復雜環境PBA法導洞施工順序對地表沉降影響分析

李金奎，陳朋，裴強*

(1.大連大學 建筑工程學院，遼寧 大連 116622；2.通遼市城鄉建設管理技術服務中心，內蒙古 通遼 028000)

0 引言

當下中國經濟進入中高速發展時期，拉動交通等基礎設施的快速發展，城市地鐵建設進入快速發展階段。地鐵車站處于城市繁華地帶，地鐵車站修建工法有：蓋挖法、明挖法、PBA法、盾構擴挖法以及特殊工法。PBA法施工對周邊環境擾動小，是復雜城市環境地鐵車站建設首選工法，但是PBA法導洞施工過程中容易引起群洞效應，對地表沉降造成一定影響。邱明明等[1]基于某城市地鐵盾構隧道工程，運用數值模擬和理論分析的方法研究了雙線平行隧道施工地層沉降規律，并通過相對間距系數C=L/i來描述地表沉降發展規律；陳春來等[2]分析了現有Peck公式的優缺點，并在二維土體沉降基礎上推導了三維土體沉降計算公式，并基于工程實踐進行計算分析；任強等[3]結合廣州地鐵研究了雙洞體Peck公式的應用，并應用數值分析方法得出雙線平行隧道地表沉降主要是由地層損失引起的；白海衛等[4]收集了18個實際地表沉降數據進行擬合分析，得出經典Peck公式在雙線盾構隧道中預測地表沉降仍然適用；張文婷等[5]以青島地鐵3號線為工程依托，運用數值模擬和現場監測的方法進行隧道建設過程中地表沉降和建筑的動態耦合效應研究。

為探討導洞施工順序對地表沉降的影響，本文采用疊加法的Peck理論對勞動公園站PBA法進行預測，并運用GTS軟件對不同的導洞施工順序進行模擬分析，得出最佳的導洞施工方案，同時評價基于疊加法Peck公式的適用性，為類似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

1.1 車站周邊環境

大連地鐵5號線勞動公園站位于解放路與自衛街交叉口處，沿解放路南北方向布置，勞動公園站起點里程為K7+531.659，終點里程為K7+722.859，總長度為191.2 m，標準段寬度23.3 m。車站主體為地下2層島式車站，車站頂板覆土約18.7～24.0 m。車站東北側為大連市第九中學，東南側為3、4、7、18層居民樓，西側為大連市第二十四中學，南側為勝利東路高架橋，沿道路埋設著通訊、電力、上下水、燃氣管線，周邊環境較復雜，對地表沉降要求較高。車站采用PBA法施工，設計為上排4個、下排2個共計6個導洞。導洞初期支護斷面結構為直墻拱，邊導洞內設置冠梁，導洞初期支護厚度為300 mm，導洞間頂拱采用300 mm初期支護，端部嵌固在冠梁內，側壁采用豎向格柵和砂漿錨桿支護形式，局部地質較差部位采用直徑為1 000 mm灌注樁，間距為5 000 mm。勞動公園站車站主體結構和導洞位置如圖1所示。

圖1 勞動公園站車站主體結構和導洞位置Fig.1 Station main structure and guide hole location

1.2 勞動公園站地質概況

勞動公園站施工范圍內地層由上至下各層為素填土、粉質黏土、強風化板巖、中風化輝綠巖。車站所在強風化板巖層為IV級圍巖，中風化輝綠巖為V級圍巖，地層巖土體參數見表1。

表1 地層巖土參數Tab.1 Stratum geotechnical parameters

圖2 單導洞地表沉降Fig.2 Single-conductor surface settlement

2 Peck公式對群洞施工地表沉降預測

2.1 單導洞施工地表沉降預測

美國科學家Peck總結了大量單洞隧道地表沉降數據后提出Peck公式，見式(1)，認為隧道上方地表沉降近似為正態高斯分布的沉降形式[6]。

(1)

