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驗。北也不斷進步,洞樁法就是在傳統淺埋暗挖法的基礎上京地鐵十號線國貿站地面分布長安街和三環路三層立創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 周后基本穩定。應力監測顯示,在R K175 + 590 斷面仰拱處,911 號壓力盒測讀數比其他壓力盒測讀數大,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),再在橫通道內開挖平行車站的小導洞,然后在小導洞內施工鉆孔灌注樁,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:在左右導洞內施作車站邊墻護壁樁,采用特制的鉆機作業;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
模擬計算以國貿站為原型,模型為取一定邊界范圍內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,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;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; [ 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, 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,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) 土體為均質連續各向同性彈性體,且發生平面應變[ 2 ] 。
經過模擬計算,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,邊樁的擋土功能發揮出來,并且充分發揮樁、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, 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) 由于在導洞內進行鉆孔灌注樁作業空間小,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境穩定性要求較高時,更能發揮其獨特的作用。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) .