北京是地铁建设的大城市, 但地铁建设是一个比较庞大的地下工程, 在地铁上面通常会有很多重要的建筑物、管道等设施。同时在建设过程中也会遇到各种各样的问题, 其中地铁建设过程中暗挖引起的地表沉降是一个不容忽视的问题, 严重时会对周围建筑物造成严重破坏^[1], 甚至巨大损失。因此, 地铁建设过程中对地表沉降进行数值模拟预测是十分必要的。在实际工程中为了更好地对地表沉降进行全天候的自动实时监测, 采用了静力水准监测系统进行现场监测。静力水准监测系统具有监测精度高、自动化程度高、可以实时监控等优点, 可以很好地满足工程要求^[2]。

PBA工法在地铁建设中的首次应用, 是东单站东南风道工程建设。PBA工法的使用保证了施工及周边环境的安全, 同时, 节省了大笔费用, 取得了良好的经济效益, 所以在地铁车站建设中被广泛应用。国内对PBA工法已经开展了很多研究工作, 李晓霖^[3]采用数值计算方法, 结合具体实例对PBA工法的施工过程进行了详细的计算, 得到PBA工法施工过程中土体的扰动情况, 对PBA工法的力学特性进行了探讨。蔺云宏等^[4]通过数值模拟软件, 对斜交下穿既有铁路的暗挖地铁隧道施工进行了数值模拟计算, 分析隧道施工引起的地层沉降和塑性区分布。曾冰海^[5]通过分析多跨地铁车站扣拱过程引起的地表沉降得到了扣拱过程是PBA工法中的重要工序。

还有一些学者对PBA工法的其他方面进行了研究。申国奎^[6]对北京地铁10号线大跨隧道区间应用的PBA工法进行研究, 发现扣拱阶段产生的沉降较大, 应在施工过程中做好支护工作。王海彦等^[7,8]依托实际工程介绍了洞桩法施工工艺。姚宣德等^[9]通过对大量监测数据的分析, 拟合出浅埋隧道施工的地表沉降公式。白纪军^[10]对导洞开挖的群洞效应进行了研究。

上述研究表明, 对PBA工法在施工过程中引起的地表沉降的研究具有重要意义。本文旨在研究北京地铁PBA工法施工地铁车站开挖施工过程中工序对地层沉降的影响。以北京地铁廖公庄站为工程背景, 用FLAC 3D数值模拟软件对PBA工法施工过程中引起的地表沉降进行模拟分析, 同时结合基于静力水准监测技术的实时监测数据进行对比分析, 并将模拟数据与监测数据进行比较, 分析PBA工法开挖对地表沉降的影响。

廖公庄站为北京地铁6号线西延线第4个车站, 车站位于巨山路下穿田村路下拉槽内, 沿东西方向设置。车站东北象限为北京锦绣大地农业观光园区, 东南象限为锦绣大地物流港, 西南象限为碧桐园小区, 西北象限为巨山路立交雨水泵站。车站主体结构建筑面积为11 198.5m², 总建筑面积为19 802m², 如图1所示。

本工程范围内, 工程场区地面以下50m深度范围内地层按其沉积年代及成因类型划分为人工堆积层及第四纪沉积层两大类。按地层岩性和物理力学性质分, 本车站涉及以下几个地层, 各土层特性参数如表1所示。

本次勘察共观测到2层地下水: (1) 上层滞水 (1) :永定河引水渠附近地表以下15m左右有一层厚约1m的粉质黏土隔水层, 上层滞水位于卵石 (5) 层中, 水位绝对标高在40.500m左右; (2) 潜水 (2) :含水层主要为卵石 (9) 层和卵石 (11) 层, 初见水位标高为20.700~22.280m, 埋深为33.90~39.90m, 稳定水位标高为20.980~22.240m, 埋深为34.00~39.50m。

车站段地下水位标高约为21.940m, 车站站台中心处底板埋深约22.46m, 水位位于结构底板以下, 车站施工不需降水。水文地质剖面如图2所示。

监测点的布置要结合工程性质、地质条件、设计要求、施工特点等多种因素综合考虑;同时测点位置的选取与确定要能够反映监测对象的变形特征;要具有一定的保护性;监测点要独立, 不能妨碍工程的顺利施工^[11]。此次监测采用静力水准自动监测系统, 监测点布置如图3所示。

