论文部分内容阅读
【摘要】
洞桩法作为一种新的地下空间浅埋暗挖施工方法，已经在北京多条地铁线路中得到大量应用，其合理性和优越性已经得到初步证实。与此同时，洞桩法还不够完善，其施工过程仍然存在风险和难题，对洞桩法进行研究，对其施工方法提出改进，有着重要的意义。本文研究内容以北京某地铁车站工程为依托，使用MIDAS/GTS有限元分析软件，对其洞桩法的车站整体施工过程进行模拟计算，分析各施工阶段地表沉降的变化规律。希望为工程施工的改进提供一定的参考意见。
【关键词】
洞桩法；模拟计算；地层变形
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
近年来，北京的城市规模迅速扩大，持续增长的人口对交通、住房、娱乐及公共设施等提出了越来越高的要求，作为城市立体交通的重要方面，城市轨道交通事业正蓬勃发展。受到地面建筑物、城市交通、道路、环境保护、水文地质、施工机具、资金条件等因素的影响，暗挖法在北京地区被大量使用，目前采用的方法有: 全断面法、双侧壁导坑法、CD法、CRD法、侧洞法、中洞法等。洞桩法作为一种新的地下空间施工方法，其合理性和优越性在北京地铁的施工中已经得到了初步证实。
洞桩法的物理意义
洞桩法的英文缩写是PBA，其含义是：P－桩（pile）、B－梁（beam）、A－拱（arc），即由边桩、中柱、纵梁、顶拱共同构成初期受力体系，承受后续施工过程的荷载；其主要思想是将明挖法、盖挖法及分步暗挖法的特点结合起来，在顶盖的保护下逐层开挖内部土体，然后施作二衬，最终形成由初支和二衬组合而成的永久承载体系[1]。
洞桩法的优缺点
2.1洞桩法的优点
1.对城市地面交通及周边居民干扰小。桩、梁、拱先期形成，构成主要承受和传递荷载的空间框架体系，后期土体的开挖都是该受力体系的保护下进行的，不但保证了安全，而且大大降低了开挖对周围环境的影响；
2.地面沉降小。每一跨的顶盖都是一次形成的，避免了结构反复拆除对周围土体的扰动；拱顶二衬结构施工较早，上部初支的暴露时间较短，依靠较早形成的桩、梁、拱整体支撑结构体系的可靠支撑，可以有效减小地面沉降值；
3.施工方式灵活。可采用单跨结构，也可采用多层多跨结构，内部空间布置灵活，边桩及中柱既可在地面施做，也可在上导洞中施做，底部承载结构可根据地层条件做成底纵梁或桩基，在大断面、特大断面工程施工时具有显著的优越性。
2.2洞桩法的缺点
1.围护结构受力和时空效应复杂。由于结构的特点，洞桩法在扣拱時跨度较大，扣拱施工存在一定的安全风险，围护结构不仅要承受土体的侧向压力，还要承受上部覆土的荷载和地面超载，在桩顶还要承受较大的拱脚水平推力，车站一般不是一个孤立的洞室，其下部基坑的开挖还需要考虑群洞效应的影响；
2.导洞内空间小。洞桩法需要在小导洞内施工围护边桩，而受到经济条件和安全条件的限制，小导洞的空间不能过大，导致机械作业的空间狭小，由小导洞的狭小空间引发的洞内钻孔灌注桩阶段在控制质量方面的难度有所增大[2-7]。
工程背景
地铁车站的结构形式为岛式，长约200m，宽约24m，有效站台长度158m，宽度14m，覆土厚度14m左右，车站主体结构为地下两层直墙三连拱结构，洞桩法主体隧道内有小导洞8个，其中上层小导洞4个，下层小导洞4个，采用台阶法施工。小导洞施工施工顺序是：先施工上层小导洞后施工下层小导洞，先施工边部小导洞后施工中部小导洞。
