邻近建筑物暗挖地铁车站采用洞桩法的技术探讨.docx
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邻近建筑物暗挖地铁车站采用洞桩法的技术探讨
邻近建筑物暗挖地铁车站采用洞桩法的技术探讨
摘 要:
在介绍洞桩法施工技术概况的基础上,采用二维有限元计算模拟,分析洞桩法各主要阶段结构和地层变形过程。
论证邻近建筑物暗挖地铁车站,采用洞桩法施工的安全及稳定性较好,能够有效保护邻近建筑物。
该工法在当前大量建设地铁时期有较好的应用前景。
关键词:
地铁;车站;洞桩法;应用
1 问题的提出地下水位较高,不宜大面积长期降水的情况下宜采用。
该工法曾在北京地铁复八线的天安门西站、王府井站、随着我国地铁的大规模建设,地铁车站施工技术东单站的施工中采用,已取得较成功的施工经验。
北也不断进步,洞桩法就是在传统浅埋暗挖法的基础上京地铁十号线国贸站地面分布长安街和三环路三层立创新地吸收盖挖法的技术成果形成的新工法[1]。
该交、周边高层建筑林立,又受地下管网的控制较大,致工法适合于地面交通繁忙,地下管线密布,车站附近有使车站全长紧邻桥梁桩基础,为确保施工期间桥梁桩大型建（构）筑物需要保护的条件,尤其在车站所处的基础的稳定,设计采用了该工法。
本文通过对洞桩法施工过程进行二维有限元模拟分析,阐明了邻近建筑物暗挖地铁车站采用洞桩法的技术优势,并对其应用进行了初步探讨,从而为今后的地铁设计提供借鉴。
洞周水平收敛监测基本上同时进行,下沉量较大,最大达31mm,初期变位速率较大,2周后基本稳定。
应力监测显示,在RK175+590断面仰拱处,911号压力盒测读数比其他压力盒测读数大,应力值在30kPa左右,其他各测点压力值基本相差不大,但都大于计算值。
2 洞桩法技术
（1）施工要点
首先开挖竖井和横通道（一般利用车站通风井和风道）,再在横通道内开挖平行车站的小导洞,然后在小导洞内施工钻孔灌注桩,边桩作为车站围护结构临时挡土或车站边墙永久结构的一部分,中柱或边桩共同组成车站拱部支护结构（扣拱）的支撑体系,以便在拱桩支护结构下开挖车站主体空间。
开挖完成后施作车站梁、板、柱和侧墙等永久结构。
（2）施工步骤（图1）
图1 暗挖洞桩法施工顺序示意
施工总原则是小分块,快封闭,先修边墙或中柱,以尽量减少力的转换和对围岩的扰动。
导洞掘进和扣拱施工中应遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”及“先撑后挖,及时支撑”的原则。
第1步:
在车站上半断面的无水地层中,分左、右开挖桩柱作业导洞,从而为施作整体支护体系的侧壁支撑（桩梁结构）部分提供必要的施工空间。
导洞用小导管注浆加固地层,加格栅喷混凝土支护;
第2步:
在左右导洞内施作车站边墙护壁桩,采用特制的钻机作业;待桩柱完成后,在边桩间进行帷幕灌浆,分别施作桩、柱帽纵梁,以连接桩、柱顶端,支撑边孔初期支护;
第3步:
在导洞内施作车站顶部格栅支护（局部）,在两个边洞中立模回填混凝土,形成扣拱拱脚,开挖两个导洞之间的土体并施工拱部的初期支护;
第4步:
向下开挖,对边桩及其间的土体喷射混凝土进行支护;开挖到中层板高度,设置第一道横撑;
第5步:
地面降水,继续向下开挖,对边桩及其间土体喷射混凝土进行支护;对车站结构底板下地层进行注浆加固;在底板纵梁上方设置第二道横撑;开挖到车站底板高程后,素混凝土铺底,施工底板防水层;
第6步:
灌筑结构底板、底纵梁混凝土,待混凝土达到设计强度70%后,拆除第二道横撑,施工站台层边墙防水层和灌筑该部分混凝土;
第7步:
待边墙混凝土达到一定强度后,在中纵梁和中板边跨加掖高程下,设置横撑,施工站厅层边墙、拱部防水层,施工钢管柱及中板、中纵梁、顶纵梁、边跨拱部衬砌;
第8步:
拆除中间导洞钢支撑,开挖中跨拱部土层,施工初期支护和防水层,凿除中桩桩体、桩顶纵梁和原中间导洞的初期支护（必要时钢管柱顶设置临时横撑）,闭合底板及中板,拆除支撑;
第9步:
施工中跨拱部二次衬砌,使结构闭合,对施工缝进行必要的压浆处理,施工站台板、楼梯及其他附属工程。
3 洞桩法施工过程模拟分析
（1）基本原理及应力变形分析
模拟计算以国贸站为原型,模型为取一定边界范围内的土体作为分析对象,采用GeoFBA有限元计算分析软件进行平面力学数值模拟施工开挖、支护、衬砌全过程。
由于施工过程是分步进行的,所以计算过程采用施工步来模拟分步施工过程。
各施工阶段的状态,有限元分析的表达式为
[K]i{Δδ}i={（ΔFr}i+{（ΔFg}i+{（ΔFp}i （i=1,L）
式中,L为施工步数;设[K]0为岩土体和结构的i
初始刚度矩阵;[K]i=[K]0+∑[ΔK]λ（i≥1）为λ=1
