暗挖车站地下连续墙施工地表沉降分析

朱雅倩 薛洪松 刘希胜 杜昌隆 赵 旭 张志红

(1. 北京工业大学 城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京 100124；2. 北京建工集团有限责任公司，北京 100055)

0 引言

随着我国城市化进程的不断加快，城市轨道交通迅猛发展。大量的地铁车站邻近建(构)筑物建设，需对地铁车站施工诱发的沉降量进行严格控制，避免造成建(构)筑物的损伤[1-2]。PBA(Pile-beam-arch)作为地铁车站修建的主要工法，在全国各地均有广泛的应用。近年来，已有不少学者对PBA工法进行了研究分析，为地铁车站修建过程中地表沉降控制提供了大量的有益经验[3-6]。李 皓和葛克水[7]、王文涛[8]通过对PBA工法导洞不同开挖方案进行数值模拟，从而得出相应地层PBA工法控制地表沉降效果最好的施工方案。贾少春[9]、肖 茜[10]、曹 赓[11]对现场监测数据整理对比，并且通过数值模拟实际PBA工法整个施工过程，得出在施工过程中，导洞施工阶段和扣拱施工阶段对周围环境影响最大，即引起的地表沉降最为明显，是控制地表沉降的关键阶段。长期以来，对PBA工法施工过程引起的地面变形相关研究很多，对其发展变形规律有了较深入的认识，但对PBA工法导洞内边桩施工阶段地表变形规律研究较少。

现有PBA工法存在一个最大的困难，即难以进行地下水有效控制，这对于PBA工法在富水地层中的应用造成了严重限制。北京地铁16号线看丹站在原有PBA工法的基础上进行技术创新，为达到对地下水有效控制的目的，将边导洞内的边桩改为地下连续墙，在国内尚属首例。

以北京地铁16号线看丹站工程为背景，通过对边导洞内地下连续墙施工进行数值模拟，并与地表沉降监测数据进行对比分析，深入探讨城市地铁暗挖车站地下连续墙施工引起的地表沉降变化规律，为PBA工法在富水地层中的推广应用奠定基础。

1 工程概况

1.1 工程简介

北京地铁16号线看丹站总长271.2 m，有效站台中心里程右K20+698.600，车站有效站台中心处轨面高程29.15 m。看丹站为双层三跨岛式车站，车站有效站台宽12 m，结构宽21.3 m，高16.04 m，拱顶覆土约7.2 m，车站东西两端均为矿山法区间隧道。

其中，边导洞内的边桩原计划采用排桩形式。但现场条件不允许降水，因此将边桩优化成地下连续墙作为止水帷幕。

1.2 工程地质及水文地质条件

看丹站底板埋深约为23.6 m，开挖深度范围内主要包括以下土层：杂填土①层、黏质粉土素填土①3层、细砂—粉砂②1层、圆砾—卵石②层、卵石③层、卵石④层。

地下水为潜水，勘察期间地下水位稳定标高28.5 m，埋深22 m(现状地下水位稳定标高29.5 m，埋深21 m)。车站底板标高27.5～26.8 m，埋深为23.5～24.1 m，车站底板进入地下水为2.6～3.1 m。工程地质剖面及地下水分布如图1所示。

1.3 地下连续墙止水方案

看丹站地下连续墙体厚度为0.8 m，深度(最深)为18.5 m，每幅宽度为2.5 m，分节安装，钢筋笼长度为2.5 m、3.5 m。采用型钢、钢筋机械连接接头，地下连续墙采用C35抗渗混凝土，标号为P8，每幅宽度内设四根注浆管，对墙趾土体进行注浆加固。地下连续墙被划分为111个槽段，其中“一”字型槽段110个，“L”型槽段1个。

图1 工程地质剖面及地下水分布

地下连续墙采用DJK-68-01型号低净空钻机挖槽，优质泥浆护壁。钢筋笼在加工场制作，用全液压工作DJK-58-01型号吊装机械吊装钢筋笼，钢筋笼采用焊接连接，导管法灌注混凝土。

2 数值计算模型

2.1 模型建立

为研究PBA工法下导洞内地下连续墙施工对地表沉降的影响，模型围绕导洞开挖、支护与地下连续墙施作这两个施工阶段建模。

应用MIDAS/GTS NX软件建立三维数值分析模型，模型宽度设为80 m，约为4倍的车站跨径，高度为50 m，沿车站纵向长度为40 m，满足忽略边界效应的要求。模型前后左右及下部边界均加法向约束，上部地表为自由边界。整体模型网格剖分如图2(a)所示，导洞及地下连续墙部分网格剖分如图2(b)所示。

2.2 模型参数

相比于Mohr Coulomb本构模型，修正Mohr Coulomb本构模型可以分别设定土体的加、卸载模量，能有效地控制大断面土体开挖时由于应力释放引起的回弹隆起现象[12-13]，故本模型中地基土体选用修正Mohr Coulomb本构模型模拟，以实体单元建立。模型参数各取值与岩土工程勘察报告数据相同(见表1)。导洞初支衬砌和地下连续墙采用弹性本构模型；注浆土体采用Mohr Coulomb本构模型。支护结构参数见表2。