车站范围自上到下主要包括以下土层：1粉土、2粉细砂、3卵石圆砾、4粉质粘土、5卵石、6粘土、7卵石。车站上层主体结构位于第5层的卵石中，下层结构主要位于第7层的卵石中。上层小导洞所处位置土层包括圆砾、卵石、粉细砂、圆砾石，下层小导洞所处位置土层包括卵石圆砾、粉质砂土、卵砾石。
洞桩法施工过程模拟
车站整个洞桩法施工过程中，随着开挖步序进行，分析不同施工阶段对地层变形和地表沉降的影响。模拟计算中采用以下几条基本假定：
1.土体采用摩尔—库伦模型；
2.假定地表和地层土质均匀；
3.衬砌和梁板柱采用线弹性模型，仅考虑弹性变形，荷载主要考虑土体和结构自重、地面超载。
在建模时考虑到建模速度、网格数量、计算速度、内存等方面因素，选取结构断面比较标准的地段作为计算域，不同土层厚度做了适当简化。上下范围:车站结构顶部到地表为覆土厚度，约为14m，下侧边界取导洞5倍洞径；在图中表示为隧道底以下18m，它从上往下总的高度为56m；左右范围:受到有限元程序分析功能限制，三维模型取距车站中线左右各75米，总长150m；纵向范围：每榀1.8m，共20榀，即36m；计算模型的节点总数为15771，单元总数为21468。
图4-1洞桩法车站计算模型网格划分三维视图
根据计算结果绘制模型中间断面各施工阶段地表沉降曲线如下图所示：
图4-2 中间断面地表沉降与开挖步序关系
根据计算结果得出主要施工阶段地表最大沉降与其占总沉降的比例如下表所示：
表4-1 主要施工阶段地表最大沉降与其占总沉降的比例
从上图可以看出，计算模型中部断面各个施工阶段的地表沉降关于车站中线左右对称，在距离车站中线40m以内开始有变化，在40m到20m之间的区域缓慢增长，在左右20m范围内沉降较大，在车站中线处达到最大值。在开挖上层边部小导洞的时候，可以看到，边部小导洞被开挖土体上方的地表沉降较车站中线处的地表沉降大，这与O Reilly，New等得到的两个隧道距离较远时的地表沉降曲线的形状一致。上层中部小导洞开挖完成后，车站正上方土体沉降趋于一致，随着下层边部小导洞和下层中部小导洞的开挖，整个计算模型的地表沉降曲线呈现出明显的中间大两边逐渐变小的形状，且这种形状变化随着后续开挖的进行而越发明显。
小结
车站施工过程的众多阶段中，最容易引起地表沉降的阶段是小导洞开挖阶段和扣拱阶段，这两个阶段引起的地表沉降占总沉降的比例高达70%，如何减少小导洞开挖阶段和扣拱阶段土体开挖对周围地层的影响，将是洞桩法控制地表沉降的主要研究方向。
参考文献
[1]惠丽萍,崔志杰. PBA工法—一种新的大型地下空间暗挖施工方法[论文集].施工技术.
[2]郭永军. 地铁暗挖车站"PBA"洞桩法施工技术[J]. 科技情报开发与经济, 2006,16(2).
[3]吕波. 洞桩法地下基坑时空效应分析与施工技术研究[J]. 现代隧道技术, 2008,45(3).
[4]刘明忠,黄瑞金,范京玲.北京地铁10号线团结湖站洞桩法交叉部位扣拱施工技术[J].铁道标准设计,2008(12).
[5]崔承武,王玉军.北京地铁十号线光华路站中洞初支扣拱技术[J].西部探矿工程,2007,19(8).
[6]高宪民. 北京地铁十号线国贸站的施工方法[J].铁道建筑技术, 2008(z1).
[7]王树才,黄治平,安玉波. 北京地铁十号线呼家楼车站主体施工方案比选[J].铁道建筑, 2006(3).