采用PBA法修建地鐵車站時需先進行導洞開挖，單個導洞開挖產生的地層變形及地表沉降與單線隧道所引起的地層變化是一樣的，所以單導洞Peck公式沉降槽如圖2所示。

2.2 多導洞施工地表沉降預測

PBA法多導洞施工時地表沉降變化的計算基于Peck公式采用疊加法進行地表沉降預測[7-8]，為了便于使用Peck公式，假設每個導洞施工均按照單一導洞條件，多導洞施工產生的沉降在地表位置進行疊加，地表沉降預測公式見式(2)：

(2)

3 導洞施工順序數值分析

3.1 計算模型

使用有限元軟件GTS進行數值模擬[9-10]，模型尺寸為60 m×30 m×60 m，如圖3所示。地層參數取值來自表1，巖土模型選用摩爾-庫倫模型，本構方程見式(3)。初期支護為C25噴射混凝土支護，在模型中采用析取單元的方法建立初期支護襯砌結構。

圖3 數值模擬模型Fig.3 Numerical simulation model

(3)

式中：p為等效壓力，MPa；q為剪應力，MPa；θ為應力洛德角。

邊界條件：模型上表面為自由面，側向用水平位移約束，底面為全約束設置。6個導洞分布位置如圖3所示。

3.2 施工順序的確定

施工順序的劃分主要涉及導洞施工順序和施工作業方式2個因素。勞動公園站采用6個導洞分為上、下2層施工，上層布置4個導洞，下層布置2個導洞。6個導洞施工順序根據已有的工程經驗和工程案例，共確定6組不同施工順序方案，如表2所示。

表2 6種不同施工順序的模擬方案Tab.2 6 different construction sequence simulation scenarios

3.3 網格劃分及施工階段的定義

在網格劃分中采用3D實體單元進行巖層劃分，單元尺寸設置為1 m；導洞初期支護結構用板單元進行模擬，設置板單元屬性時在截面中輸入板單元厚度300 mm，進行襯砌結構劃分時板單元尺寸設置為0.5 m；對于超前注漿加固通過設置注漿加固層來進行模擬；在網格劃分過程中一定要檢查網格質量，檢查在接觸面處節點的耦合情況，如果節點不耦合則計算結果很難收斂；模型荷載主要為自重荷載。

在施工階段組定義中主要是通過設置導洞中巖體單元的激活與鈍化來實現該導洞開挖過程的模擬，導洞施工順序分別按照表2中每組方案的順序進行，當施工到該導洞時導洞的單元就處于鈍化狀態模擬開挖施工。在施工階段定義中要注意初始位移清零的設置，這樣所得計算結果才更加準確。模擬過程中導洞采用臺階法施工，上下臺階進尺為1 m。

3.4 計算結果

根據6種不同施工順序模擬計算結果，在地表上方每2 m設置1個沉降監控點，共計設立30個地表沉降監控點，從每個模型中提取出關鍵步的地表沉降數據值并繪制地表沉降曲線，6種不同施工順序的關鍵步沉降曲線如圖4所示。

(a) 方案1關鍵步地表沉降曲線

(b) 方案2關鍵步地表沉降曲線

(c) 方案3關鍵步地表沉降曲線

(d) 方案4關鍵步地表沉降曲線

(e) 方案5關鍵步地表沉降曲線

(f) 方案6關鍵步地表沉降曲線

3.5 模擬結果分析

3.5.1 單導洞流水作業施工順序對比分析

流水作業施工順序(方案1、2、3)地表沉降結果分別如圖4(a)、(b)、(c)所示。其中方案1、方案2[圖4(a)、(b)]為先上層4個導洞施工后下層2個導洞施工，方案3[圖4(c)]為先施工下層2個導洞后施工上層4個導洞。從方案1[圖4(a)]可以看出，開挖上層1導洞地表沉降最大值為1.7 mm，導洞4開挖后地表沉降最大值2.16 mm，1、4導洞開挖結束后地表沉降值在1.21～2.16 mm，地表沉降整體較小且較均勻。當2導洞開挖后，地表沉降急劇增大，最大沉降值達到4.39 mm，增幅達到103.24 %。當3導洞開挖后，地表沉降繼續增大，最大沉降值達到6.88 mm，增幅達到56.72 %。當5、6號導洞開挖后地表沉降值在5.19～11.55 mm，最大值達到11.55 mm，發生在車站結構縱向中心位置，整體呈正態分布，與Peck公式預測趨勢基本相符。當各個導洞開挖后上覆地層發生卸載作用，地層發生不均勻沉降。各個關鍵步地表沉降峰值點不同，每個導洞開挖均導致地表沉降有所增加，增加幅度約在0.46～2.55 mm，6個導洞開挖后，地表沉降峰值點移至車站結構縱向中心位置。