表1 岩土物理力学参数值表

表2 支护结构物理力学参数

图2 数值计算模型网格剖分

3 施工工序模拟

地铁暗挖车站地下连续墙施工工序主要分为导洞开挖、初期支护和地下连续墙施作。在导洞开挖过程中，相邻导洞断面开挖距离不小于10 m，导洞开挖进尺设为1 m；开挖前注浆加固，开挖完成后即施作初期支护。

与地下连续墙实际施工过程保持一致，要根据设计图纸分幅情况，结合现场实际，提前拟定地下连续墙成槽顺序，配备1台成槽机，采用跳槽(跳三打一)施工，先施作右侧地下连续墙后施作左侧地下连续墙。地下连续墙施工幅(槽)段划分如图3所示。数值计算过程中，右侧地下连续墙施工过程模拟见表3，左侧地下连续墙施工工序同右侧。

图3 地下连续墙施工幅(槽)段划分

表3 导洞内地下连续墙施工工序

4 地表沉降数值模拟

4.1 地表横向沉降规律

4.1.1 右侧地连墙施作

地下连续墙施工前(即导洞开挖和初期支护施工完成后)深层土体竖向位移云图如图4所示。由图4可知，地下连续墙施工前，深层土体竖向位移基本呈对称分布，沉降量较大位置集中于中导洞上方位置，围岩隆起区域主要集中在左右侧导洞及中导洞初期支护底板下方土体处。

图4 地下连续墙施工前深层土体竖向位移云图

随着地下连续墙施工的进行，待右侧地下连续墙施工完成后，深层土体竖向位移云图如图5所示。由5图可知，右侧地下连续墙施工完成后，中导洞左侧深层土体竖向位移分布基本保持稳定。围岩隆起区域主要集中在左侧导洞底板处、中导洞底板处和右侧地连墙底部。右侧导洞底板处围岩隆起现象明显得到缓解。地表最大沉降量由21.9 mm增加至23.1 mm，地表沉降变化不大。

图5 右侧地连墙施工后深层土体竖向位移云图

提取图4及图5中地表沉降计算结果汇总于图6。分析图6(a)可知，地下连续墙施工前，沉降曲线形成以车站中线为中心，呈对称分布；右侧地下连续墙施工完成后，沉降曲线也不再以车站中线为中心而是向右有所偏移，最大沉降值约13 mm，出现在车站中线右侧5 m左右。分析图6(b)可知，右导洞正上方由右侧地连墙引起的附加地表沉降量最大，地表沉降量最大值增加了3.5 mm，约占总沉降量的25%。

图6 地表中部断面沉降曲线

图6 地表中部断面沉降曲线(续)

4.1.2 左侧地连墙施作

左侧地下连续墙施工完成后，深层土体竖向位移云图如图7所示。由图7可知，左侧地下连续墙施工完成后，深层土体竖向位移基本呈对称分布，沉降量较大位置集中在中导洞上方位置，中导洞右侧深层土体竖向位移分布基本保持稳定，地表最大沉降量增至25.0 mm，沉降变化不大。围岩隆起区域集中在中导洞底板处和左右侧地下连续墙底部。左导洞底板下方土体隆起范围明显减小。

图7 左侧地连墙施工完成后深层土体竖向位移云图

提取图5和图7中地表沉降计算结果汇总于图8。由图8(a)可知，左侧地下连续墙施工完成后，沉降曲线向左偏移，大致以车站中线为中线，呈对称分布；由图8(b)可知，左侧地下连续墙施作完成后，地表沉降量最大沉降量增加3.6 mm，约占总沉降量的25%，出现在左侧导洞正上方地表处。

图8 地表中部断面沉降曲线

4.1.3 双侧地连墙施工前后地表沉降对比

地下连续墙施工完成后地表沉降云图如图9所示。地下连续墙施工完成后，围岩隆起最大值约为9.3 mm，隆起较大位置集中分布在导洞底板及下方土体处；围岩沉降最大值为25 mm，沉降较大位置集中分布于中导洞上方土体处。

图9 地表沉降云图

提取图4、图7中地表沉降计算结果汇总于图10。分析图10(a)可知，地表沉降曲线最终形成以车站中线为中心，呈对称分布；相比地下连续墙施工前，地下连续墙施工完成后沉降槽宽度增加、深度增大。分析图10(b)可知，地下连续墙施工完成后，由地下连续墙施工引起的地表沉降变化曲线呈W型；且W型曲线两个最小峰值位于左右两侧导洞上方地表位置；地表最大沉降量增量为4.4 mm，约占总沉降量的31%，位于左侧导洞上方地表处；地下连续墙施工阶段引起的地表沉降量约占整个施工过程地表沉降量的24%。

