超大断面地铁车站洞桩法施工稳定性分析

2022-03-24熊志富唐贤金陈寿根

四川建材 2022年3期

唐雄，熊志富，唐贤金，陈寿根

(1.中铁二局第四工程有限公司，四川成都 610031;2.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

1 研究背景

广州市轨道交通十一号线呈环形线路，线路经由天河区、白云区、越秀区、荔湾区和海珠区，线路全长44.2 km，全部采用地下敷设方式，全线共设32座车站。流花路站为地下两层(高19.6 m、宽30 m)双柱岛式车站，车站全长696.55 m，标准段宽为26.15 m，隧道埋深20.4 m，总建筑面积41 674 m2。车站由主体隧道和配线段组成，如图1所示。其中主体隧道主要位于中/微风化泥质砂岩层，开挖跨度达30.399 m，最大开挖断面面积达554.9 m3，采用洞桩法施工。

图1 流花路站三维立体示意图(单位：m)

洞桩法又称PBA(Pile Beam Arch)工法，以对地层不产生大的扰动为目标，通过多个分离小导洞和桩、梁相结合在地下形成桩、柱和梁联合受力的框架支护体系，并在其支护体系的保护下开挖站厅层和站台层与后续的城市地铁车站结构施工[1-5]。PBA 法首次应用于北京地铁1号线天安门西站的施工中，随后在北京地铁复八线天安门西站，北京地铁10 号线，北京地铁4 号线海淀黄庄站、沈阳地铁1 号线的青年大街站得到推广应用。地铁车站主要有三拱双柱双层式，双拱单柱双层式和单拱无柱双层式三种结构型式。流花路站主体段采用三拱双柱双层式结构，见图2所示。本文以广州市轨道交通十一号线流花路站超大断面隧道施工为研究背景，采用数值模拟方法，对超大断面地铁车站洞桩法施工稳定性进行了分析，分析结果用于指导隧道设计和施工。

图2 流花路站洞桩法施工隧道断面(单位：mm)

2 车站主体洞桩法施工过程

车站主体部分洞桩法施工步骤主要包括：①施工小导洞，先在车站大断面上部沿纵向开挖4个小导洞，小导洞完成后在洞内采用人工及机械成孔施做边桩及中柱，施做边桩冠梁，架立边导洞内主拱的格栅钢架，并按要求支护；②施工顶纵梁结构，并预留主拱二衬的钢筋接头，敷设防水层，回填纵梁上的空间；③开挖主拱土体，施做主拱初期支护；④逐段拆除小导洞边墙，铺设防水层，立模浇筑主拱二衬；⑤向下开挖土体至负一层中板底下1.5 m位置，并及时支护，敷设侧墙防水层，施做负一层中板、边桩冠梁；⑥向下开挖土体至基底位置，施做侧墙系统锚杆、喷射混凝土、铺设防水层，浇筑边桩冠梁、底板、下层侧墙；⑦再施做下一层侧墙，施做内部结构。

3 洞桩法施工全过程的数值模拟

采用FLAC 3D有限差分通用程序对地铁隧道与既有铁路桥之间的相互影响进行全过程三维有限元数值模拟分析。

3.1 计算模型和计算参数

根据实际开挖情况模拟隧道开挖全过程。考虑到计算模型的边界效应影响，计算模型尺寸取120 m×30 m×90 m(长×宽×高)。采用实体单元模拟土体、超前加固区、回填混凝土和二次衬砌及桩基，平面板单元模拟初期支护，用植入式桁架模拟砂浆锚杆和钢管柱。四个开挖导洞为5 m×5.5 m，系统锚杆长3 m，间距2 m，小导管和大管棚加固区简化成注浆加固圈，厚度为1 m，主要位于车站顶部及导洞两侧，计算模型如图3所示。模型上表面为地表，为自由边界，无约束。左右及前后侧面为相应垂直该面的水平约束(即左右边界：x方向水平约束Ux=0；前后边界：y方向水平约束Uy=0)，模型底面为固定边界(z方向竖直方向约束Uz=0)。

流花路站工程范围内地形略有起伏，根据车站详勘资料，勘探场地在地貌上属冲洪积平原，地层以第四纪冲积、洪积土层为主。车站结构顶拱主要位于粉质黏土层中，该地层无不良地质作用。锚杆、小导管及超前注浆通过加强土体参数的方式实现。围岩和混凝土采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型模拟，计算参数见表1。

(a)模型整体

表1 材料的力学性能参数

3.2 计算结果及分析

计算模拟如第2节所述的洞桩法施工全过程，循环进尺为1 m。开挖完成后，数值模拟位移云图见图4所示，从图中可以看出，车站顶部下沉最大值为1.95 cm，底部上浮最大值为1.39 cm，满足城市隆沉标准(±30 mm)的相关要求。最大主应力云图见图5所示，从图中可以看出，最大应力为12.5 MPa。满足C40混凝土的容许应力12.7 MPa(C40)要求，表明隧道支护结构安全，设计合理。