鄰近建筑物暗挖地鐵車站采用洞樁法的技術探討

摘　要:在介紹洞樁法施工技術概況的基礎上,采用二維有限元計算模擬,分析洞樁法各主要階段結構和地層變形過程。論證鄰近建筑物暗挖地鐵車站,采用洞樁法施工的安全及穩(wěn)定性較好,能夠有效保護鄰近建筑物。該工法在當前大量建設地鐵時期有較好的應用前景。
關鍵詞:地鐵; 車站; 洞樁法; 應用
　
1 　問題的提出地下水位較高,不宜大面積長期降水的情況下宜采用。
該工法曾在北京地鐵復八線的天安門西站、王府井站、隨著我國地鐵的大規(guī)模建設,地鐵車站施工技術東單站的施工中采用,已取得較成功的施工經(jīng)驗。北也不斷進步,洞樁法就是在傳統(tǒng)淺埋暗挖法的基礎上京地鐵十號線國貿(mào)站地面分布長安街和三環(huán)路三層立創(chuàng)新地吸收蓋挖法的技術成果形成的新工法[ 1 ] 。該交、周邊高層建筑林立,又受地下管網(wǎng)的控制較大,致工法適合于地面交通繁忙,地下管線密布,車站附近有使車站全長緊鄰橋梁樁基礎,為確保施工期間橋梁樁大型建(構) 筑物需要保護的條件,尤其在車站所處的基礎的穩(wěn)定,設計采用了該工法。本文通過對洞樁法施工過程進行二維有限元模擬分析,闡明了鄰近建筑物暗挖地鐵車站采用洞樁法的技術優(yōu)勢,并對其應用進行了初步探討,從而為今后的地鐵設計提供借鑒。洞周水平收斂監(jiān)測基本上同時進行,下沉量較大,最大達31 mm , 初期變位速率較大,2 周后基本穩(wěn)定。應力監(jiān)測顯示,在R K175 + 590 斷面仰拱處,911 號壓力盒測讀數(shù)比其他壓力盒測讀數(shù)大,應力值在30 kPa 左右,其他各測點壓力值基本相差不大,但都大于計算值。
2 　洞樁法技術
(1) 施工要點
首先開挖豎井和橫通道(一般利用車站通風井和風道),再在橫通道內(nèi)開挖平行車站的小導洞,然后在小導洞內(nèi)施工鉆孔灌注樁,邊樁作為車站圍護結構臨時擋土或車站邊墻永久結構的一部分,中柱或邊樁共同組成車站拱部支護結構(扣拱) 的支撐體系,以便在拱樁支護結構下開挖車站主體空間。開挖完成后施作車站梁、板、柱和側墻等永久結構。
(2) 施工步驟(圖1)

