随着城市轨道交通的不断发展, 北京地区地铁线路已进入了大规模网络化建设和运营时代, 其中北京地区地铁车站的建设主要是暗挖法, 比较有代表性的施工方法就是洞柱法, 洞柱法又名PBA工法 (pillar-beam-arch) ^[1], 是由边桩、中柱、顶底梁及顶拱共同构成初期受力体系的暗挖工法, 其继承了暗挖法化大为小的精髓, 核心思想在于尽快形成竖向承载结构, 使后续施工在侧壁及拱部保护下进行。但是目前洞柱法的应用边界条件尚不明确^[2]。针对洞柱法施工不同地层地表沉降对比的相关研究缺失, 其中仅有罗富荣等^[3]针对北京地区地层情况对洞柱法修建车站进行了综合性分析, 得出在无水情况下根据施工所引起的地表沉降由大到小依次为粉细砂及中粗砂层, 粉土, 粉质黏土层, 圆砾～卵石层;黄生文与姚文花^[4,5]对砂卵石地层中洞柱法的施工力学特征及监测变形进行了一定的分析;肖昌军等^[6]针对粉细砂层对导洞施工进行了施工技术的创新;杜彬、王文涛、王兆辉等^[7,8,9]多是针对具体车站施工过程中的时间历程与施工方案优化进行研究;黄瑞金^[10]以工体北路站为依托, 对扣拱施工技术要点进行了总结, 同时重点阐述监测量控和质量控制要点;牛晓凯、翟万波等^[11,12]通过数值模拟手段进行暗挖车站方案比选, 得出适应该地层的施工方案。以往的研究多是针对单一工程进行数值模拟计算与现场实测数据进行对比分析, 其研究对象较为孤立, 对不同地层中修建相似洞柱法车站的对比分析较少, 因此本文通过对16号线甘家口站与8号线三期六营门站洞柱法暗挖车站的工程地质情况及现场实测数据进行分析, 结合数值模拟对相似车站结构在不同地质条件、不同施工阶段引起的地表变形规律进行研究。

甘家口站位于阜成路和三里河路交叉口, 站中里程K6+900.000, 是16号线与3号线换乘车站, 沿三里河路跨路口南北向设置。地表环境主要以道路和绿化带为主, 阜成路和三里河路均为城市交通主干道, 道路交通繁忙, 因临近钓鱼台国宾馆且位于城市主干道下方, 施工对地表沉降要求严格。甘家口站为双层岛式车站, 车站长283.1m, 总宽23.2m, 有效站台长186m, 站台宽14m, 拱顶覆土厚度为7.77～12.50m, 底板埋深约33.80～32.00m, 底板标高16.200～18.000m。主体结构为地下2层直墙三联拱结构, 上层为站厅层, 下层为站台层, 主体结构采用暗挖PBA工法。车站主体大部分位于砂卵石地层中, 地表为杂填土及粉土, 卵石层间夹杂薄层粉土, 车站底板以下为砾岩, 地层自上而下依次为:①杂填土、①₁粉土填土、③粉土、⑤卵石、⑥粉质黏土、⑦卵石、⑧₂粉质黏土、⑨卵石、⑩粉质黏土、⑩₂粉土、 (11) 卵石、 (13) 砾岩。详细地层剖面如图1所示。

拟建北京地铁8号线三期六营门站位于南大红门路, 北至万源中路, 南至万源南路。车站西侧为火箭技术研究院, 东南侧为梅源商厦, 东侧为居住小区万源西里。拟建车站为双层岛式车站, 有效站台中心里程YK37+125.696, 全长225.8m, 总宽21.1m, 拱顶覆土厚度约为8.9m, 底板埋深约25.0m。车站主体为地下2层直墙三联拱结构, 主体结构采用暗挖PBA工法, 逆筑施工。由纵向地质剖面图可知, 六营门站大部分位于粉质黏土中, 地表为杂填土, 车站上部为粉质黏土与粉细砂, 底板下部为粉细砂及粉质黏土。地层自上而下依次为:①₁杂填土、②粉质黏土、③₁粉细砂、④粉质黏土、⑤₁粉细砂、⑥粉质黏土、⑦₁粉细砂、⑦卵石。详细地层剖面如图2所示。

结合施工设计情况对上述2个PBA车站进行统计:甘家口站穿越的地层主要包括砂卵石地层, 层间夹杂少量粉土。六营门站穿越的地层主要是粉质黏土地层, 层间夹杂粉细砂。二者车站底部分别分布较厚砾岩与砂卵石。车站开挖都采用了地表深井降水施工, 降水效果较好, 地下水位下降至车站底板以下。

