摘  要:采用洞桩法施工地铁车站主体隧道步序多，掌子面间距对地层变形的影响较复杂。以北京地铁十号线团结湖站为依托建立了洞桩法隧道的三维数值模型，结合现场监测数据，探讨了导洞掌子面间距和主洞上下台阶掌子面间距对地层内部位移场、拱顶沉降和地表沉降的影响。研究结果表明: 左右导洞掌子面和主体隧道上下台阶掌子面位置对地层位移峰值、拱顶与地表沉降的影响范围大约 1 ～ 1. 5 倍洞径，掌子面间距可据此确定; 地层变形随台阶长度的增大而增大，短台阶更有利于控制地层变形; 实测地表沉降规律与数值计算结果表现出来的规律比较吻合。

关键词:洞桩法 掌子面间距 地层变形

 

      地铁站浅埋暗挖修建方法中，洞桩法是近年比较常见的一种施工方法，在北京、沈阳等地的地铁建设中得到广泛应用。目前国内针对洞桩法及类似方法的研究多为施工工艺方面的研究^［1-5］，或为结构设计及施工步序对隧道的影响^［6-9］。采用洞桩法施工地铁车站主体隧道步序多，掌子面间距对周边地层位移、拱顶及地表沉降变形规律的影响较复杂，而相关研究较少。

      对隧道标准断面施工步序的分析研究，可以得到分步开挖过程中每一部分施工完毕后围岩和支护结构的力学效应。但施工过程是一个空间问题，需要进行三维分析才能得到纵向影响因素对施工过程的影响。本文采用 FLAC 3D，依托北京地铁十号线团结湖站建立洞桩法隧道施工的三维数值模型，结合现场监测数据，探讨导洞施工时掌子面间距和主体施工时上下台阶掌子面间距对隧道周边地层内部位移、拱顶沉降和地表沉降的影响。

 

       洞桩法施工的主要步序为: 施工导洞→开挖桩孔，浇筑边桩→清理桩头并施作冠梁→安装边拱临时横撑，回填拱背混凝土→开挖上部土体，架设拱部格栅钢架→隧道下部土体开挖→轨道层二衬。

根据以上施工步序可知，施工过程中隧道周边地层的应力状态将不断变化，主要有以下几个阶段：

      1) 导洞施工时，洞周地层受到第一次扰动，虽然导洞断面不大，但由于地铁站埋深较浅，导洞之间的距离也比较近，因此地层内部应力场将发生较大变化，地表沉降也较显著。

      2) 架设拱部格栅钢架时，由于拱部土体开挖，初支拱对上部地层的支撑作用不可能达到原有地层的支撑效果，此时地层位移场和地表沉降将受到第二次显著影响。

      3) 当中板下部开挖施工时，边桩逐步裸露，原本起承载作用的桩周土反而变成了作用于桩身的荷载，此时为施工过程中周边地层受力状态变化的第三个阶段。

      模型网格划分如图 1 所示，横断面上网格密度在洞室附近较密，往外逐渐稀疏，纵向共划分 30 份，得到31 860 个单元，34 162 个节点。模型初始地应力为上覆地层的自重及地面荷载。模拟中先开挖左导洞，后开挖右导洞，掌子面前后间隔一定的距离，主体施工则采用上下台阶开挖方式。

      1) 拱部地层位移峰值。表 2 为不同掌子面间距时，导洞中心线处纵剖面的拱部地层竖向位移最大值，位移峰值出现在先开挖的左导洞上部。计算数据表明，掌子面间距越大，地层位移峰值也越大。根据实际工程经验，增大导洞掌子面间隔距离，可减弱两导洞开挖对洞周地层扰动的叠加效应，却使先挖导洞受力状态更加不利。因此，导洞掌子面间距不能过大，根据导洞断面尺寸，左右导洞掌子面间距可选择为 1 ～1. 5 倍洞径，即 10 m 左右。