车站主体总长236m, 标准段宽22.9m, 高16.8m。车站中心里程覆土约5.66m, 底板埋深24.62m。采用双层三跨结构, PBA法施工。在开挖过程中, 遵从“先下导洞后上导洞, 先边导洞后中导洞”的原则, 对导洞进行开挖。在开挖边导洞和中导洞时, 边导洞与中导洞之间的开挖面错开12m。

本次模拟采用FLAC 3D数值模拟软件进行模拟计算。根据水文地质条件, 地下水位低于车站底板所处位置, 因此模型不考虑地下水的影响。此次模拟土体时采用莫尔-库仑模型, 开挖使用null模型模拟。基于开挖尺寸, 同时考虑模型的边界影响, 计算边界一般选开挖尺寸的3~5倍^[12]等综合考虑, 取所用模型尺寸为 (横向) 120m× (轴线方向) 60m× (竖直方向) 60m, 模型尺寸的选取充分考虑了边界条件对计算结果的影响^[13]。最后所建模型共有网格114 450个, 网格节点119 736个。

将边界条件设定为模型侧面和地面为位移边界, 模型两侧的位移边界条件约束水平移动, 模型底部位移边界为固定边界, 约束其水平移动和垂直移动, 以地表为模型上边界, 并为自由边界^[14]。由于本站周边建筑物较少, 地表相对空旷, 为简化计算, 在模拟中只考虑土体自重。模型如图4所示。

PBA工法施工从小导洞开挖开始。小导洞开挖遵从“先下导洞后上导洞, 先边导洞后中导洞”的原则。数值模拟导洞开挖时, 与实际施工方法相同, 先对下导洞开挖, 采用错距开挖的方式:边导洞开挖12m后开挖左侧中导洞, 然后再错距12m开挖右侧中导洞, 直至全部挖通。然后开挖上层边导洞, 与下层导洞开挖相似, 接着错距12m左右开挖上层中导洞。在此次数值模拟开挖计算中, 按照4m/步的进尺进行模拟开挖, 错距12m开挖导洞。导洞开挖后进行初衬, 导洞初衬拆除后进行二衬。

图5a是错距开挖右侧中导洞纵断面沉降云图, 图5b是下层导洞开挖完成的位移沉降云图。从图5可以看出, 下导洞开挖完成后, 地表沉降值在13mm左右, 整体沉降较小。从图上可以看出导洞上方沉降区域为拱形区域, 这是由于砂卵石土体几乎没有内聚力, 砂卵石层的稳定主要依靠颗粒间的摩擦和嵌挤来维持。在一定深度, 砂卵石地层存在“自立拱”现象, 上文提到的拱形沉降区域就是自立拱。从图上可以看出底层土体向上隆起, 这是因为下导洞开挖改变了下层土体应力而导致的。

图5c和图5d分别是上层导洞开挖完成后横断面和纵断面的位移沉降云图。与下层导洞开挖的沉降云图对比可看出, 上层导洞的开挖对土体沉降影响更大, 开挖断面的地表沉降值>31mm, 在模型的中线位置的中段, 地表沉降值达到最大。与下层导洞开挖完成后的沉降值比较, 上层导洞开挖完成后, 沉降值明显增加, 最大位移均位于模型中部。在导洞的底部, 有约为7mm的土体隆起, 随着开挖时间的增加, 导洞周围的应力进行重新分布, 使得隆起范围较之前有所减少。

导洞开挖完成, 进行边桩、钢管柱的打入。在此过程, 沉降趋于平稳, 沉降值变化微小。

开挖扣拱阶段开始, 随着开挖的进行, 沉降值有所增大。所以在施工过程中要及时支护, 保证结构的安全稳定。

I—I断面开挖各阶段模拟沉降曲线如图6所示。从曲线变化可以看出, 在下导洞开挖阶段, 沉降速率基本维持稳定, 沉降变化平稳, 没有过大的沉降变化。中线附近位置的沉降值在13mm左右。下层导洞对地表沉降的影响比较小, 监测位置距离中线距离远近对沉降值的影响不是很大。

下层导洞施工完成后, 进行上层导洞开挖。上导洞开挖引起了明显的沉降变化, 沉降值明显变大, 中间位置沉降值超过31mm, 沉降速率也显著加快, 可见上导洞开挖对地表沉降的影响较大, 明显超过下导洞开挖对沉降的影响。这是由于上导洞开挖是对土体的二次扰动, 且上导洞开挖断面离地表更近, 开挖引起的应力重分布对上层土体影响更为明显, 土体的损失使导洞上方土体失去了更多的支撑, 因而不断下陷, 沉降值进一步增大。虽然进行了错距开挖, 但仍会受到群洞效应的影响, 所以中线附近沉降值较大。因此在开挖导洞时要合理安排导洞的相互错距^[15]。