作者简介：孔原，男（1987-），硕士研究生，北京建筑工程学院，研究方向：岩土与地下工程。
洞桩法作为一种新的地下空间浅埋暗挖施工方法，已经在北京多条地铁线路中得到大量应用，其合理性和优越性已经得到初步证实。与此同时，洞桩法还不够完善，其施工过程仍然存在风险和难题，对洞桩法进行研究，对其施工方法提出改进，有着重要的意义。本文研究内容以北京某地铁车站工程为依托，使用MIDAS/GTS有限元分析软件，对其洞桩法的车站整体施工过程进行模拟计算，分析各施工阶段地表沉降的变化规律。希望为工程施工的改进提供一定的参考意见。
【关键词】
洞桩法；模拟计算；地层变形
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
近年来，北京的城市规模迅速扩大，持续增长的人口对交通、住房、娱乐及公共设施等提出了越来越高的要求，作为城市立体交通的重要方面，城市轨道交通事业正蓬勃发展。受到地面建筑物、城市交通、道路、环境保护、水文地质、施工机具、资金条件等因素的影响，暗挖法在北京地区被大量使用，目前采用的方法有: 全断面法、双侧壁导坑法、CD法、CRD法、侧洞法、中洞法等。洞桩法作为一种新的地下空间施工方法，其合理性和优越性在北京地铁的施工中已经得到了初步证实。
洞桩法的物理意义
洞桩法的英文缩写是PBA，其含义是：P－桩（pile）、B－梁（beam）、A－拱（arc），即由边桩、中柱、纵梁、顶拱共同构成初期受力体系，承受后续施工过程的荷载；其主要思想是将明挖法、盖挖法及分步暗挖法的特点结合起来，在顶盖的保护下逐层开挖内部土体，然后施作二衬，最终形成由初支和二衬组合而成的永久承载体系[1]。
洞桩法的优缺点
2.1洞桩法的优点
1.对城市地面交通及周边居民干扰小。桩、梁、拱先期形成，构成主要承受和传递荷载的空间框架体系，后期土体的开挖都是该受力体系的保护下进行的，不但保证了安全，而且大大降低了开挖对周围环境的影响；
2.地面沉降小。每一跨的顶盖都是一次形成的，避免了结构反复拆除对周围土体的扰动；拱顶二衬结构施工较早，上部初支的暴露时间较短，依靠较早形成的桩、梁、拱整体支撑结构体系的可靠支撑，可以有效减小地面沉降值；
3.施工方式灵活。可采用单跨结构，也可采用多层多跨结构，内部空间布置灵活，边桩及中柱既可在地面施做，也可在上导洞中施做，底部承载结构可根据地层条件做成底纵梁或桩基，在大断面、特大断面工程施工时具有显著的优越性。
2.2洞桩法的缺点
1.围护结构受力和时空效应复杂。由于结构的特点，洞桩法在扣拱時跨度较大，扣拱施工存在一定的安全风险，围护结构不仅要承受土体的侧向压力，还要承受上部覆土的荷载和地面超载，在桩顶还要承受较大的拱脚水平推力，车站一般不是一个孤立的洞室，其下部基坑的开挖还需要考虑群洞效应的影响；
2.导洞内空间小。洞桩法需要在小导洞内施工围护边桩，而受到经济条件和安全条件的限制，小导洞的空间不能过大，导致机械作业的空间狭小，由小导洞的狭小空间引发的洞内钻孔灌注桩阶段在控制质量方面的难度有所增大[2-7]。
工程背景
地铁车站的结构形式为岛式，长约200m，宽约24m，有效站台长度158m，宽度14m，覆土厚度14m左右，车站主体结构为地下两层直墙三连拱结构，洞桩法主体隧道内有小导洞8个，其中上层小导洞4个，下层小导洞4个，采用台阶法施工。小导洞施工施工顺序是：先施工上层小导洞后施工下层小导洞，先施工边部小导洞后施工中部小导洞。