甘家口站与六营门站均采用暗挖PBA法进行施工, 其施工步序分为导洞施工、围护桩施工、扣拱施工及主体结构施工。在导洞施工阶段, 二者均先行开挖下层导洞, 后行开挖上层导洞, 先行开挖边侧导洞, 后行开挖中部导洞。相同高程导洞间错距5m开挖, 不同高程导洞间错距10m开挖, 开挖上层导洞过程中须提前对导洞上部进行深孔注浆加固。待导洞稳定后在边侧上下导洞内施工挖孔桩及桩顶冠梁与条基, 中部导洞内施作挖孔护筒。待填实钢管混凝土柱与挖孔护筒间隙, 并施作顶纵梁后进行初支扣拱施工, 初支扣拱施工顺序为先中后边。待初支扣拱开挖一定距离后, 分段拆除导洞初支, 进行二衬扣拱、钢拉杆施工。最后为站厅层及站台层施工。2个车站的施工步序如图3所示。

采用ABAQUS有限元软件进行模拟计算, 模型高度为50m, 上边界为地表面, 模型整体计算跨度为100m, 为3.5倍车站跨径, 径向长度为20m。模型边界条件设置为y方向 (竖直方向) 上表面为自由边界, 下表面设置固定边界, 模型z方向设置z向约束, x方向设置x向约束。甘家口站模型采用八结点实体单元建立涵盖12个地层, 六营门车站模型采用八结点实体单元建立涵盖7个地层, 围岩的力学模型采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型。实际施工过程中, 地下水位在开挖导洞前已降至底板以下, 故本次数值模拟未考虑施工过程中地下水位对地表的影响, 且处理实际监测数据时也已排除降水对地表沉降产生的影响。

本次数值模拟对实际工况进行了一定的简化, 依据翟万波著《洞桩法大断面群洞交叉隧道初衬数值模拟》中内容, 通过等效换算将钢筋混凝土结构等效为线弹性均质材料, 具体公式如下:

$E{}_{\text{g}\text{c}}=E{}_{\text{c}}+\frac{S{}_{\text{g}}E{}_{\text{g}}}{S{}_{\text{c}}}(1)$

在模拟开挖过程中, 通过利用场变量提升导洞开挖过程中初期支护1.5m范围内土体黏聚力、内摩擦角与弹性模量的30%来进行深孔注浆的模拟。在开挖暴露出的掌子面处施加场变量, 通过衰减掌子面处土体弹性模量的50%进行应力释放的模拟。由于数值模拟软件中需求参数为变形模量, 因此将地勘报告中的压缩模量通过公式进行转换:

$E{}_0=E{}_{\text{s}}\frac{1-2\mu {}^2}{1-\mu }(2)$

数值模拟各项参数依据地勘报告进行选取, 具体参数如表1, 2所示。

为了确保数值模拟的有效性, 数值模拟与实际工程的开挖方式保持一致, 实际工程中单次循环进尺为0.5～0.8m, 因此为提高计算效率本次数值模拟单次循环进尺为1m, 数值模拟中相同高程导洞间错距5m开挖, 不同阶段施工步序间错距10m开挖。

数值模拟中严格按照现场施工步序进行开挖:开挖下层导洞 (先边后中) →开挖上层导洞 (先边后中) →围护桩施工→初支扣拱 (先中后边) →二衬扣拱 (先中后边) →开挖站厅层→开挖站台层。

本次数值模拟较过去的改进之处在于, 考虑了开挖面暴露的掌子面应力释放的过程, 并且通过数值模拟对这个过程进行了相应的模拟。除此之外对土方开挖过程中进行了保留核心土开挖的相关模拟, 确保与实际工况接近。而目前不足之处在于尚无数据支持来进行深孔注浆的浆液初凝、终凝模拟。

数值模拟结果表明2个车站结构相似、主体结构埋深差异较小, 施工步序相同的情况下, 相较于粉质黏土地层, 在砂卵石地层中应用PBA工法进行地铁车站施工, 其地表最终沉降值较小。地表沉降时间历程曲线如图4所示:甘家口车站大部分位于砂卵石层中, 六营门车站大部分位于粉质黏土地层中, 而车站施工结束后, 砂卵石和粉质黏土地层中的最终地表沉降值分别为71.43mm和98.69mm, 二者相差27mm。2种不同地质情况的数值模拟在主体结构开挖阶段地表沉降均产生一定的回弹, 其中砂卵石地层地表回弹6.39mm, 而粉质黏土地层回弹值为13.19mm。这种现象发生在主体结构站厅层及站台层开挖阶段, 因此导致地表沉降回弹的原因可能为大量开挖土体卸载, 但其详细机理仍有待进一步研究。