4.2 地表纵向沉降规律

地下连续墙施工前、施工中、施工后的地表纵向中断面沉降曲线如图11所示。分析图11可知，地下连续墙施工前，纵向沿着导洞开挖方向，地表沉降量越来越大，总体呈下降趋势。沉降曲线大致可以分为三段，0～10 m和30～40 m段沉降趋势较为明显，曲线比较陡；而在10～30 m段曲线比较平缓，沉降趋势相对稳定。地下连续墙施工前和地连墙施工完成后，纵向中断面最大地表沉降量分别为13.7 mm和17.0 mm。其中在右侧地连墙和左侧地连墙施工完成后引起的地表沉降量增量沿纵向分布比较均匀且基本相同。

图10 地表中部断面沉降曲线

图11 地表纵向中断面沉降曲线

选取三个导洞上方中心地表处为沉降监测点，如图12所示。提取图12中三个监测点在地下连续墙施工过程中的沉降计算结果汇总于图13中。由图13可知，在右侧地连墙施工阶段，监测点3(右导洞上方地表附近)沉降速率最大。同时也会引起监测点2(中导洞上方地表附近)和监测点3(左导洞上方地表附近)处有所沉降，中导洞上方地表沉降速率大于左导洞上方地表沉降速率。同理，在左侧地下连续墙施工阶段，左导洞上方地表沉降速率最大。在右侧地连墙和左侧地连墙施工阶段，中导洞上方地表沉降时程曲线大致为一条斜直线，即这两个施工阶段所引起的中导洞上方地表沉降速率基本相同。

图12 模型监测点布置

图13 地表沉降时程曲线

分析右侧地连墙施工阶段监测点3的沉降时程曲线和左侧地连墙施工阶段监测点1的沉降时程曲线可知，沉降大致可分为两个阶段，左右两侧地连墙分别施工前6幅为第一个阶段，在该阶段，地表沉降时程曲线为曲线，沉降速率尚未稳定；左右侧地连墙施工6幅到施工结束为第二个阶段，该阶段地表时程曲线大致为直线，即在单侧地连墙施工6幅以后，地表沉降速率基本保持稳定不变。因此控制第一阶段发生的沉降可有效降低地表沉降。

4.3 塑性应变分布

地下连续墙施工前、施工中、施工后的土体塑性应变分布云图如图14所示。分析图14可知，在地下连续墙施工前，由于导洞的开挖及支护，导洞周围土体发生扰动，形成了第一次应力重分布，塑性应变较大区域集中于导洞顶部及底角位置；地下连续墙施工过程中，中部导洞塑性应变区域基本不发生变化，边导洞塑性应变较大位置集中于地下连续墙沟槽两侧，沟槽底部的塑性应变大于沟槽顶部的塑性应变。

图14 地连墙施工前后围岩塑性应变分布

5 数值模拟结果与监测结果对比

沉降监测点平面布置如图15所示，模型监测断面如图16所示，02、03、04断面数值与地表沉降监测结果对比如图17—图19所示。根据现场地表沉降监测，选取02、03、04三个较稳定断面进行数值模拟与监测结果对比分析。数值模拟结果与监测结果对比差别不大，变形趋势高度相似，证明了数值计算结果的准确性。数值模拟结果略大于监测结果，较保守，可以作为预测完整40 m标准段实际地表沉降规律的依据。

图15 沉降监测点平面布置图(单位：m)

图16 模型监测断面

图17 02断面数值与监测地表沉降结果对比

图18 03断面数值与监测地表沉降结果对比

图19 04断面数值与监测地表沉降结果对比

6 结论

以北京地铁16号线看丹站洞内施工地下连续墙为工程背景，应用现场实测与数值模拟相结合的方法，研究了洞内施工地下连续墙过程中地表的沉降规律，并在此基础上探究了地下连续墙施作顺序对地表沉降变化的影响。主要结论如下：

(1)地下连续墙施工前，地表沉降主要集中在中导洞上方地表处；地表沉降曲线以车站中线为中心，呈明显对称的沉降槽形式。

(2)在导洞内地下连续墙施工中，单侧地下连续墙施工完成后对地表沉降在该侧地下连续墙上方地表附近影响最为明显，增量最大值约为3.5 mm，约占总沉降量的25%。

(3)相比地下连续墙施工前，左右两侧地下连续墙施工完成后，沉降槽宽度变大，地表沉降量增加，约占总沉降量的24%；地表沉降量增量曲线类似W型，左右两侧导洞上方地表沉降增加较为明显，最大增量值约为4.4 mm，约占总沉降量的31%。

(4)纵向沿导洞开挖方向，地表沉降曲线总体呈下降趋势；其中1～10 m和30～40 m段沉降趋势较为明显；10～40段沉降趋势较为平缓；右侧和左侧地连墙施工完成后引起的地表沉降量增量沿纵向分布比较均匀且基本相同；左右侧地连墙分别施工6幅以后，上方地表处沉降趋于稳定，沉降速率基本保持不变；左右侧地连墙施工中，中导洞上方处地表沉降速率基本相同。