流水作業方案2中，2導洞施工完成后地表沉降最大值2.56 mm，較方案1中關鍵步1沉降增大0.86 mm，增幅50.59 %；3導洞挖完后地表沉降最大值5.62 mm，較2導洞挖完后沉降增大3.06 mm，增幅達到119.53 %，較方案1中關鍵步2沉降增大3.46 mm，增幅達到160.18 %。當5、6號導洞開挖后地表沉降值在7.57～16.09 mm，較方案一沉降增加2.38～4.54 mm，最大值增幅達到39.31 %。

流水作業方案3中，5導洞施工完成后地表沉降最大值3.18 mm，較方案1中關鍵步1沉降增大1.48 mm，較方案2中關鍵步1沉降增大0.62 mm，地表沉降增幅36.47 %～87.06 %；6導洞施工完成后地表沉降最大值6.73 mm，較5導洞挖完后沉降增加3.55 mm，增幅達到111.64 %，較方案1中關鍵步2沉降增加2.34 mm，較方案2中關鍵步2沉降增加1.11 mm，增幅達到34.91 %～111.64 %。當2、3號導洞開挖后地表沉降值在7.25～16.27 mm，較方案1最大沉降增加2.06～4.72 mm，最大值增幅達到40.87 %。較方案2最大沉降-0.32～-0.18 mm，最大值增幅降低4.41 %。方案3較方案2地表沉降整體差距較小。

在單導洞流水作業施工順序方案1、2、3比較中，方案1地表沉降量及沉降分布明顯優于方案2、3。

3.5.2 雙導洞同步作業施工順序對比分析

雙導洞同步施工作業方案(方案4、5、6)地表沉降結果見圖4(d)、(e)、(f)所示。其中方案4[圖4(d)]、5[圖4(e)]為先施工上層4個導洞后施工下層2個導洞，方案6[圖4(f)]為先施工下層2個導洞后施工上層4個導洞，3種方案都是2個導洞同時進行施工。方案4中施工1、4導洞后地表沉降值在1.72～3.04 mm，2、3導洞施工結束后地表沉降值在4.28～11.82 mm，較1、4導洞施工后地表沉降增加2.56～8.78 mm，增幅為148.82 %～288.82 %，5、6導洞施工結束后地表沉降值在8.45～19.85 mm，較2、3導洞施工后地表沉降增加4.17～8.03 mm，增幅為91.46 %～162.89 %。

方案5中施工2、3導洞后地表沉降值在2.73～8.73 mm，1、4導洞施工結束后地表沉降值在5.30～13.45 mm，較2、3導洞施工后地表沉降增加2.57～4.72 mm，增幅為54.07 %～94.14 %，5、6導洞施工結束后地表沉降值在10.36～23.26 mm，較1、4導洞施工后地表沉降增加5.06～9.81 mm，增幅為72.94 %～95.47 %。

方案6中施工5、6導洞后地表沉降值在5.98～10.06 mm，1、4導洞施工結束后地表沉降值在7.60～14.51 mm，較5、6導洞施工后地表沉降增加1.62～4.45 mm，增幅為27.1 %～44.23 %，2、3導洞施工結束后地表沉降值在9.76～22.73 mm，較1、4導洞施工后地表沉降增加2.16～8.22 mm，增幅為22.13 %～36.16 %。

雙導洞同步施工作業優點在于縮短工期平行作業，但施工管理較復雜，需加強支護，重點防控地表沉降。

3.5.3 單導洞流水作業、雙導洞同步作業施工順序對比分析

方案4、5、6雙導洞同步施工作業引起地表沉降值19.85～23.26 mm，明顯高于方案1、2、3單導洞流水作業施工順序(沉降值11.55～16.27 mm)。方案4、5、6雙導洞同步施工作業關鍵步地表沉降變化明顯，單個關鍵步施工后最大沉降增量8.78 mm，最大增幅達到288.82 %，地表沉降突變易對地下管線及周邊環境帶來危害。

