洞桩法隧道掌子面间距对地层变形的影响

洞桩法隧道掌⼦⾯间距对地层变形的影响
洞桩法隧道掌⼦⾯间距对地层变形的影响
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。

1 洞桩法施⼯隧道受⼒状态分析
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。

2 计算模型的建⽴
综合考虑⼯程实际与计算误差，计算模型确定的范围为: 竖向上边界取⾄地⾯，考虑桩的影响，下边界取⾄地⾯以下65 m，横向每边取⾄距洞室中线30 m，约为洞径的3 倍，纵向选取的长度为36 m。

模型四周设置⽔平约束，底部设置竖向约束。

由于模型断⾯形状复杂，模拟中对地层材料进⾏了简化，全部按中粗砂考虑。

计算模型主要材料参数如表1 所⽰。

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。

3 计算结果分析
3. 1 导洞掌⼦⾯间距对地层变形的影响
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。

3. 2 主体隧道施⼯台阶长度对地层变形的影响分析
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。

4 结语
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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