圖1 　暗挖洞樁法施工順序示意
施工總原則是小分塊,快封閉,先修邊墻或中柱, 以盡量減少力的轉換和對圍巖的擾動。導洞掘進和扣拱施工中應遵循“ 管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”及“先撐后挖,及時支撐”的原則。
第1 步:在車站上半斷面的無水地層中,分左、右開挖樁柱作業(yè)導洞,從而為施作整體支護體系的側壁支撐(樁梁結構) 部分提供必要的施工空間。導洞用小導管注漿加固地層,加格柵噴混凝土支護;
第2 步:在左右導洞內(nèi)施作車站邊墻護壁樁,采用特制的鉆機作業(yè);待樁柱完成后,在邊樁間進行帷幕灌漿,分別施作樁、柱帽縱梁,以連接樁、柱頂端,支撐邊孔初期支護;
第3 步:在導洞內(nèi)施作車站頂部格柵支護(局部), 在兩個邊洞中立模回填混凝土,形成扣拱拱腳,開挖兩個導洞之間的土體并施工拱部的初期支護;
第4 步:向下開挖,對邊樁及其間的土體噴射混凝土進行支護;開挖到中層板高度,設置第一道橫撐;
第5 步:地面降水,繼續(xù)向下開挖,對邊樁及其間土體噴射混凝土進行支護;對車站結構底板下地層進行注漿加固;在底板縱梁上方設置第二道橫撐;開挖到車站底板高程后,素混凝土鋪底,施工底板防水層;
第6 步:灌筑結構底板、底縱梁混凝土,待混凝土達到設計強度70 % 后,拆除第二道橫撐,施工站臺層邊墻防水層和灌筑該部分混凝土;
第7 步:待邊墻混凝土達到一定強度后,在中縱梁和中板邊跨加掖高程下,設置橫撐,施工站廳層邊墻、拱部防水層,施工鋼管柱及中板、中縱梁、頂縱梁、邊跨拱部襯砌;
第8 步:拆除中間導洞鋼支撐,開挖中跨拱部土層,施工初期支護和防水層,鑿除中樁樁體、樁頂縱梁和原中間導洞的初期支護(必要時鋼管柱頂設置臨時橫撐),閉合底板及中板,拆除支撐;
第9 步:施工中跨拱部二次襯砌,使結構閉合,對施工縫進行必要的壓漿處理,施工站臺板、樓梯及其他附屬工程。
3 　洞樁法施工過程模擬分析
(1) 基本原理及應力變形分析
模擬計算以國貿(mào)站為原型,模型為取一定邊界范圍內(nèi)的土體作為分析對象,采用GeoFBA 有限元計算分析軟件進行平面力學數(shù)值模擬施工開挖、支護、襯砌全過程。由于施工過程是分步進行的,所以計算過程采用施工步來模擬分步施工過程。
各施工階段的狀態(tài),有限元分析的表達式為
[ K ] i{Δδ}i = {(Δ Fr} i + {(Δ Fg} i + {(Δ Fp} i 　(i = 1 , L)
式中, L 為施工步數(shù);設[ K ]0 為巖土體和結構的i
初始剛度矩陣; [ K ]i =[ K ]0 + ∑[Δ K ]λ(i ≥1) 為λ= 1
第i 施工步巖土體和結構總剛度矩陣; [Δ K ]λ為施工過程中,第λ施工步的巖土體和結構剛度的增量或減量,用以體現(xiàn)巖土體單元的挖除、填筑及結構單元的施作或拆除;{Δ Fr} i 為第i 施工步開挖邊界上的釋放荷載的等效結點力;{Δ Fg} i 為第i 施工步新增自重等的等效結點力;{Δ Fp} i 為第i 施工步增量荷載的等效結點力;{Δδ} i 為第i 施工步的結點位移增量。
對每個施工步,增量加載過程的有限元分析的表達式為
[ K ]ij{Δδ}ij ={Δ Fr} i ·αij + {Δ Fp} ij + {Δ Fp} ij
(i = 1 , L ;j = 1 , M) 式中, M 為各施工步增量加載的次數(shù); [ K ]ij = [ K ]i -1 +[ΔK ] i
j∑ξ 為第i 施工步中施加第j 增量步ξ= 1 時的剛度矩陣;αij 為第i 施工步第j 增量步的開挖邊界M 釋放荷載系數(shù), 開挖邊界荷載完全釋放時有; ∑αij = j= 1 1 ; { ΔFg} ij 為第i 施工步第j 增量步新增自重等的等效結點力。
模擬地層區(qū)域的寬度取車站側墻外215 倍的車站寬度,深度為車站底板下310 倍的車站高度。土層、支護結構及混凝土結構的物理力學指標如表1 所示。
表1 　土層、支護結構及混凝土結構的物理力學指標

