?５］。本文以北京地鐵 ７ 號線橋灣站為工程背景，采用 ＦＬＡＣ３Ｄ數(shù)值模擬分析和結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)的方法，研究了四導洞、八導洞時地表沉降及影響范圍、結(jié)構(gòu)受力情況，并進一步確定了 ＰＢＡ 工法施工地鐵車站的最優(yōu)方法，對 ＰＢＡ 的設計與施工具有一定指導意義。１ 工程概況橋灣站是北京地鐵 ７ 號線工程第 ７ 座車站（見圖 １）。 車站位于珠市口東大街與正義路南延路口東，呈東西走向，車站為雙層三跨三連拱斷面全暗挖島式車站，ＰＢＡ 法施工，車站中心右線里程 Ｋ８ ＋３１３． ２５０。 總長 ２４６． ７ｍ，覆土厚度為 ６． ６ｍ，車站寬９２ 施工技術(shù) 第 ４４ 卷為 ２３． ３０ｍ， 結(jié) 構(gòu) 高 度 為 １７． ２５ｍ， 底 板 埋 深 約 為２０． ２ｍ，覆跨比 ０． ２９。 下層中導洞的尺寸為４． ５ｍ ×５． １ｍ，其余導洞尺寸為 ４． ０ｍ × ５． ０ｍ，邊跨跨度為３． ８５ｍ，中跨跨度為 １． ８ｍ，車站的標準橫斷面和地質(zhì)剖面如圖 １ 所示。 車站結(jié)構(gòu)上覆土為①粉土填土，①１ 房渣土，④３ 粉細砂土層，⑤１ 中粗砂土層，⑥粉土層，⑥２ 粉質(zhì)黏土層；其中地鐵車站上導洞處于主要地層為④３ 粉細砂、⑤１ 中粗砂層，下導洞通過的主要地層為⑥粉土、⑥２ 粉質(zhì)黏土層。圖 １ 車站剖面示意Ｆｉｇ． １ Ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｂｗａｙ ｓｔａｔｉｏｎ２ 計算模型及結(jié)果分析２． １ 施工方案地鐵橋灣站結(jié)構(gòu)形式為三拱雙柱雙層式。 在實際施工中，采用上、下 ２ 層共 ８ 導洞的 ＰＢＡ 工法。根據(jù)具體的研究內(nèi)容，本文給出以下 ２ 種方案進行對比研究。１）方案 １ 采用與實際相符的上、下 ２ 層 ８ 導洞 ＰＢＡ 工法，按照實際的施工原則，先上后下，先邊后中，如圖 ２ａ 所示。２）方案 ２ 在上導洞尺寸不變的基礎(chǔ)上，將下導洞刪除，同時將邊樁在原有的基礎(chǔ)上延長 １０ｍ，其中中柱比邊樁長 ３ｍ，具體施工過程相同，如圖 ２ｂ所示。方案 １ 在北京地鐵 ６，７ 號線中大量采用，方案２ 在北京地鐵 １６ 號線大量采用，因此采用這 ２ 種方案進行對比研究具有理論與實際意義。２． ２ ＦＬＡＣ３Ｄ模型及參數(shù)在模型中，上表面取為地表，下表面取至結(jié)構(gòu)底板下 ４０ｍ，模型的總寬度為 １４４． ５ｍ，總高度為６３． ８ｍ，縱向長度為 ３０ｍ。 模型邊界條件為：上表面自由，下表面完全約束，四周限制各邊界的水平位移；在模型的上表面施加了 ２０ｋＰａ 的地面超載；邊圖 ２ 車站施工方案與模型示意Ｆｉｇ． ２ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ａｎｄ ｍｏｄｅｌ樁、中柱、底縱梁、頂縱梁、冠梁、二襯都采用實體單元模擬，初支采用 ｓｈｅｌｌ 結(jié)構(gòu)單元模擬，鋼系桿采用ｂｅａｍ 結(jié)構(gòu)單元模擬，超前小導管與管棚的加固等價于環(huán)形加固圈，邊樁依據(jù)抗彎剛度相等的原則等價成連續(xù)墻，鋼格柵支護依據(jù)抗彎剛度相等的原則等價為 混 凝 土 襯 砌。 圍 巖 的 力 學 模 型 采 用 Ｍｏｈｒ?Ｃｏｕｌｏｍｂ 彈塑性本構(gòu)模型模擬［６?８］。車站施工方案與模型如圖 ２ 所示，數(shù)值計算模型參數(shù)如表 １ 所示，其中地層參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘探報告選取。