桩体打入阶段, 土体不再大范围开挖, 只在小范围内施工, 且及时进行护壁工作, 地表沉降主要是由于之前开挖部分的应力释放引起的。

开挖扣拱阶段开始, 沉降速率较桩体施工阶段明显加大, 且沉降值增大明显。但不会出现和上层导洞开挖时引起的大的沉降。为了更加直观地观察地表沉降变化, 下面将模拟结果与现场实测值进行对比。

静力水准仪是一种高精密液位测量系统, 是用于测量基础和建筑物各个测点的相对沉降的精密仪器。主要用于大型建筑物如水电站厂、坝、高层建筑物、核电站、水利枢纽工程岩体等各测点不均匀沉降的测量。静力水准系统又称连通管水准仪, 系统至少由2个观测点组成, 每个观测点安装1套静力水准仪。静力水准仪的贮液容器相互用通液管完全连通, 贮液容器内注入液体, 当液体液面完全静止后系统中所有连通容器内的液面应同在一个大地水准面上O, 此时每一容器的液位由传感器测出, 即初始液位值分别为:H₁₀, H₂₀, H₃₀, H₄₀。

若把测点1定为基准点, 测点2的地基下沉, 测点3的地基上升, 测点4的地基不变, 当系统内液面达到稳定后形成新的水准面i₀, 系统各测点的液位由静力水准仪传感器测得, 则各测点连通容器内的新液位值记为:H₁, H₂, H₃, H₄, 各测点液位变化量分别计算为:△h₁=H₁-H₁₀, △h₂=H₂-H₂₀、△h₃=H₃-H₃₀、△h₄=H₄-H₄₀。其中△h_i的正负分别表示该测点贮液容器内液面的升高和降低 (见图7a) 。

在此, 选定测点1为基准点, 则其他各测点相对基准点的垂直位移 (沉降量) 为:△H₂=△h₁-△h₂, △H₃=△h₁-△h₃, △H₄=△h₁-△h₄。其中计算结果:△H_i的正负分别表示该测点地基的隆起和沉降, 如图7b所示。

本工程共布置了5组静力水准监测系统, 由于此监测系统是全程自动实时监测, 所以会得到大量的数据, 处理起来比较繁琐。为避免数据量过大, 取每天固定时间点的数据进行处理分析 (见图8) 。

开挖各阶段实测沉降曲线如图8所示。从图8可以看出, 在车站整个施工过程中, 导洞开挖过程引起的地表沉降最大, 沉降值达到了总沉降的71%左右。在下导洞开挖过程中产生的地表沉降值较小, 而在上导洞开挖过程中, 地表沉降明显增大, 沉降值超过了31mm。

开挖过程中实际监测值与模拟值对比如图9a所示。桩体打入完成实测数据与模拟数据对比如图9b所示。通过图9可以看出模拟值与实测值变化比较相似, 现场实测值较大于模拟结果, 这是由于现场的施工环境比较复杂, 引起地表沉降的因素多种多样。所以数值模拟不能够完全模拟出实际施工状况, 因此实测数据与模拟数据略有差距。

本文通过对PBA工法施工过程中引起地表沉降的数值模拟和用静力水准监测技术得到的数据进行对比分析, 得到如下结论和建议。

1) 静力水准监测系统是一种高精度、自动化程度高的监测系统, 可以同时对多个监测点进行实时监测, 提高了工作效率, 摆脱了传统监测方法局限, 在实际工程中可以推广使用。

2) 数值模拟与实际结果大致吻合, 这说明FLAC数值模拟在选择模型合理、参数选取正确的前提下, 其计算结果可以用于指导实际施工。

3) 通过模拟和实测曲线可以看出, 在车站施工过程中, 导洞开挖过程引起沉降占总沉降的71%左右, 可见, 导洞开挖是PBA工法的核心工序。其中下导洞开挖引起的地表沉降值较小, 沉降值在13mm左右。对地表沉降影响最大的阶段是在上导洞开挖阶段, 沉降值达到了31mm, 占导洞总沉降的一半以上。

4) 施工过程中, 小导洞开挖及扣拱施工是本工程的重要施工步序, 所以在施工过程中, 一定要加强对这2个工序的管理、监测, 随时关注变化, 做好超前支护及开挖后的支护, 严格遵循设计和施工规范, 确保施工安全, 预防事故的发生。