為了簡化分析,計算時假設(1) 計算邊界處不受隧道開挖的影響,即該處為靜止的原始應力狀態(tài),變形為零,用約束來模擬; (2) 考慮到時間效應,開挖、支護過程中應力的釋放率:砂性土開挖85 % , 支護15 % ; 粘性土開挖60 % , 支護40 % ;(3) 土體為均質連續(xù)各向同性彈性體,且發(fā)生平面應變[ 2 ] 。
經(jīng)過模擬計算,對各主要施工步驟土體應力及變形的分析得出,地層的應力集中主要發(fā)生在小導洞開挖和初期支護拱部開挖階段;隨著開挖由拱部至底板進行,邊樁的擋土功能發(fā)揮出來,并且充分發(fā)揮樁、扣拱和橫撐的支撐體系作用,有效控制地層的側向變形。最初車站上部土層壓力僅作用于小導洞周邊,待施工完拱部的初期支護后,上部土壓力轉換為由扣拱承載, 此時邊樁承受部分被動土壓力;待開挖設置第一道橫撐后,樁外側轉換為承受側向主動土壓力,隨著繼續(xù)向下開挖,直至設置第二道橫撐及到基坑底部,邊樁外側完全承受主動土壓力,并且利用底板以下樁的被動土壓,形成一個完整的擋土結構。待逐步拆除橫撐施作車站二襯結構完成后,地層壓力便由車站支護結構和永久結構共同承擔。整個施工過程中,拱部開挖時地表變形最大,所以必須在這個階段采取控制地層變形的有效措施。由計算可知, 拱頂最大位移為10.3 mm , 地面沉降值為4.9 mm , 均滿足規(guī)范要求。
(2) 施工階段地面沉降分析
通過對地表沉降曲線分析看出,因為中樁和邊樁的存在,深處地層參加工作;拱部開挖到形成扣拱地表沉降最多,其后的樁間土體開挖,對地表變形影響不大,說明扣拱、邊樁、中樁的承載作用明顯,對土體的約束作用有效。施工結構中拱時,因為拆撐,地層變形有增長,施工期間需引起注意,并采取相應措施。這也應證了上面的地層變形過程。由計算可知:地面沉降值約為22 mm 。
4 　鄰近建筑物暗挖地鐵車站采用洞樁法的技術優(yōu)勢
(1) 合理利用車站上部無水地層的條件開挖小導洞,進行車站下部有水地層的護壁樁和中間樁的作業(yè), 提前對有水地層形成支護和截水。在開挖到有水地層后進行局部降水,大大減少因降水造成的地層早期沉降,同時降低了降水費用;在導洞施工期間,后進尺的導洞可以利用先期施工的導洞了解地質情況,以采用信息化施工手段有效保證施工的安全。
(2) 車站二次襯砌施工是在開挖大空間形成后施工的,結構的整體性好,也便于使用大型機械施工,可縮短車站施工周期,減少地層降水時間,有效控制地層沉降。
(3) 邊樁和扣拱共同工作,使支護結構的剛度大、整體性好,對結構外側土體有較明確的約束作用;同時樁體作為后期結構的安全儲備,共同參加地下結構的受力,使深層土體參加工作,調動了深層土體的抗力。這些都能夠有效控制地表沉降和地層側向變形,從而在保護地下管線及鄰近建(構) 筑物方面起到了重要的作用。

5 　需進一步探討的問題
(1) 由于在導洞內(nèi)進行鉆孔灌注樁作業(yè)空間小,使泥漿處理、下鋼筋籠、灌筑水下混凝土都較困難,且質量控制難度較大[3 ] 。但隨著工程機械技術的不斷發(fā)展,相信這個問題可以克服。
(2) 中樁破除量大,初期支護廢棄量和邊、導洞回填圬工量也較大,減少廢棄工程量有待進一步研究。

6 　結論
通過以上分析可以看出,淺埋暗挖洞樁法對鄰近建筑物大斷面地鐵車站施工非常有效,特別是車站主體結構周邊環(huán)境穩(wěn)定性要求較高時,更能發(fā)揮其獨特的作用。當前,我國大量建設城市地鐵,而地鐵多是建在建筑物密集的城市繁華地段,可見該工法有良好的發(fā)展前景和推廣價值。

參考文獻:
[ 1 ] 　高成雷,羅書學,朱永泉. 淺埋暗挖洞樁法的三維有限元模擬分析[J ] . 石家莊鐵道學院學報,2002(3) .
[2 ] 　申家國. 淺埋暗挖地鐵車站洞樁支承法施工技術[J ]1 鐵道建筑技術,2001 (2) .