表 １ 模型參數(shù)Ｔａｂｌｅ １ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｍｏｄｅｌ介質(zhì)厚度／ｍ彈性模量／ＭＰａ泊松比重度／（ｋＮ·ｍ－ ３）黏聚力／ｋＰａ內(nèi)摩擦角／（°）粉土填土 ４． ２５ ５ ０． ２８ １６． ５ ８． ０ ８． ０粉質(zhì)黏土 ５． ２０ １３ ０． ３５ １９． ０ ２５． ０ １０． ０粉土 ５． ２０ １８ ０． ３０ ２０． １ ７． ８ ２２． ０粉細砂 ７． ８０ ４０ ０． ２８ ２０． ０ ０． １ ３２． ０中粗砂 ２． ６０ ３５ ０． ３０ ２０． ３ ０ ４０． ０卵石 ３８． １５ ８０ ０． ２１ ２１． ５ ０ ４８． ０注漿加固 １． ００ ６０ ０． ２８ ２２． ０ ６０． ０ ３５． ０初支 ０． ３５ ２５ ５００ ０． ２０ ２３． ０ — —二襯 ０． ７０ ３２ ５００ ０． ２０ ２５． ０ — —基礎(chǔ) — ３０ ０００ ０． ２０ ２５． ０ — —冠梁 — ３２ ５００ ０． ２０ ２５． ０ — —鋼系桿 — ２１０ ０００ ０． ２０ ７８． ０ — —２． ３ 計算結(jié)果分析為了更好地符合工程實際，便于進行施工過程的對比與分析，將 ＰＢＡ 工法分為 ４ 個典型施工階段進行模擬：①導洞開挖完成階段；②梁、柱體系施工階段；③扣拱完成階段；④土方開挖及主體施工階２０１５ Ｎｏ． １９ 劉 軍等：地鐵車站洞樁法施工方案對比研究 ９３段；同時，導洞開挖與拱部土體采用 １ｍ 循環(huán)開挖。在此僅給出車站施作完成方案 １ 與方案 ２ 的地層豎向位移云圖，如圖 ３ 所示。 取模型縱向 １５ｍ 處為監(jiān)測斷面，地表沉降槽曲線如圖 ４ 所示。圖 ３ 地層豎向位移云圖Ｆｉｇ． ３ Ｔｈｅ ｎｅｐｈｏｇｒａｍ ｏｆ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｓｏｆ ｇｒｏｕｎｄ圖 ４ 沉降影響范圍Ｆｉｇ． ４ Ｔｈｅ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｚｏｎｅ ｏｆ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ１）就地表沉降而言，現(xiàn)場實測的累計沉降均值為 ６７． ４１ｍｍ， 各 階 段 中 地 表 沉 降 分 別 為 ３８． ３３，０． ２６，２７． ７３，１． ０９ｍｍ，比例為 ０． ５７ ∶ ０． ００４ ∶ ０． ４１ ∶０． ０１６，方 案 １ 的 最 終 地 表 沉 降 累 計 平 均 值 為６７． ６９ｍｍ，各施工階段中地表沉降分別為 ３９． ５４，１． ４３，２６． ０５，０． ６７ｍｍ，比例約為 ０． ５８ ∶ ０． ０２ ∶ ０． ３９ ∶０． ０１，由結(jié)果可知，計算值與模擬值基本吻合，從而驗證了參數(shù)的準確性。 根據(jù)這些計算參數(shù)進行 ２ 種方案的對比分析。２） 方 案 ２ 的 最 終 地 表 沉 降 累 計 平 均 值 為５２． ４２ｍｍ 左右，４ 個施工階段的地表累計沉降為２６． ４２，１． ７７，２３． ８１，０． ４２ｍｍ，比例約為 ０． ５０∶ ０． ０４∶０． ４５∶ ０． ０１，由計算結(jié)果可知，方案 １ 引起的位移大于方案 ２，可見開挖導洞較多，對土體的擾動次數(shù)較多，沉降也較大。３）無論哪種方案，導洞完成階段引起的地表沉降所占比例最大，同時扣拱階段引起的位移也占總地表沉降的大部分，對于方案 １ 與方案 ２，當扣拱階段完成，形成了完整的受力體系后，后續(xù)開挖引起的地表沉降都較小。４）從圖 ３ 中看出，當開挖地鐵車站主體部分時，方案 ２ 中車站底部隆起的范圍和大小要大于方案 １，但這 ２ 種方案引起的地表沉降都較小，這是因為在開挖前，頂拱與邊樁已經(jīng)組成了封閉的受力體系，對周圍土體的變形有很好的緩解，下部土體的開挖雖然卸荷較大，地應力得到釋放，但對地表的位移影響較小。 