洞樁法馬頭門施工區域群洞效應分析

劉 其 （中鐵（上海）投資集團有限公司，上海 201100）

0 引言

洞樁法依托淺埋暗挖法及蓋挖法，結合人工挖孔樁、小導洞、扣拱等施工工藝形成樁梁拱臨時受力體系，具有施工安全性高、環境影響性小、地表沉降量小、施工靈活等優點，尤其適用于城市內復雜環境下地鐵車站的施工。國內諸多學者依據數值模擬、模型試驗、理論分析及現場試驗的方法，研究洞樁法車站的地層沉降、力學轉換及技術優化。

扈世民[2]通過現場實測數據和修正劍橋模型分析北京地區洞樁法車站地表沉降規律，得出小導洞開挖及二襯扣拱施作引發的變形占總變形的80%；Liu Xinrong 等[3]研究邊樁的受力，推導出不同受力情況下樁身內力計算公式及樁參數敏感性；晏啟祥等[4]利用數值模擬結合模型試驗的方法，研究洞樁法施工過程中承載結構內力變化特點，提出修正荷載-結構模型；張加柱等[6]以新疆地鐵一號線為研究對象，對照數值模擬結果與現場測量數據，驗證了導洞開挖和扣拱施工是引發地表沉降的主要階段；張耀軍[8]依托實際工程，提出了多跨洞樁法車站施工控制技術，并驗證了其有效性；李金奎等[10]通過MIDAS GTS 建立洞樁法車站模型，并利用正交試驗法和極差分析法研究了洞樁法施工時的群洞效應；羅慶斐[11]建立洞樁法車站的數值模型，分析了洞樁法施工梁柱拱之間的力學轉換；周穩弟等[12]分析了洞樁法不同施工階段引起的地表沉降和車站結構受力，總結了圍護樁內力變化階段。

上述文章主要研究洞樁法車站整體變形和結構受力轉化問題，沒有深入研究馬頭門施工區域群洞效應。本文以廣州地鐵十三號線紀念堂洞樁法車站為研究對象，利用MIDAS 建立數值模型，結合現場試驗監測，研究馬頭門施工區域群洞效應對沉降和內力的影響。

1 工程概況

1.1 車站簡介

廣州地鐵十三號線紀念堂站位于東風路與解放北路交叉口，線路沿東風路東西向布置，紀念堂站為地下二層島式站臺車站，“拱蓋”法施工，車站頂部結構為雙連拱，車站總長309.0m，標準段寬為23.5m，頂板埋深約14.0m。

本站所處路段交通繁忙，施工期間不具備封閉道路或交通導改條件，交通環境較為復雜。且本站周邊集中了省、市、區三級政府辦公機構，沿東風路兩側分布有廣州省政府、廣州市政府、越秀區公安局、廣州市總工會等重要建構筑物，施工過程中需減少對周邊環境的影響，同時嚴格控制地表沉降，因此采用洞樁法施工。

紀念堂站在地面設置3 處豎井及橫通道，通過橫通道沿里程方向開挖1～3號小導洞并同步施作中邊樁，車站小導洞凈空5.4m（寬）×4.8m（高）。小導洞施工完成后施作中、邊縱梁，待縱梁施工完成進行扣拱施工，扣拱凈空6.7m（寬）×5.2m（高），扣拱拱頂覆土約14.0m。當樁梁拱結構受力體系建立完成后進行主體結構施工。

由于群洞效應因此需要在扣拱開挖前對馬頭門位置進行加強，加強結構見圖2。

1.2 工程地質

根據現場勘察，車站范圍內土層由上至下分別為填土層、淤泥質土、中粗砂層、可塑狀粉質粘土、全風化泥質粉砂巖、強風化粉質泥砂巖、中風化粉質泥砂巖、粉質泥砂巖。其中3 號橫通道大里程側扣拱施工段落，拱部及洞身主要位于強風化及中風化泥質粉砂巖；3 號橫通道小里程側扣拱施工段落，拱部及洞身主要位于硬塑狀粉質黏土、全風化泥質粉砂巖層。地層參數見表1。

表1 地層參數表

2 模型建立

2.1 模型建立

模型尺寸為120m（長）×90m（寬）×80m（高），邊樁利用公式等價為長42.00m、寬0.66m、高16.78m 的地下連續墻，中樁等價為長42.00m、寬0.66m、高14.00m 的連續墻。橫通道寬6.0m、高8.3m，分為上下兩個斷面分別施工，該豎井橫通道均為臨時結構，不施作主體結構，后期進行回填處理。

在MIDAS 中完成實體模型的建立后進行網格劃分，選用自動生成的以六面體為主導的混合網格組并選定匹配相鄰面。由于本次設計的研究重點為車站結構，所以車站結構以及第一層土體尺寸為1，第二層土體尺寸為2。網格節點總數為398314，單位數量為473553。

本次分析采用FLAC 3D 計算軟件進行建模，主體結構模型如圖3所示。

2.2 施工步序

馬頭門施工區域洞群施工步驟如圖4所示。

3 數值計算結果分析

通過數值模擬，分別得出橫通道、左洞室、右洞室的拱頂沉降值及地表沉降值，并分別分析其變化規律。

沿橫通道頂縱向布設監測點，橫通道拱頂沉降如圖5 所示，不同部位沉降值基本相同，橫通道采用上下臺階法開挖，上半部分開挖完成后，累計沉降值為30mm，待橫通道施工完成后累計沉降值為40mm。橫通道拱頂沉降值根據施工階段變化，主要呈現先迅速增加、再緩慢增加、最后趨于平穩的趨勢。

