洞樁法施工對地表沉降影響的有限元分析

1、<p>　　洞樁法施工對地表沉降影響的有限元分析</p><p><b>　　【摘要】 </b></p><p>　　洞樁法作為一種新的地下空間淺埋暗挖施工方法，已經(jīng)在北京多條地鐵線路中得到大量應用，其合理性和優(yōu)越性已經(jīng)得到初步證實。與此同時，洞樁法還不夠完善，其施工過程仍然存在風險和難題，對洞樁法進行研究，對其施工方法提出改進，有著重要的意義。本文研究內(nèi)容

2、以北京某地鐵車站工程為依托，使用MIDAS/GTS有限元分析軟件，對其洞樁法的車站整體施工過程進行模擬計算，分析各施工階段地表沉降的變化規(guī)律。希望為工程施工的改進提供一定的參考意見。 </p><p><b>　　【關鍵詞】 </b></p><p>　　洞樁法；模擬計算；地層變形 </p><p>　　中圖分類號：TU74 文獻標識碼：A 文

3、章編號： </p><p>　　近年來，北京的城市規(guī)模迅速擴大，持續(xù)增長的人口對交通、住房、娛樂及公共設施等提出了越來越高的要求，作為城市立體交通的重要方面，城市軌道交通事業(yè)正蓬勃發(fā)展。受到地面建筑物、城市交通、道路、環(huán)境保護、水文地質、施工機具、資金條件等因素的影響，暗挖法在北京地區(qū)被大量使用，目前采用的方法有: 全斷面法、雙側壁導坑法、CD法、CRD法、側洞法、中洞法等。洞樁法作為一種新的地下空間施工方法，其

4、合理性和優(yōu)越性在北京地鐵的施工中已經(jīng)得到了初步證實。 </p><p><b>　　洞樁法的物理意義 </b></p><p>　　洞樁法的英文縮寫是PBA，其含義是：P－樁（pile）、B－梁（beam）、A－拱（arc），即由邊樁、中柱、縱梁、頂拱共同構成初期受力體系，承受后續(xù)施工過程的荷載；其主要思想是將明挖法、蓋挖法及分步暗挖法的特點結合起來，在頂蓋的保護下逐

5、層開挖內(nèi)部土體，然后施作二襯，最終形成由初支和二襯組合而成的永久承載體系[1]。 </p><p><b>　　洞樁法的優(yōu)缺點 </b></p><p>　　2.1洞樁法的優(yōu)點 </p><p>　　1.對城市地面交通及周邊居民干擾小。樁、梁、拱先期形成，構成主要承受和傳遞荷載的空間框架體系，后期土體的開挖都是該受力體系的保護下進行的，不但保證

6、了安全，而且大大降低了開挖對周圍環(huán)境的影響； </p><p>　　2.地面沉降小。每一跨的頂蓋都是一次形成的，避免了結構反復拆除對周圍土體的擾動；拱頂二襯結構施工較早，上部初支的暴露時間較短，依靠較早形成的樁、梁、拱整體支撐結構體系的可靠支撐，可以有效減小地面沉降值； </p><p>　　3.施工方式靈活?？刹捎脝慰缃Y構，也可采用多層多跨結構，內(nèi)部空間布置靈活，邊樁及中柱既可在地面施做

7、，也可在上導洞中施做，底部承載結構可根據(jù)地層條件做成底縱梁或樁基，在大斷面、特大斷面工程施工時具有顯著的優(yōu)越性。 </p><p>　　2.2洞樁法的缺點 </p><p>　　1.圍護結構受力和時空效應復雜。由于結構的特點，洞樁法在扣拱時跨度較大，扣拱施工存在一定的安全風險，圍護結構不僅要承受土體的側向壓力，還要承受上部覆土的荷載和地面超載，在樁頂還要承受較大的拱腳水平推力，車站一般不是

8、一個孤立的洞室，其下部基坑的開挖還需要考慮群洞效應的影響； </p><p>　　2.導洞內(nèi)空間小。洞樁法需要在小導洞內(nèi)施工圍護邊樁，而受到經(jīng)濟條件和安全條件的限制，小導洞的空間不能過大，導致機械作業(yè)的空間狹小，由小導洞的狹小空間引發(fā)的洞內(nèi)鉆孔灌注樁階段在控制質量方面的難度有所增大[2-7]。 </p><p><b>　　工程背景 </b></p>&

9、lt;p>　　地鐵車站的結構形式為島式，長約200m，寬約24m，有效站臺長度158m，寬度14m，覆土厚度14m左右，車站主體結構為地下兩層直墻三連拱結構，洞樁法主體隧道內(nèi)有小導洞8個，其中上層小導洞4個，下層小導洞4個，采用臺階法施工。小導洞施工施工順序是：先施工上層小導洞后施工下層小導洞，先施工邊部小導洞后施工中部小導洞。 </p><p>　　車站范圍自上到下主要包括以下土層：1粉土、2粉細砂、3卵

