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(yīng)用，其合理性和優(yōu)越性已經(jīng)得到初步證實(shí)。與此同時(shí)，洞樁法還不夠完善，其施工過程仍然存在風(fēng)險(xiǎn)和難題，對洞樁法進(jìn)行研究，對其施工方法提出改進(jìn)，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(jìn)行模擬計(jì)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(jìn)提供一定的參考意見。 </p><p><b>　　【關(guān)鍵詞】 </b></p><p>　　洞樁法；模擬計(jì)算；地層變形 </p><p>　　中圖分類號：TU74 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文

3、章編號： </p><p>　　近年來，北京的城市規(guī)模迅速擴(kuò)大，持續(xù)增長的人口對交通、住房、娛樂及公共設(shè)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(hù)、水文地質(zhì)、施工機(jī)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(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法、CRD法、側(cè)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(shí)。 </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(gòu)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(diǎn)結(jié)合起來，在頂蓋的保護(hù)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(diǎn) </b></p><p>　　2.1洞樁法的優(yōu)點(diǎn) </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(gòu)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(hù)下進(jìn)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(jié)構(gòu)反復(fù)拆除對周圍土體的擾動；拱頂二襯結(jié)構(gòu)施工較早，上部初支的暴露時(shí)間較短，依靠較早形成的樁、梁、拱整體支撐結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，也可采用多層多跨結(jié)構(gòu)，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(dǎo)洞中施做，底部承載結(jié)構(gòu)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(shí)具有顯著的優(yōu)越性。 </p><p>　　2.2洞樁法的缺點(diǎn) </p><p>　　1.圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力和時(shí)空效應(yīng)復(fù)雜。由于結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，洞樁法在扣拱時(shí)跨度較大，扣拱施工存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)不僅要承受土體的側(cè)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(gè)孤立的洞室，其下部基坑的開挖還需要考慮群洞效應(yīng)的影響； </p><p>　　2.導(dǎo)洞內(nèi)空間小。洞樁法需要在小導(dǎo)洞內(nèi)施工圍護(hù)邊樁，而受到經(jīng)濟(jì)條件和安全條件的限制，小導(dǎo)洞的空間不能過大，導(dǎo)致機(jī)械作業(yè)的空間狹小，由小導(dǎo)洞的狹小空間引發(fā)的洞內(nèi)鉆孔灌注樁階段在控制質(zhì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)為地下兩層直墻三連拱結(jié)構(gòu)，洞樁法主體隧道內(nèi)有小導(dǎo)洞8個(gè)，其中上層小導(dǎo)洞4個(gè)，下層小導(dǎo)洞4個(gè)，采用臺階法施工。小導(dǎo)洞施工施工順序是：先施工上層小導(dǎo)洞后施工下層小導(dǎo)洞，先施工邊部小導(dǎo)洞后施工中部小導(dǎo)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(xì)砂、3卵

10、石圓礫、4粉質(zhì)粘土、5卵石、6粘土、7卵石。車站上層主體結(jié)構(gòu)位于第5層的卵石中，下層結(jié)構(gòu)主要位于第7層的卵石中。上層小導(dǎo)洞所處位置土層包括圓礫、卵石、粉細(xì)砂、圓礫石，下層小導(dǎo)洞所處位置土層包括卵石圓礫、粉質(zhì)砂土、卵礫石。 </p><p>　　洞樁法施工過程模擬 </p><p>　　車站整個(gè)洞樁法施工過程中，隨著開挖步序進(jìn)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(jì)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(zhì)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(jié)構(gòu)自重、地面超載。 </p><p>　　在建模時(shí)考慮到建模速度、網(wǎng)格數(shù)量、計(jì)算速度、內(nèi)存等方面因素，選取結(jié)構(gòu)斷面比較標(biāo)準(zhǔn)的地段作為計(jì)

12、算域，不同土層厚度做了適當(dāng)簡化。上下范圍:車站結(jié)構(gòu)頂部到地表為覆土厚度，約為14m，下側(cè)邊界取導(dǎo)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(jì)算模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為15771，單元總數(shù)為21468。 </p><p>　　圖4-1洞樁法車站計(jì)算模型網(wǎng)格劃分三維視圖

13、 </p><p>　　根據(jù)計(jì)算結(jié)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(guān)系 </p><p>　　根據(jù)計(jì)算結(jié)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(jì)算模型中部斷面各個(gè)施工階段的地表沉降關(guān)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(dá)到最大值。在開挖上層邊部小導(dǎo)洞的時(shí)候，可以看到，邊部小導(dǎo)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(gè)隧道距離較遠(yuǎn)時(shí)的地表沉降曲線的形狀一致。上層中部小導(dǎo)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(dǎo)洞和下層中部小導(dǎo)洞的開挖，整個(gè)計(jì)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(jìn)行而越發(fā)明顯。 </p><p><b>　　小結(jié) </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(dǎo)洞開挖階段和扣拱階段，這兩個(gè)階段引起的地表沉降占總沉降的比例高達(dá)70%，如何減少

16、小導(dǎo)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(xiàn) </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(shù). </p><p>　　[2]郭永軍. 地鐵暗挖車站"PBA"洞樁法施工技術(shù)

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