針對主體下部隆起可以采取相應措施進行加固。５）從圖 ４ 中可以看出，方案 １ 的施工影響到的地表范圍為車站中心線 ３５ｍ 左右，而方案 ２ 施工影響到的地表范圍為 ２７ｍ 左右。６）２ 種方案的初支受力如圖 ５ 所示，由圖 ５ 可知，第 １ 種方案的頂拱初支彎曲應力稍大于第 ２ 種方案的彎曲應力；且邊跨的初支彎曲應力都比中跨大，這應該是由于邊跨跨度大于中跨跨度引起的，在施工中頂拱初支承受了較大的彎矩、軸力和剪力，車站施工時應特別重視。圖 ５ 拱部初支彎曲應力Ｆｉｇ． ５ Ｔｈｅ ｂｅｎｄｉｎｇ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ａｒｃｈ ｓｕｐｐｏｒｔ３ 結(jié)語以北京地鐵 ７ 號線橋灣站為工程背景，采用ＦＬＡＣ３Ｄ數(shù)值模擬分析和結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)的方法確定ＰＢＡ 工法施工地鐵車站的最優(yōu)方法。 研究表明：１）開挖 ２ 層導洞由于對土層的擾動次數(shù)較多，（下轉(zhuǎn)第 １２１ 頁）２０１５ Ｎｏ． １９ 何占峰：面板式土壓平衡盾構(gòu)掘進參數(shù)試驗研究 １２１面板式土壓平衡式盾構(gòu)的主要掘進參數(shù)的設置方法、現(xiàn)場試驗、驗證以及在五環(huán)路的成功實施，得出如下結(jié)論。１）本工程實際掘進土壓力控制時，在計算土壓力的基礎(chǔ)上根據(jù)現(xiàn)場掘進狀態(tài)增加了 ２０ ～ ３０ｋＰａ 的虛土壓，有效控制了刀盤前地層的變形，同時一方面證明了對于面板式、開口率小的土壓平衡盾構(gòu)在掘進過程中由于氣體密封、土體改良的不均勻會產(chǎn)生一定的虛土壓，另一方面對于不同開口率的土壓平衡盾構(gòu)需根據(jù)實際地層情況判斷增加虛土壓的值。２）盾構(gòu)掘進速度的快慢由地層的敏感程度、機械本身提供的同步注漿速度、漿液質(zhì)量等決定，需找到各方面的平衡點，才能達到盾尾通過后的最小沉降速率，同時同步注漿的充盈系數(shù)與后期的沉降穩(wěn)定時間息息相關(guān)。３）盾構(gòu)掘進出土量的衡量，目前大多數(shù)工程都是以體積為主，本文通過現(xiàn)場試驗提出了質(zhì)量衡量的方法，以數(shù)字為出土量提供了更為客觀的判斷，減少了主觀視覺和感覺判斷的偏差。４）通過深層沉降點監(jiān)測結(jié)果表明，盾構(gòu)施工對地層變形的影響隨著深度的增加而增加。５）對于城市不斷發(fā)展和盾構(gòu)施工廣泛應用的環(huán)境，施工遇到的環(huán)境越來越復雜，要求通過盾構(gòu)自身控制來實現(xiàn)建筑物和道路等風險源變形的工程將會越來越多，盾構(gòu)施工各項參數(shù)的設定顯得尤為重要，本工程的試驗方法和結(jié)果在同類工程中有一定的參考意義，同時對于不同盾構(gòu)、不同地層如何做到設置的參數(shù)能對地層影響最小還需要進一步的試驗研究。參考文獻：［ １ ］ 宮秀濱，徐永杰，韓靜玉． 隧道盾構(gòu)法施工土壓力的計算與選擇［Ｊ］． 筑路機械與施工機械化， ２００７（１１）：４６?４８．［ ２ ］ 周文波． 盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應用［Ｍ］． 北京：中國建筑工業(yè)出版社，２００４．［ ３ ］ 施成華，彭立敏，劉寶?。?盾構(gòu)法施工隧道縱向地層移動與變形預計［Ｊ］． 巖土工程學報，２００３，２５（５）：５８５?５８９．［ ４ ］ 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