10、石圓礫、4粉質粘土、5卵石、6粘土、7卵石。車站上層主體結構位于第5層的卵石中，下層結構主要位于第7層的卵石中。上層小導洞所處位置土層包括圓礫、卵石、粉細砂、圓礫石，下層小導洞所處位置土層包括卵石圓礫、粉質砂土、卵礫石。 </p><p>　　洞樁法施工過程模擬 </p><p>　　車站整個洞樁法施工過程中，隨著開挖步序進行，分析不同施工階段對地層變形和地表沉降的影響。模擬計算中采用以下

11、幾條基本假定： </p><p>　　1.土體采用摩爾―庫倫模型； </p><p>　　2.假定地表和地層土質均勻； </p><p>　　3.襯砌和梁板柱采用線彈性模型，僅考慮彈性變形，荷載主要考慮土體和結構自重、地面超載。 </p><p>　　在建模時考慮到建模速度、網(wǎng)格數(shù)量、計算速度、內(nèi)存等方面因素，選取結構斷面比較標準的地段作為計

12、算域，不同土層厚度做了適當簡化。上下范圍:車站結構頂部到地表為覆土厚度，約為14m，下側邊界取導洞5倍洞徑；在圖中表示為隧道底以下18m，它從上往下總的高度為56m；左右范圍:受到有限元程序分析功能限制，三維模型取距車站中線左右各75米，總長150m；縱向范圍：每榀1.8m，共20榀，即36m；計算模型的節(jié)點總數(shù)為15771，單元總數(shù)為21468。 </p><p>　　圖4-1洞樁法車站計算模型網(wǎng)格劃分三維視圖

13、 </p><p>　　根據(jù)計算結果繪制模型中間斷面各施工階段地表沉降曲線如下圖所示： </p><p>　　圖4-2 中間斷面地表沉降與開挖步序關系 </p><p>　　根據(jù)計算結果得出主要施工階段地表最大沉降與其占總沉降的比例如下表所示： </p><p>　　表4-1 主要施工階段地表最大沉降與其占總沉降的比例 </p>

14、<p>　　從上圖可以看出，計算模型中部斷面各個施工階段的地表沉降關于車站中線左右對稱，在距離車站中線40m以內(nèi)開始有變化，在40m到20m之間的區(qū)域緩慢增長，在左右20m范圍內(nèi)沉降較大，在車站中線處達到最大值。在開挖上層邊部小導洞的時候，可以看到，邊部小導洞被開挖土體上方的地表沉降較車站中線處的地表沉降大，這與O Reilly，New等得到的兩個隧道距離較遠時的地表沉降曲線的形狀一致。上層中部小導洞開挖完成后，車站正上方土

15、體沉降趨于一致，隨著下層邊部小導洞和下層中部小導洞的開挖，整個計算模型的地表沉降曲線呈現(xiàn)出明顯的中間大兩邊逐漸變小的形狀，且這種形狀變化隨著后續(xù)開挖的進行而越發(fā)明顯。 </p><p><b>　　小結 </b></p><p>　　車站施工過程的眾多階段中，最容易引起地表沉降的階段是小導洞開挖階段和扣拱階段，這兩個階段引起的地表沉降占總沉降的比例高達70%，如何減少

16、小導洞開挖階段和扣拱階段土體開挖對周圍地層的影響，將是洞樁法控制地表沉降的主要研究方向。 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[1]惠麗萍,崔志杰. PBA工法―一種新的大型地下空間暗挖施工方法[論文集].施工技術. </p><p>　　[2]郭永軍. 地鐵暗挖車站"PBA"洞樁法施工技術

17、[J]. 科技情報開發(fā)與經(jīng)濟, 2006,16(2). </p><p>　　[3]呂波. 洞樁法地下基坑時空效應分析與施工技術研究[J]. 現(xiàn)代隧道技術, 2008,45(3). </p><p>　　[4]劉明忠,黃瑞金,范京玲.北京地鐵10號線團結湖站洞樁法交叉部位扣拱施工技術[J].鐵道標準設計,2008(12). </p><p>　　[5]崔承武,王玉軍

18、.北京地鐵十號線光華路站中洞初支扣拱技術[J].西部探礦工程,2007,19(8). </p><p>　　[6]高憲民. 北京地鐵十號線國貿(mào)站的施工方法[J].鐵道建筑技術, 2008(z1). </p><p>　　[7]王樹才,黃治平,安玉波. 北京地鐵十號線呼家樓車站主體施工方案比選[J].鐵道建筑, 2006(3). </p><p>　　作者簡介：孔原，