车站范围自上到下主要包括以下土层：1粉土、2粉细砂、3卵石圆砾、4粉质粘土、5卵石、6粘土、7卵石。车站上层主体结构位于第5层的卵石中，下层结构主要位于第7层的卵石中。上层小导洞所处位置土层包括圆砾、卵石、粉细砂、圆砾石，下层小导洞所处位置土层包括卵石圆砾、粉质砂土、卵砾石。
洞桩法施工过程模拟
车站整个洞桩法施工过程中，随着开挖步序进行，分析不同施工阶段对地层变形和地表沉降的影响。模拟计算中采用以下几条基本假定：
1.土体采用摩尔—库伦模型；
2.假定地表和地层土质均匀；
3.衬砌和梁板柱采用线弹性模型，仅考虑弹性变形，荷载主要考虑土体和结构自重、地面超载。
在建模时考虑到建模速度、网格数量、计算速度、内存等方面因素，选取结构断面比较标准的地段作为计算域，不同土层厚度做了适当简化。上下范围:车站结构顶部到地表为覆土厚度，约为14m，下侧边界取导洞5倍洞径；在图中表示为隧道底以下18m，它从上往下总的高度为56m；左右范围:受到有限元程序分析功能限制，三维模型取距车站中线左右各75米，总长150m；纵向范围：每榀1.8m，共20榀，即36m；计算模型的节点总数为15771，单元总数为21468。
图4-1洞桩法车站计算模型网格划分三维视图
根据计算结果绘制模型中间断面各施工阶段地表沉降曲线如下图所示：
图4-2 中间断面地表沉降与开挖步序关系
根据计算结果得出主要施工阶段地表最大沉降与其占总沉降的比例如下表所示：
表4-1 主要施工阶段地表最大沉降与其占总沉降的比例
从上图可以看出，计算模型中部断面各个施工阶段的地表沉降关于车站中线左右对称，在距离车站中线40m以内开始有变化，在40m到20m之间的区域缓慢增长，在左右20m范围内沉降较大，在车站中线处达到最大值。在开挖上层边部小导洞的时候，可以看到，边部小导洞被开挖土体上方的地表沉降较车站中线处的地表沉降大，这与O Reilly，New等得到的两个隧道距离较远时的地表沉降曲线的形状一致。上层中部小导洞开挖完成后，车站正上方土体沉降趋于一致，随着下层边部小导洞和下层中部小导洞的开挖，整个计算模型的地表沉降曲线呈现出明显的中间大两边逐渐变小的形状，且这种形状变化随着后续开挖的进行而越发明显。
小结
车站施工过程的众多阶段中，最容易引起地表沉降的阶段是小导洞开挖阶段和扣拱阶段，这两个阶段引起的地表沉降占总沉降的比例高达70%，如何减少小导洞开挖阶段和扣拱阶段土体开挖对周围地层的影响，将是洞桩法控制地表沉降的主要研究方向。
参考文献
[1]惠丽萍,崔志杰. PBA工法—一种新的大型地下空间暗挖施工方法[论文集].施工技术.
[2]郭永军. 地铁暗挖车站"PBA"洞桩法施工技术[J]. 科技情报开发与经济, 2006,16(2).
[3]吕波. 洞桩法地下基坑时空效应分析与施工技术研究[J]. 现代隧道技术, 2008,45(3).
[4]刘明忠,黄瑞金,范京玲.北京地铁10号线团结湖站洞桩法交叉部位扣拱施工技术[J].铁道标准设计,2008(12).
[5]崔承武,王玉军.北京地铁十号线光华路站中洞初支扣拱技术[J].西部探矿工程,2007,19(8).
[6]高宪民. 北京地铁十号线国贸站的施工方法[J].铁道建筑技术, 2008(z1).
[7]王树才,黄治平,安玉波. 北京地铁十号线呼家楼车站主体施工方案比选[J].铁道建筑, 2006(3).
作者简介：孔原，男（1987-），硕士研究生，北京建筑工程学院，研究方向：岩土与地下工程。