      2) 拱顶沉降纵向分布规律分析。图 2 为三种工况下导洞初支拱顶竖向沉降纵向分布。计算表明: 左右导洞分步开挖过程中，彼此存在相互影响，但由于导洞断面尺寸不大，因此导洞相互影响程度有限，影响范围大约也是洞径的 1. 0 ～1. 5 倍。现场测试的导洞拱顶沉降值( 实际掌子面间距 10 m) 小于数值计算结果，这是因为导洞开挖后，洞周围岩会立即产生瞬时变形，当支护结构施作后开始监测数据时，瞬时变形已经不能反映到监测数据中去，而数值计算结果为开挖的同时立即进行支护所计算的拱顶沉降。

      3) 地表沉降槽分析。图 3 为工况二中( 左右导洞掌子面间隔 9. 6 m) 右导洞掌子面处地表沉降槽曲线以及右导洞开挖至 K18 +720，K18 +730，K18 +740 三个监测断面时的现场实测曲线，图 4 为中部断面左右导洞开挖完毕后地表沉降与导洞开挖完毕后 K18 +720，K18 + 730，K18 + 740 三个监测断面的现场实测曲线。

      根据数值计算结果，左右导洞开挖过程中，地表沉降值不相同，先开挖的左导洞相应部位地表沉降略大于右导洞地表沉降量; 左右导洞开挖完毕后，所引起的隧道地表最终沉降也不是完全对称的，左导洞先开挖，隧道中心线左边部分地表最终沉降也略大于右半部分的最终沉降。

      将现场实测数据与计算数据进行对比可以发现，计算结果与实测数据在变形规律上比较吻合，但实测值比计算值大。这是由于数值计算与实际地层材料参数的差异所致，其次工程中地表沉降还受到施工降水的影响，而数值计算中没有考虑地下水的因素。

      主体隧道施工的台阶长度分别考虑了 19. 2 m，14. 4 m，9. 6 m，4. 8 m 四个工况，在数值模拟 过程中，先将上台阶开挖至 28. 8 m 处，然后开挖下台阶。

      1) 地层位移峰值。表 3 为施工过程中不同开挖台阶长度时拱部地层竖向位移峰值变化情况。由表 3可见，拱部地层位移峰值随着台阶长度的减小而有所减小，但其影响程度不大。底板由于开挖卸荷引起了底板土体的回弹，其回弹位移甚至比拱部土体的竖向位移还大。掌子面间距为 1 ～1. 5 倍洞径时，底板土体的回弹都比较小。

      2) 初支拱顶沉降纵向分布规律分析。不同台阶长度对拱顶沉降也存在一定的影响。图 5 为不同台阶长度下拱顶纵向沉降曲线，由图中可以看出，随着台阶长度的增大，拱顶沉降值也相应增大。下台阶开挖过程中拱顶产生向上的微小位移，可见拱顶沉降主要由上台阶开挖引起。

      3) 地表沉降槽分析。图 6 为不同台阶长度时下台阶掌子面处对应的地表沉降分布图。当台阶长度为4. 8 m 时，地表沉降量最小，台阶长度为 19. 2 m 时，地表沉降最大。地表沉降随着台阶长度的增大而增大，但增速随着台阶长度的增大逐渐减小，而不与之成正比。由此可见，采用短台阶可以更好地控制地表沉降。

 

      通过左右导洞不同掌子面间距和主洞上下台阶不同掌子面间距对地层变形的影响，可得以下结论:

      1) 左右导洞虽然结构上是对称的，但不同施工顺序会影响到地表最终变形。先开挖导洞比后开挖导洞地表最终沉降略大，左右导洞施工对地层变形的相互影响范围大约 1. 0 ～1. 5 倍洞径。因此，左右导洞掌子面间距确定可参考这一规律。当然，实际工作中还应考虑施工组织等其他制约条件的影响。

      2) 主体隧道开挖台阶对地层位移的影响范围大约也为 1. 0 ～1. 5 倍洞径，拱顶下沉和地表沉降主要由上台阶开挖引起，其数值随两台阶掌子面间距的增大而增大，因此若要更好地控制地层变形宜采用短台阶。

      3) 由于施工监测条件、材料参数、地下水等因素的影响，实测沉降值通常与数值计算结果都存在一定的差异。但从地层变形规律看，数值计算结果与实测数据在规律上是比较吻合的。

 

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