2个车站在施工过程中在不同施工阶段沉降速率相近具体表现为沉降曲线趋势相仿。其中导洞施工阶段沉降速率最大, 其次为扣拱施工阶段, 围护桩施工阶段有一段平缓曲线, 其实际施工过程中因成孔时间长, 其沉降速率较小, 最终主体结构开挖阶段沉降出现一定回弹, 直到车站施工完毕后, 沉降值趋于稳定。各阶段沉降速率从大到小排列为:导洞施工阶段>扣拱施工阶段>围护桩施工阶段>主体结构施工阶段。根据现场工程情况将数值模拟与现实时间相联系得到时间历程曲线, 通过比较单一施工阶段的沉降值和时间的比值来确定沉降速率。不同地质条件下各阶段沉降趋势相同, 沉降速率有一定差别, 具体体现在导洞、围护桩与扣拱施工阶段, 粉质黏土地层中应用PBA工法进行车站开挖在上述阶段沉降速率均大于砂卵石地层。该差别从下层中部导洞施工开始出现, 随着施工的不断进行, 最终达到27mm。结合具体施工步序进行分析, 不同阶段沉降速率不断变化是因为在施工过程中, 受力体系在不断地转变, 这种转变会体现在地表沉降速率上。沉降速率发生变化的节点都是施工过程中受力体系转变的节点。例如导洞与围护桩施工阶段沉降速率改变是由于导洞受力体系向导洞-边桩受力体系转变, 而围护桩与扣拱施工阶段则是导洞-边桩受力体系转变为桩-梁-拱受力体系。

不同施工阶段沉降占比各不相同, 其沉降占比由大到小排列为:导洞施工>扣拱施工>围护桩施工>车站主体施工, 各阶段详细占比如表3所示:其中导洞施工阶段可细分为上层导洞施工阶段与下层导洞施工阶段, 上导洞施工沉降占比小于下导洞施工沉降占比, 不同阶段沉降占比不同的原因为不同开挖位置对土体的扰动不同, 这种扰动通过土体位移反映到地表沉降上, 围护桩施工阶段因成孔时间较长, 因此表现出较低的沉降速率。而站厅层及站台层的沉降速率小则是由位移变化小与施工时间长共同作用导致的。

甘家口砂卵石地层中地表沉降最大值为71.43mm, 六营门粉质黏土地层地表沉降最大值为98.69mm, 数值模拟结果显示两处施工引起的地表沉降大致延车站中线对称分布。如图5所示:砂卵石地层的沉降深度小于粉质黏土地层, 但粉质黏土地层的地表影响范围为64m, 而砂卵石地层的地表影响范围为60m, 沉降槽深度上的差别可能因为砂卵石地层中卵石提供了较大的弹性模量, 和更大的抵抗变形能力, 因此表现出砂卵石地层中沉降槽深度小于粉质黏土地层。

对比数值模拟中竖直方向位移云图, 得出2种地层条件下, 暗挖施工对土体的扰动范围不同, 但都关于车站中心线左右对称。其中位于砂卵石地层的甘家口车站暗挖过程对周围土体形成了不同程度的扰动, 云图中多种颜色分布表示扰动区域, 而位于粉质黏土层的六营门站施工过程对周围土体扰动范围从云图上看较小, 但其位移变化的数值相对较大, 因此最终形成的地表影响范围大致相同。两车站数值模拟施工完毕后的竖向位移云图如图6, 7所示。

结合甘家口车站与六营门车站的监测数据和数值模拟数据进行分析, 选取沉降时间历程曲线进行对比, 由于数值模拟未考虑降水对地表沉降的影响, 因此将实际监测在降水处理后进行沉降归零处理。由图8可知, 数值模拟与实际监测数据在沉降发展趋势、沉降速率和沉降占比方面吻合较好, 实际监测数据显示甘家口站最终沉降值为66.58mm, 而数值模拟结果为71.43mm, 六营门站最终沉降值96.52mm, 数值模拟结果为98.69mm, 模拟与实测最终沉降差异为7%内, 说明模拟的合理性, 其中甘家口站实测数据出现向上突变隆起为注浆所致, 数值模拟过程中无法模拟这种突变的注浆情况, 因此此处与实测数据略有不同。但从2个车站监测数据及数值模拟数据的沉降发展趋势可以确定本次数值模拟的有效性。

1) 在施工步序相同、车站结构及埋深位置相似、施工质量相同、排除降水对地表影响后, 砂卵石地层中应用PBA工法修建地铁车站对地表造成的沉降小于粉质黏土地层。

2) 在砂卵石地层与粉质黏土地层施工过程中各阶段沉降占比无较大差异, 沉降占比大的施工阶段均为受力体系转变阶段。

3) 砂卵石地层与粉质黏土地层中不同施工阶段沉降速率有较大差异, 粉质黏土地层中各施工阶段沉降速率均大于相同施工阶段砂卵石地层中的沉降速率, 其中导洞开挖阶段最为明显。