導洞群施工引起地表沉降與導洞施工順序有較大關系[11-12]，可以選擇單導洞流水作業、雙導洞同步作業施工順序。雙導洞同步作業施工順序有利于施工工期，單導洞流水作業便于控制地表沉降，有利于安全施工[13-14]。在6個施工方案中，盡管作業方式和導洞施工順序不同，但最終地表沉降槽形狀與Peck公式預測基本一致，是以地下結構中心線為對稱軸的正態分布曲線；每個方案中地表沉降的峰值都是不斷從兩邊向中間移動，并最終在結構中線形成單峰值沉降槽，不同的流水作業施工順序沉降槽峰值有所不同，雙導洞同步作業施工順序的沉降峰值明顯高于單導洞流水作業沉降峰值。

3.6 工程實測和數值模擬結果對比分析

根據數值模擬[15]結果，采用方案1流水作業施工順序組織勞動公園站施工，以某一觀測斷面監測數據為例，進行Peck公式預測、數值模擬對比分析如圖5所示，3條地表沉降曲線沉降槽基本是以車站結構縱向中心線對稱的高斯正態曲線分布，與Peck公式預測的基本一致，3種方法地表沉降差異最大1.51 mm。3條沉降曲線中數值模擬結果最小，為5.19～11.55 mm，現場實測結果居中為5.60～12.06mm，疊加原理Peck理論計算結果最大，為6.70～13.05 mm，比數值模擬結果高出12.99 %～29.01 %，比現場實測結果高出8.21 %～19.64 %。采用疊加法Peck理論計算地表沉降值較大的原因是直接考慮單個導洞施工地表沉降值的算術疊加，沒有考慮導洞間土體的相互作用，計算結果偏大。數值模擬過程中地表沉降沒有考慮土體中的水、采用的模型為理想化彈塑性模型，模擬結果偏小。在地鐵車站PBA法施工前期可由采用GTS數值模擬和疊加法的Peck理論進行地表沉降預測，以指導工程實踐，但2種方法較實際地表沉降存在一定的偏差，單一的GTS數值模擬研究應深入研究地層單元本構和地下水作用模型，單一采用疊加法的Peck理論進行預測應對疊加法進行修正。結合具體工程，建議采用2種方法綜合分析確定實際地表沉降的區間值。

圖5 地表沉降對比分析Fig.5 Comparative analysis of surface settlement

4 結論

依托大連地鐵5號線勞動公園站PBA法工程，采用GTS數值模擬、Peck理論和現場實測相結合的綜合方法，對比分析不同作業方式和導洞施工順序的地表沉降規律，得出以下結論：

① 大連地鐵5號線勞動公園站PBA法工程中雙導洞同步施工作業引起地表沉降值19.85～23.26mm，明顯高于單導洞流水作業施工順序(沉降值11.55～16.27 mm)。雙導洞同步施工作業關鍵步地表沉降變化明顯，最大沉降增量8.78 mm，最大增幅達到288.82 %，地表沉降突變易對地下管線及周邊環境帶來風險。

② 復雜環境下PBA法修建地鐵車站時地表沉降發展與導洞施工順序、作業方式、支護形式和施工方法密切相關。雙導洞同步作業施工順序有利于施工工期控制，單導洞流水作業便于控制地表沉降，有利于安全施工。

③ 復雜環境下PBA法修建地鐵車站時地表沉降槽形狀是以地下結構的中心線為對稱軸的正態分布曲線，與作業方式和導洞施工順序無關。但地表沉降槽峰值與作業方式和導洞施工順序相關，雙導洞同步作業施工順序的沉降峰值明顯高于單導洞流水作業沉降峰值。

④ 地鐵車站PBA法地表沉降預測采用GTS數值模擬因采用理想化巖土體彈塑性模型而導致模擬結果偏小，采用疊加法的Peck理論計算因未考慮導洞間土體的相互作用導致預測結果偏大。建議具體工程應采用兩種方法綜合分析，能夠確定實際地表沉降的區間值。