由于左右洞室具有一定對稱性，故以左洞室開挖為例，其沉降量與監測點布設位置圖如圖6 所示。其沉降量與距離橫通道的距離有明顯的相關性，與橫通道距離較近的4 號監測點沉降變化尤為顯著，而遠離橫通道的5、6 號監測點變化比較平緩?？拷鼨M通道處的4 號監測點沉降表現為先隨橫通道施工累計沉降量（約20mm），后隨左線開挖，沉降量進一步增加至50mm，待該區域開挖完成后，沉降穩定至60mm。5、6 號監測點沉降量不受橫通道施工階段的影響，僅當開挖至監測點附近開始發生累計沉降，總體沉降量為25～30mm。

4 馬頭門內力監測

4.1 監測元件布設

數值模擬結果顯示馬頭門附近存在群洞效應，在扣拱開挖前對馬頭門進行加強并布設測點，進一步研究加強結構的內力變化情況?，F場監測項目包括初期支護鋼架應力、圍巖壓力、馬頭門各梁和柱的應變。設置2 個初期支護受力特征監測斷面（分別距離橫通道2.5m、7.5m），每個監測斷面設置10 個鋼架應力測點、3 個圍巖土壓力測點，馬頭門應變特征監測設置48個應變測點。

4.2 馬頭門附近扣拱鋼架應力分析

通過對監測數據整理，分別繪制成軸力、彎矩包絡圖。

從圖9（a）、圖9（b）導洞內鋼架應力監測結果可知，距離橫通道2.5m 處邊導洞下部內側處拱架受力變化最大，最大值達到69MPa，所有受力最開始有一部分增大，后續隨著時間推移均趨于穩定，但于5 月左右因后續施工有集體增大的趨勢。距離橫通道7.5m 處導洞下部拱架受力變化最大，最大值達到45MPa，處于受壓狀態，應力最開始有一定增長后趨于穩定，后續隨著施工繼續增大。對比2.5m 和7.5m 斷面，靠近橫通道截面應力明顯大于遠離橫通道截面應力。

由圖9（c）、圖9（d）正洞內鋼架應力監測結果可知，扣拱左部（201086）內側處拱架受力變化最大，最大值達到63MPa，處于受壓狀態?？酃爸胁客鈧忍幑凹苁芰ψ兓草^大，為63MPa，處于受壓狀態。所有部位應力短期內均隨時間增大并趨于穩定，靠近橫通道截面應力明顯大于遠離橫通道截面應力。

對比圖10 數值模擬結果，較大的最大正應力出現在橫通道與導洞交界處的橫通道頂部，導洞的開挖致使導洞處沉降變大，原本部分受力土體被挖走，從而影響到了靠近此處橫通道的受力情況，在實際施工中此處應當加強支護或其他防護措施。模擬結果與實際監測結果一致。

圖1 車站平面布置圖

圖2 馬頭門加強結構布置圖

圖3 主體結構模型圖

圖4 開挖步驟圖

圖5 橫通道拱頂沉降累計圖

圖6 左線正洞拱頂沉降累計圖

圖7 初期支護受力特征監測元件布置圖

圖8 馬頭門應變測試元件斷面布置圖

圖9 初支鋼拱架應力時程曲線

圖10 導洞開挖完成后最大應力圖（單位為Pa）

4.3 馬頭門加強結構應力分析

根據監測結果繪制出內力包絡圖，如圖11 所示。南北兩立柱內力分布較大，均遠大于其他結構，馬頭門北側立柱最大軸力值可達300.00kN、最大水平桿軸力為60.84kN，南側立柱最大可達253.66kN、最大水平桿軸力為63.41kN，均為壓力。同時立桿與水平桿連接節點處應注意施工質量。同時結構主要承受軸力，彎曲受力較小。因此從加強結構設計優化角度，水平桿取消噴射混凝土部分，僅采用雙拼工字鋼，并減小工字鋼型號。

圖11 馬頭門內力包絡圖

5 結論

通過對紀念堂車站馬頭門部分的數值模擬及現場內力監測結果，得出以下結論。

①橫通道拱頂沉降值隨施工階段變化，主要呈現先迅速增加、再緩慢增加、最后趨于平穩的趨勢。因此實際施工中應嚴格遵循“短開挖、強支護”的開挖原則，并根據后續沉降情況進行注漿加固。

②鋼架監測中，由各測點應力數值可知，初支拱架施作后主要表現為受壓狀態，邊導洞下部應力變化較大。其中，距離橫通道斷面7.5m 斷面鋼架應力變化在邊導洞下部拱架受力變化最大，最大值達到45MPa，處于受壓狀態。距離橫通道斷面7.5m 斷面在邊導洞下部內側拱架受力變化最大，最大值達到69MPa。鋼架應力變化規律為監測初期因施工導致應力均有一定增大，然后應力均趨于穩定，檢測后期因后續施工部分應力進一步增大。

③由于群洞效應，橫通道附近洞室開挖導致的沉降量明顯大于其他段。實際施工時需加強橫通道附近現場監控量測，采取必要措施控制沉降。

④馬頭門各結構應變監測中，南北兩立柱應力變化均較大，遠大于其他結構所受應力，其中北立柱517 應力變化最大為76.426MPa，其次北側水平桿2-498 以及南橫梁2-515 相對較大，分別為27.192MPa和20.188MPa，除此之外其余部位應力變化均不大且穩定，因此需優化現場結構、強化立柱結構、優化水平桿件。