第i施工步岩土体和结构总刚度矩阵;[ΔK]λ为施工过程中,第λ施工步的岩土体和结构刚度的增量或减量,用以体现岩土体单元的挖除、填筑及结构单元的施作或拆除;{ΔFr}i为第i施工步开挖边界上的释放荷载的等效结点力;{ΔFg}i为第i施工步新增自重等的等效结点力;{ΔFp}i为第i施工步增量荷载的等效结点力;{Δδ}i为第i施工步的结点位移增量。
对每个施工步,增量加载过程的有限元分析的表达式为
[K]ij{Δδ}ij={ΔFr}i·αij+{ΔFp}ij+{ΔFp}ij
（i=1,L;j=1,M）式中,M为各施工步增量加载的次数;[K]ij=[K]i-1+[ΔK]i
j∑ξ为第i施工步中施加第j增量步ξ=1时的刚度矩阵;αij为第i施工步第j增量步的开挖边界M释放荷载系数,开挖边界荷载完全释放时有;∑αij=j=11;{ΔFg}ij为第i施工步第j增量步新增自重等的等效结点力。
模拟地层区域的宽度取车站侧墙外215倍的车站宽度,深度为车站底板下310倍的车站高度。
土层、支护结构及混凝土结构的物理力学指标如表1所示。
表1 土层、支护结构及混凝土结构的物理力学指标为了简化分析,计算时假设
（1）计算边界处不受隧道开挖的影响,即该处为静止的原始应力状态,变形为零,用约束来模拟;
（2）考虑到时间效应,开挖、支护过程中应力的释放率:
砂性土开挖85%,支护15%;粘性土开挖60%,支护40%;（3）土体为均质连续各向同性弹性体,且发生平面应变[2]。
经过模拟计算,对各主要施工步骤土体应力及变形的分析得出,地层的应力集中主要发生在小导洞开挖和初期支护拱部开挖阶段;随着开挖由拱部至底板进行,边桩的挡土功能发挥出来,并且充分发挥桩、扣拱和横撑的支撑体系作用,有效控制地层的侧向变形。
最初车站上部土层压力仅作用于小导洞周边,待施工完拱部的初期支护后,上部土压力转换为由扣拱承载,此时边桩承受部分被动土压力;待开挖设置第一道横撑后,桩外侧转换为承受侧向主动土压力,随着继续向下开挖,直至设置第二道横撑及到基坑底部,边桩外侧完全承受主动土压力,并且利用底板以下桩的被动土压,形成一个完整的挡土结构。
待逐步拆除横撑施作车站二衬结构完成后,地层压力便由车站支护结构和永久结构共同承担。
整个施工过程中,拱部开挖时地表变形最大,所以必须在这个阶段采取控制地层变形的有效措施。
由计算可知,拱顶最大位移为10.3mm,地面沉降值为4.9mm,均满足规范要求。
（2）施工阶段地面沉降分析
通过对地表沉降曲线分析看出,因为中桩和边桩的存在,深处地层参加工作;拱部开挖到形成扣拱地表沉降最多,其后的桩间土体开挖,对地表变形影响不大,说明扣拱、边桩、中桩的承载作用明显,对土体的约束作用有效。
施工结构中拱时,因为拆撑,地层变形有增长,施工期间需引起注意,并采取相应措施。
这也应证了上面的地层变形过程。
由计算可知:
地面沉降值约为22mm。
4 邻近建筑物暗挖地铁车站采用洞桩法的技术优势
（1）合理利用车站上部无水地层的条件开挖小导洞,进行车站下部有水地层的护壁桩和中间桩的作业,提前对有水地层形成支护和截水。
在开挖到有水地层后进行局部降水,大大减少因降水造成的地层早期沉降,同时降低了降水费用;在导洞施工期间,后进尺的导洞可以利用先期施工的导洞了解地质情况,以采用信息化施工手段有效保证施工的安全。
（2）车站二次衬砌施工是在开挖大空间形成后施工的,结构的整体性好,也便于使用大型机械施工,可缩短车站施工周期,减少地层降水时间,有效控制地层沉降。
（3）边桩和扣拱共同工作,使支护结构的刚度大、整体性好,对结构外侧土体有较明确的约束作用;同时桩体作为后期结构的安全储备,共同参加地下结构的受力,使深层土体参加工作,调动了深层土体的抗力。
这些都能够有效控制地表沉降和地层侧向变形,从而在保护地下管线及邻近建（构）筑物方面起到了重要的作用。
5 需进一步探讨的问题
（1）由于在导洞内进行钻孔灌注桩作业空间小,使泥浆处理、下钢筋笼、灌筑水下混凝土都较困难,且质量控制难度较大[3]。
但随着工程机械技术的不断发展,相信这个问题可以克服。
（2）中桩破除量大,初期支护废弃量和边、导洞回填圬工量也较大,减少废弃工程量有待进一步研究。
6 结论
通过以上分析可以看出,浅埋暗挖洞桩法对邻近建筑物大断面地铁车站施工非常有效,特别是车站主体结构周边环境稳定性要求较高时,更能发挥其独特的作用。
当前,我国大量建设城市地铁,而地铁多是建在建筑物密集的城市繁华地段,可见该工法有良好的发展前景和推广价值。
参考文献:
[1] 高成雷,罗书学,朱永泉.浅埋暗挖洞桩法的三维有限元模拟分析[J].石家庄铁道学院学报,2002（3）.
[2] 申家国.浅埋暗挖地铁车站洞桩支承法施工技术[J]1铁道建筑技术,2001
（2）.
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